摘 要 近年来，随着大跨结构的应用越来越广泛，金属屋面板是其重要围护结构。大跨结构中金属屋面板发生风致破坏导致屋面板漏水、被掀翻的现象亦层出不穷。针对大跨结构中金属屋面板风致破坏带来的经济财产损失，研究者们有必要对金属屋面板的风致破坏进行研究。 本文通过对大跨网架结构体系中的风致破坏现象进行分析总结，在大量风灾事故的基础下，对屋面板的破坏形式进行了总结，发现屋面板围护结构的风致破坏主要以屋面板被撕裂、掀翻为主要破坏形式。 然后基于以上分析总结，本文将选取自攻螺钉固定的YX35-125-75（V-125）型金属屋面板为研究对象，使用有限元分析程序ANSYS，完成了相应的有限元模型的建立。 在模型上施加各级风荷载进行加载分析，根据ANSYS后处理结果查看各级风荷载作用下的屋面板应力应变情况，分析可得到屋面板风致破坏下的最危险部位，可确定失效破坏时的风级大小。并针对这些模拟结果提出了能够提高金属屋面板抗风性能的可行性建议。 关键词：大跨结构；围护结构；风荷载；金属屋面板；有限元分析 Abstract In recent years, with the increasing use of large-span structures, metal roof panels are an important enclosure.The wind-induced damage of the metal roof panels in the large-span structure caused the roof panels to leak and be overturned. In view of the economic property damage caused by wind-induced damage of metal roof slabs in large-span structures, it is necessary for researchers to study the wind-induced damage of metal roof slabs. This paper firstly analyzes and summarizes the wind-induced damage phenomena in the large-span grid structure system. On the basis of a large number of wind disasters, the damage form of the roof slab is summarized. It was found that the wind-induced damage of the roof panel envelope was mainly caused by the tearing and tumbling of the roof panel. Then based on the previous analysis ,this paper will select the YX35-125-75 (V-125) metal roof panel fixed by self-tapping screws as the research object. Using the finite element analysis program ANSYS, through the definition of materials and real constants, the definition of the model, the modeling and meshing, the setting of the contact and the setting of the boundary conditions we’re able to complete the establishment of the corresponding finite element model. The wind load is applied to the model for loading analysis. According to the ANSYS post-processing results, the stress and strain of the roof under the wind load are observed. The most dangerous part under the wind-induced damage of the roof panel can be obtained, and the wind level when failure happens can be determined. Based on these simulation results, feasible suggestions for improving the wind resistance of metal roof panels are proposed. Keyword: Large span structure; retaining structure; wind load; metal roofing; finite element analysis 目 录 第1章 绪论 1 1.1 目的和意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1 金属屋面板的风致破坏在国内的研究现状 1 1.2.2 金属屋面板的风致破坏在国外的研究现状 3 1.3 不足之处 3 1.4本文的主要工作 4 第2章 金属屋面板的有限元建模分析 5 2.1 引言 5 2.2金属屋面板的性质与型号 5 2.2.1金属屋面板的性质 5 2.2.2金属屋面板和自攻螺钉的选择 6 2.3 有限元理论基础 7 2.3.1有限元基本理论介绍 7 2.3.2 ANSYS非线性有限元分析方法 8 2.3.3. ANSYS模型计算单元介绍 9 2.4 YX35-125-750（V-125）型屋面板模型的建立过程 12 2.4.1 材料模型的定义 13 2.4.2 建模和网格划分 14 2.4.3接触定义 15 2.4.4边界条件的设定 16 2.5本章小结 16 第3章 风荷载的模拟和加载方式 17 3.1 引言 17 3.2 金属屋面板抗风设计 17 3.3 风荷载加载方式 20 图3.2 屋面板上施加均布荷载 22 3.4 本章小结 22 第4章 金属屋面板的抗风分析 23 4.1 引言 23 4.2 自攻螺钉型金属屋面板的破坏失效准则 23 4.3 ANSYS有限元模型的合理性验证 23 4.4 基于ANSYS的屋面板的加载模拟及分析 24 4.4.1 9级风作用下的屋面板作用响应 24 4.4.2 10级风作用下的屋面板作用响应 26 4.4.3 11级风作用下的屋面板作用响应 28 4.5 YX35-125-750金属屋面板抗风承载力 30 4.6 本章小结 31 第5章 结论与展望 32 5.1 结论 32 5.2 展望 32 参考文献 34

第1章 绪论

1.1 目的和意义

金属板材有着悠久的建筑工程应用历史，采用金属铜板作为屋面材料的耶路撒冷大教堂建于15世纪的，采用铜板作为屋面材料的法国CHARE教堂建于17世纪，使用铝板屋面的日本甲子园球场建于1950年。及至70年代，伴随着冷弯成型技术的快速发展，在工程中使用的金属屋面板的厚度大大减小屋面板，金属屋面板在工程中的应用也越来越广泛。近年来，我国建设的大部分机场、体育馆、火车站等公共建筑，均采用金属屋面板作为屋面围护结构的材料，比如武汉天河机场、河南体育馆、武汉火车站等。 金属屋面主要由各种功能构造层及冷弯薄壁金属板组成，与传统屋面板相比较，具有轻质高强、结构性能稳定而且外观实用性广、易于施工安装的特点，在工程建筑中具有很强的应用价值。但与此同时，金属屋面系统破坏带来的安全隐患和经济损失也不可小觑。 金属屋面的安全性能涉及到系统的防水、抗风揭、耐久性等各方面，其中屋面系统的抗风性能与建筑在大风条件下的安全可靠性关系紧密，对建筑的安全性、适用性影响重大，屋面系统破坏所造成的损失也较严重。近年以来，沿海及较大风力地区都发生大量建筑屋面破坏的案例。武汉天河机场二期主候机楼的屋面系统在2007年7月被突如其来的大风破坏；2010 年9月大风导致泉州火车站屋面漏雨，致使部分列车晚点乃至取消，同月其屋面板被风掀开；2012年前后，河南体育馆屋面系统在九级大风作用下被掀，屋面中间位置屋面板及固定槽钢被风撕裂；在2010年、2011年和2013年北京首都国际机场T3航站楼三次被风掀开，严重影响机场正常运营；2014年，受9号台风“威马逊”影响，海口琼台师专体育馆金属屋面围护结构遭受严重破坏，致使体育馆内漏水严重；2015年，大风“彩虹”登陆湛江造成宝钢工程屋面围护结构损坏严重[^[1]]。这些频繁发生的风灾事故对建筑结构的屋面板围护结构影响严重，进而影响了结构的安全和适用，造成了严重的经济财产损失。所以，对金属屋面板的风致破坏进行相应的研究是具有积极的实用价值的。 因此，本文以自攻螺钉型金属屋面板为研究背景，通过有限元软件建立相应的模型对这一类金属屋面板进行抗风分析，从而此类屋面板的风致安全的考虑提供一定的参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 金属屋面板的风致破坏在国内的研究现状

为减少大量风灾事故对屋面板的工作情况的不利影响，国内已经在这方面进行了广泛的研究。这些研究主要分为两大类。一方面，人们针对作用在屋面上的复杂的风场、以及各种风致破坏的原因，进行了大量的相关研究。另一方面，针对金属屋面抗风性能和设计方法的研究也层出不穷。 1.2.1.1 风致破坏机理研究 程志军[^[2]]等人研究了屋面形状、女儿墙及周边建筑对屋面风荷载的影响，总结了屋面风致破坏原因主要为：流动分离、内外压力协同、动力效应。但由于风场较为复杂并且难以作为固定因素加以考虑，本文中将把重点放在后者：对金属屋面板的抗风性能进行研究。 谢杰华，别雪梦[^[3]]研究了大跨屋盖结构承受风荷载作用的特点，指出了大跨结构中局部应力过大产生的流动分离是导致屋面板破坏的最普遍的原因，并以某实际结构的网架结构屋盖为对象讨论了大跨屋盖结构的加固措施。 根据以上研究总结发现，作用在屋面板上的风场因素很复杂，风荷载导致屋面板破坏失效的原因也较为复杂。因此，在这些对屋面板风致破坏机理的研究的基础上，可以对屋面板的抗风性能进行研究，对进行屋面板风致安全的抗风设计具有相当的应用价值。 1.2.1.2 抗风设计研究 陈玉[^[4]]针对直立锁边金属屋面板的抗风性能，结合目前国内外的相关研究方法，以实际工程为例建立了抗风分析有限元模型，分析并提出了直立锁边金属屋面抗风性能的改进措施。 石景[^[5]]等人同样以直立锁边型金属屋面板为研究对象，在建立屋面板有限元模型时，利用弹簧单元模拟了支座与板之间的接触，并通过将模型计算结果与实验结果对比验证了这一建模的合理性。 李路川[^[6]]也对直立锁边屋面板进行了试验，指出了：对于此类金属屋面，1、屋面板之间的主要传力方式是板横向传力，沿纵向的传力较小；2、屋面板梅花头支座咬合处的咬合强度很大一部分上决定了屋面板的抗风强度。 李元齐[^[7]]等以自攻螺钉型屋面板为对象，对两种不同板材不同厚度的试件进行了111次抗拉脱性能及105次抗拔性能试验，得出结论：随着屋面板板厚及自攻螺钉螺钉头或垫片直径的变大，屋面板的抗拉脱承载力增大。 张雪丽[^[8]]等也以自攻螺钉型屋面板为对象，对30多组这类波峰型试件进行了试验来研究屋面板的抗剪性能。实验发现，当支撑板较薄，试件的抗剪性能对板上开孔等情况越敏感；而板厚到一定程度时抗剪性能则不受明显影响。 曾祥新[^[9]]以自攻螺钉金属屋面板为对象使用有限元分析方法分析了其保持正常使用的抗风承载力和疲劳特性。 李明[^[10]]等利用有限元分析软件 MIDAS 进行模拟，通过对边界条件合理的假定，探求影响直立锁边屋面系统抗风揭性能的影响因素。结果表明:减小檩距、增加板厚和减小板宽等形式可以降低跨中竖向位移、增加屋面板的抗风揭性能。

1.2.2 金属屋面板的风致破坏在国外的研究现状

Kareem A[^[11]]指出屋面的破坏主要是因为连接部位的强度不足引起的，而不是因为风荷载过大。 Edward[^[12]]等研究则发现规范中缺少关于屋面与主体结构之间连接细节的规定，造成了屋面由于连接不合理而被风破坏。 Ellifritt Duane S[^[13]]等针对波谷连接型的自攻螺钉屋面板，提出一种新的承载力强度的测量方法，以金属板从螺钉头穿过而破坏的荷载值来确定，并将这一结果与美国规范里的标准试验结果进行对比。 Mayooran Sivapathasundaram[^[14]]则对小尺寸的轻钢屋面进行了详细的实验研究，发现在热带气旋地带，屋顶板条–梁或桁架连接的失效被确定为屋顶严重损坏的一个重要原因。 Henderson[^[15]]静态研究了在脉动风荷载的作用下屋盖的工作情况，发现螺钉的压力变化主要是来自作用在螺丝顶部的局部荷载。

1.3 不足之处

目前金属屋面的种类繁多，按连接方式可以分为：自攻螺钉连接、咬边连接和直立锁边连接等金属屋面板。其中，自攻螺钉型金属屋面板是应用最广泛的金属屋面板种类之一，也是最容易发生漏水等风致破坏事故的金属屋面板种类之一。故本文选取自攻螺钉型金属屋面板为研究对象。 对于自攻螺钉型屋面板的相关研究进行总结，发现存在以下不足：（1）国内已有的研究大部分是关于自攻螺钉型金属屋面板抗剪性能的研究，对该类金属屋面板的整体抗风揭性能的研究还较少。（2）对于该类型屋面板，板型生产所导致的缺陷、施工安装所导致的缺陷等对该类金属屋面板的抗风性能的影响的研究还很少（3）大部分研究考虑的是屋面板在被掀翻或开裂时的极限状态下的承载力，缺少对屋面板正常使用状态下的承载力的研究。（4）在进行屋面板的受力分析时，多将风荷载作为静力效应来考虑，且容易忽略动力效应作用下的材料劣化，需要完善这部分的研究。

1.4本文的主要工作

对参考文献进行整理和总结发现，在大跨结构中，自攻螺钉金属板的破坏形式以下面三种为主：1、螺钉直接从檩条中拔出；2、螺钉强度不够而导致螺钉杆拉断；3、板波峰横向拉裂导致螺钉头穿过金属板。本文将主要考虑在第3种情况下发生的屋面板失效破坏。 基于前面的分析总结，本文将选取自攻螺钉固定的YX35-125-750（V-125）型金属屋面板和M6自攻螺钉为研究对象，使用有限元分析程序 ANSYS 建立相应的有限元模型，利用接触单元对屋面板和螺钉之间的接触情况进行了接触对的定义。 考虑在武汉地区的平均风速和基本风压，对风荷载设计值进行了计算，并模拟为施加各级均布荷载到模型上。将计算结果与实验结果比较分析，确定有限元建模的合理性。根据ANSYS输出的计算结果分析各级风荷载作用下的屋面板应力应变以云图及变形情况，分析可得到屋面板风致破坏下的最危险部位以及屋面板失效破坏时对应的风级。并针对易发生失效破坏的部位，提出了一些能够提高金属屋面的抗风承载力的建议。

第2章 金属屋面板的有限元建模分析

2.1 引言

使用实验方法来研究屋面板抗风性能固然是最直接的方法，但由于其技术难度大，实验费用高等缺点，其在研究金属屋面的抗风性能问题时难以得到普遍应用。而有限元法最初被称为矩阵近似方法，具有方便性、实用性和有效性的优点。ANSYS有限元分析方法是最常用的有限元分析手段之一，可以很好的解决各类结构工程问题，在结构分析上的应用相当广泛。故本文利用ANSYS对屋面板风致破坏特性进行研究。 本章内容主要是进行金属屋面板的ANSYS有限元模型建立的准备工作。首先是建模对象——YX35-125-750（V-125）型金属屋面板的确定和M6自攻螺钉尺寸的选择，然后是简述进行有限元建模时涉及到的理论，最后对屋面板模型的建立过程进行介绍。

2.2金属屋面板的性质与型号

2.2.1金属屋面板的性质

自攻螺钉型金属屋面板多应用于火车站、体育馆雨棚、等建筑屋面围护系统中。典型的自攻螺钉型金属屋面系统构造如图2.1所示。自攻螺钉型屋面局部连接图如图2.2所示，自攻螺钉图如图2.3所示。 自攻螺钉型屋面板大多外型和安装工艺简单，并且抗风承载力高，但是由于其安装时特有的连接特点，普遍防水性能不高。因此对此类屋面板进行设计时，不应只考虑其抗掀翻承载力，还需考虑其维持正常使用状态下的承载力。 图2.1.典型自攻螺钉型金属屋面板系统构造 图2.2自攻螺钉型屋面局部连接图 图2.3 自攻螺钉

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