小型全铝装配式房屋结构设计与分析

温 杨 李柏林 刘 学 张春旭 马 多 张宗铄

辽宁忠旺集团有限公司 辽宁辽阳 111003

1 设计背景

装配式建筑指将预制的建筑构件运输到施工现场,在现场完成房屋构件的装配建造工作。与以往浇筑式建筑相比,装配式建筑具有建造与装修一体化可同步进行,施工效率高,建造工期缩短等优点,适应绿色建筑的发展要求[1]。欧美国家在装配式建筑领域起步较早,发展较快[2-4]。其中,在美国国内,装配式建筑占比较高,达到90%。德国作为住宅紧缺型国家,随着产业化技术的进一步提高,产业化建造水平已经相当成熟。我国在2022年发布《国务院办公厅关于进一步释放消费潜力促进消费持续恢复的意见》和《关于推进以县城为重要载体的城镇化建设的意见》等政策意见,推动绿色建筑规模化发展,大力发展装配式建筑。行业预测,到2025年,我国城镇新建建筑全面建成绿色建筑,装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到30%。到2025年,我国新建装配式建筑面积将达到16.51亿m2,市场规模将达3.6万亿元。

铝合金作为一种常见的有色金属材料,具有强度高、易加工、耐腐蚀等特点,被广泛应用于工业电子、交通运输、建筑结构等重要领域。在传统建筑领域,混凝土、钢材等建筑材料存在耐久性不佳、力学性能差、自身重力大等缺陷[5]。由此,近年来,铝合金作为建筑领域的绿色材料,得到广泛应用[6]。铝合金装配式建筑具有样式美观、经济优势明显、工业化生产高效等优点。笔者对小型全铝装配式房屋进行结构设计与有限元分析。

2 材料

基于小型全铝装配式房屋对使用寿命及使用稳定性的要求,确定以6005A-T6铝合金挤压材为主建造骨架和地面踏板,可以有效保证房屋结构件的强度,提升房屋整体的抗变形能力。选择3003-H14铝合金轧制板材,在工艺上进行粉末喷涂,作为小型全铝装配式房屋的蒙皮结构。

6005A铝合金属铝镁硅系可热处理铝合金,具有优良的挤压性、焊接性、耐腐蚀性,综合力学性能优异,广泛应用于轨道交通车辆的制造[7-8]。

3003铝合金是以锰为主要合金元素的一种变形铝合金,具有良好的机械加工性能和焊接性能,塑性和强度较高,耐腐蚀性好。3003铝合金是应用较广的防锈铝,在建筑、食品包装等领域应用广泛[9]。6005A铝合金合金成分见表1,3003铝合金合金成份见表2,6005A铝合金室温下力学性能见表3,3003铝合金室温下力学性能见表4[10-12]。

表1 6005A铝合金化学成分

表2 3003铝合金化学成分

表3 6005A铝合金室温下力学性能

表4 3003铝合金室温下力学性能

3 断面

根据项目需求,所设计的小型全铝装配式房屋外形尺寸为6 800 mm×4 500 mm×3 000 mm。针对小型全铝装配式房屋的轻量化,开展了型材结构优化设计。在满足强度、疲劳性能要求的基础上,对型材最大应力和最大变形不敏感的非承重面进行减薄,设计加强筋、悬臂结构,提高型材的强度,提升房屋的保温、防水性能,并在型材端面设计插接结构,提升稳固性,最终获得轻量化效果与结构强度俱佳的型材断面结构。立柱断面结构如图1所示,地板断面结构如图2所示。

图1 立柱断面结构

图2 地板断面结构

4 零部件

针对小型全铝装配式房屋的结构强度要求及使用环境需求,对骨架、地面踏板及岩棉夹芯板、内外部钣金、门窗及防盗护栏、踏步平台五大零部件结构布局进行设计,确定各零部件的必要工艺要求。小型全铝装配式房屋结构如图3所示。

图3 小型全铝装配式房屋结构

5 防水保温

针对防水保温性能问题,对小型全铝装配式房屋室内外铝板的拼接进行设计,设计一周U形槽断面扣接结构,并采用密封胶,由此大大提升防水保温性能。防水保温设计如图4所示。

图4 防水保温设计

6 墙体结构

针对墙体结构拼装困难、拼装速度慢、安装精度差的问题,设计了一种复合模块墙板。外墙板通过紧固件与岩棉夹芯板固定在一起,成为复合模块墙板,与骨架相连。复合模块墙板如图5所示。

图5 复合模块墙板

7 门窗结构

针对门窗及防盗护栏在安全性与美观性方面的需求,进行门窗结构在强度及表面处理工艺方面的设计,确定以铝合金挤压管材、铝板材为主,辅以白色木纹转印技术,使表面性能、安全性、美观性都大大提高。门窗结构如图6所示。

图6 门窗结构

8 连接

框架结构需要承受较大的支撑力,并且具有防止应力变形的关键作用。对此,确立以螺栓连接为主的连接方式,一方面保证工艺简单性,解决角焊接难度大的问题,另一方面消除焊接热影响区带来的性能降低影响,整体结构强度得到保证。框架螺栓连接如图7所示。

图7 框架螺栓连接

9 有限元分析

房屋使用环境复杂,需要确保安全性及使用寿命。由此,需要对小型全铝装配式房屋进行风载、雪载、满载三大工况下的有限元分析,得到不同工况下的受力情况。

9.1 风载工况

风载工况主要有三种工况条件,工况1为X方向0.000 65 MPa,工况2为-X方向0.000 65 MPa,工况3为Y方向0.000 65 MPa。风载工况受力云图如图8所示,最大应力为177.9 MPa。

图8 风载工况受力云图

9.2 雪载工况

在屋顶上施加值为10-3N/mm2的-Z方向均布载荷,模拟极端条件下积雪高度为1 m时的压力载荷。雪载工况受力云图如图9所示,最大应力为76.7 MPa。

图9 雪载工况受力云图

9.3 满载工况

满载工况主要有三种工况条件,工况1为X方向0.6g加Z方向-g,工况2为Y方向0.4g加Z方向-g,工况3为Z方向-2g。满载工况受力云图如图10所示,最大应力为186.9 MPa。

图10 满载工况受力云图

9.4 小结

风载和满载工况下,最大应力为186.9 MPa,未超过6005A铝合金的屈服强度(215 MPa)。雪载工况下,最大应力为76.7 MPa,未超过3003铝合金的屈服强度(125 MPa)。

由此可见,三种工况下的最大应力均未超过材料的屈服强度,经过轻量化结构设计的小型全铝装配式房屋能够满足强度要求。小型全铝装配式房屋样件如图11所示。

图11 小型全铝装配式房屋样件

10 结束语

笔者设计的小型全铝装配式房屋主要由骨架、地面踏板及岩棉夹芯板、内外部钣金、门窗及防盗护栏、踏步平台五大零部件组成,设计所使用的材料为6005A-T6铝合金和3003-H14铝合金。

所设计的小型全铝装配式房屋在风载、雪载、满载三大工况下,最大应力均未超过材料的屈服强度,表明设计方案安全可行。通过使用反馈,验证了设计满足使用需求。

所设计的小型全铝装配式房屋符合当下国内实现行业绿色发展的需求,我国出台的一系列相关政策必将进一步加快装配式建筑向绿色、环境友好型发展的步伐。