摘 要

近年来金属屋面在风荷载作用下被掀开或破坏的事故屡见不鲜，类似的事故给人们的财产和安全带来很大的影响。因此，研究金属屋面板的抗风性能，找出金属屋面板的受力危险点，并提出相关的对策，是非常必要的。

通过大跨空间网架结构金属屋面板风致破坏分析，结合部分屋面板风灾案例，发现屋面板被撕裂、掀起、在与主体结构连接处破坏为主要破坏形式。本文基于屋面板在强风作用下的特点，通过对某建筑结构屋面板风致损伤案例进行理论和计算分析，探讨屋面板的具体破坏原因。

本文选取实际工程中常用的YX35-215-860型号金属屋面板作为研究对象，考虑自攻螺钉的连接方式，利用 ANSYS有限元软件建立了对应的有限元模型，并与国外研究学者的实验结果作为对比，验证有限元模型的准确性。

最后基于某一具体工程背景的情况下，探讨YX35-215-860金属屋面板在不同工况下的受力特点，发现屋面板孔为此类屋面板的危险区域。对提取的屋面板受力危险点进行疲劳损伤分析，结果表明，脉动风对YX35-215-860金属屋面板造成的疲劳损伤并不明显， YX35-215-860金属屋面板受损的大部分原因来自风的静力作用。

关键词：金属屋面板；自攻螺钉；疲劳损伤；风致破坏

Abstract

In recent years, metal roofs have been uncovered or destroyed under wind loads. Accidents like this have a great impact on people's property and safety. Therefore, it is very necessary to study the wind resistance performance of metal roof panels, find out the dangerous points of metal roof panels, and put forward relevant countermeasures.

Through the wind damage analysis of large span space truss structure metal roof panel, combined with some cases of wind disaster in the roof panel, it is found that the roof panel is torn, set off, and destroyed as the main damage form at the connection with the main structure. Based on the characteristics of the roof panel under the effect of strong wind, this paper makes a theoretical and calculation analysis on the wind induced damage cases of the roof panel of a building structure, and discusses the concrete damage cause of the roof panel.

In this paper, the YX35-215-860 type metal roof panel used in practical engineering is selected as the research object. Considering the connection mode of self tapping screws, the corresponding finite element model is established by using the ANSYS finite element software, and the accuracy of the finite element model is verified by comparison with the experimental results of foreign researchers.

Finally, on the basis of a specific engineering background, the stress characteristics of the YX35-215-860 metal roof panel under different working conditions are discussed. It is found that the roof of the roof is a dangerous area of this kind of roof. The fatigue damage of the roof panel is analyzed. The fatigue damage of the extracted roof panel is analyzed. The results show that the fatigue damage caused by the pulsating wind on the YX35-215-860 metal roof panel is not obvious. Therefore, it is concluded that most of the damage to the YX35-215-860 metal roof panel is due to the static effect of the wind.

Key Words： Metal roof panel；Self tapping screw；fatigue damage；Wind damage

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 大跨空间结构的发展 1

1.3 金属屋面板的形式与特点 2

1.4 国内外研究现状 3

1.5 本文的主要工作 4

第二章 大跨空间网架结构金属屋面板风致破坏分析 5

2.1 研究背景 5

2.2 金属屋面板风致破坏的特点和对策 5

2.2.1 大跨网架结构金属屋面板风致破坏的形式 5

2.2.2 大跨网架结构金属屋面板风致破坏的原因 5

2.2.3 大跨网架结构金属屋面板在风荷载作用下的安全措施 6

2.3 金属屋面板破坏实例分析与对策 7

2.3.1 某体育馆屋面系统风灾事故概述 7

2.3.2金属屋面板抗风设计计算 7

2.3.3金属屋面系统风灾破坏分析 10

2.4 金属屋面板的疲劳损伤分析 11

2.4.1 材料疲劳损伤的S-N曲线 11

2.4.2 疲劳累积损伤理论 12

2.5 本章小结 13

第三章 金属屋面板有限元建模分析 14

3.1 有限元理论的基本步骤 14

3.2 金属屋面板模型中的计算单元 15

3.2.1 Shell 181壳单元 15

3.2.2 Solid 185实体单元 16

3.2.3 Combin14弹簧单元 17

3.3 YX35-215-860型号屋面板建模过程 17

3.3.1 材料模型的定义 19

3.3.2 建模和网格划分 19

3.3.3 接触和边界条件的建立 22

3.3.4 加载方式 23

3.4 有限元结果与实验结果对比分析 24

3.5 本章小结 25

第四章 金属屋面板的静风致损伤疲劳分析 26

4.1 工程背景 26

4.2 金属屋面板的破坏失效准则 26

4.3 金属屋面板风致损伤分析 26

4.3.1 YX35-215-860金属屋面板在9级风作用下的抗风性能 26

4.3.2 YX35-215-860金属屋面板在10级风作用下的抗风性能 28

4.3.3 YX35-215-860金属屋面板在11级风作用下的抗风性能 30

4.3.4 YX35-215-860金属屋面板抗风承载力分析 31

4.2 金属屋面板的疲劳性能分析 32

4.3 本章小结 35

第五章 结论与展望 36

5.1 结论 36

5.2 展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 引言

随着建筑技术的快速发展，由于金属屋面板具有轻质高强，防水性能、抗腐蚀性能良好等特点，其在大跨空间网架结构中的应用越来越广泛，如机场、火车站、会展中心、体育馆等大型建筑屋面。

风荷载是此类结构的主要设计荷载，而大跨空间网架结构的金属屋面系统在风荷载作用下，难免出现结构疲劳和损伤。其次，对于大跨度复杂的网架结构屋面板的抗风设计，国内缺少合理科学的规定，造成大跨度网架结构屋面板在风荷载的作用下被掀开的事故时有发生。

屋面板破坏对结构整体的建筑美观有着一定的影响，其次，对经济也会造成比较大的损失，严重者可能会影响企业生产甚至威胁人的生命安全。因此，大跨空间网架结构金属屋面板的风致疲劳损伤研究，对保证结构的安全性有着非常重要的意义。

1.2 大跨空间结构的发展

随着社会的快速发展，人类物质和精神生活水平不断提高，建筑结构也朝着大跨度方向发展，如航站楼、体育馆、影剧院等等。近几十年来，大跨度空间结构种类越来越多，形式越来越复杂。总体而言，可以把大跨度空间结构分为三大类空间结构，分别为柔性空间结构和刚柔性组合空间结构、刚性空间结构^[1]。

柔性空间结构的特点是组成结构的基本单元为柔性基本单元，如钢缆、钢索、薄膜等。这一类结构包括悬索结构、索网结构、膜结构等。