摘要：極端風(fēng)荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)屋蓋極易發(fā)生破壞，基于此，依托實(shí)際工程案例，提出一種鋼結(jié)構(gòu)屋面膜自動(dòng)脫落裝置，并通過(guò)有限元數(shù)值軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)承載力和屋面桿件受力情況進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：夾芯荷載-位移曲線呈拋物線狀，存在屈服平臺(tái)。豎向夾角越大，夾芯承載力越高，夾芯豎向夾角與承載力呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。豎向夾角小于6°時(shí)，不同夾芯高度工況下峰值承載力基本一致。隨著豎向夾角的增加，各工況承載力差異逐漸增大。相比之下，夾芯高度為30mm工況下峰值承載力最高，其余工況隨著夾芯高度增加峰值承載力下降，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著膜材脫落率增加，屋面桿件應(yīng)力逐漸下降，高應(yīng)力比桿件數(shù)量逐漸減少，屋面桿件位移和撓度也逐步下降，提高了屋面桿件安全的冗余度。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)屋蓋；膜結(jié)構(gòu)；抗風(fēng)設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大型鋼結(jié)構(gòu)建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋是其中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，針對(duì)于此，國(guó)內(nèi)許多研究人員對(duì)其展開了一系列研究。

王佳琦[1]依托廣州白云站站房鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，就復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行了模擬分析和數(shù)值模擬，對(duì)三維曲面鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝方案和施工工藝進(jìn)行了研究。程衛(wèi)紅等[2]將文物保護(hù)與現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)結(jié)合，論述了文物保護(hù)類工程大跨度鋼桁架屋蓋施工實(shí)例。郭得旺等[3]針對(duì)采用累積滑移施工方法的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，研發(fā)了一種滑移階段自動(dòng)卸載技術(shù)，保證了屋蓋結(jié)構(gòu)成形狀態(tài)的位形。王金榮等[4]開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了高溫環(huán)境對(duì)復(fù)雜大跨空間結(jié)構(gòu)吊裝施工過(guò)程的影響，提出不考慮溫度與考慮溫度兩種情況下數(shù)值模擬荷載效應(yīng)增大系數(shù)的取值。武金料[5]基于層次分析法，建立三層次大跨度鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估指標(biāo)體系，并對(duì)杭州西站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行了評(píng)估，驗(yàn)證所提出方法的正確性和有效性。朱忠義等[6]依托北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)豎向承載能力、水平抗側(cè)能力、防連續(xù)倒塌、抗震性能研究及豎向地震作用進(jìn)行了分析。

為保證強(qiáng)風(fēng)荷載作用下屋蓋結(jié)構(gòu)的安全可靠，本文依托科特迪瓦圣佩德羅體育場(chǎng)項(xiàng)目，提出一種鋼結(jié)構(gòu)屋面膜自動(dòng)脫落裝置。針對(duì)于此，采用有限元軟件建立鋼結(jié)構(gòu)屋面數(shù)值仿真模型，分析該自動(dòng)脫落裝置的承載力主要影響因素，并研究了不同脫落率條件下屋面桿件的受力情況，所得研究成果可為相似工程提供一定的借鑒、指導(dǎo)。

1" "工程概況

本文依托科特迪瓦圣佩德羅體育場(chǎng)項(xiàng)目，該體育館作為2023年非洲杯小組賽賽場(chǎng)之一，位于圣佩德羅市的西南部，建筑用地16.8ha，包含一個(gè)20000人座體育場(chǎng)和配套室外停車場(chǎng)及道路工程，總建筑面積24030.72m2，其中看臺(tái)分為東西兩側(cè)兩個(gè)獨(dú)立看臺(tái)，投影面積12453.4m2，展開面積約18800m2。

2" "屋蓋膜結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

為加強(qiáng)體育館屋蓋結(jié)構(gòu)標(biāo)層膜材抗風(fēng)能力，本文設(shè)計(jì)了一種膜材自動(dòng)脫落裝置。該裝置由夾板、夾芯、固定件、連接環(huán)、連接螺栓構(gòu)成。自動(dòng)脫落裝置的構(gòu)造如圖1所示。

自動(dòng)脫落裝置基于建筑“保險(xiǎn)絲”理論。在風(fēng)荷載作用下，鋼屋蓋主要桿件受到夾具傳力，容易發(fā)生破壞。自動(dòng)脫落裝置將膜材與鋼結(jié)構(gòu)屋蓋連接位置設(shè)置為自動(dòng)脫落，即當(dāng)屋面膜材受到的荷載超過(guò)限值時(shí)，自動(dòng)脫落裝置連接部件被脫離，從而保證了屋蓋結(jié)構(gòu)的安全。

3" "仿真模型建立

通過(guò)有限元數(shù)值軟件建立該膜材自動(dòng)脫落裝置數(shù)值仿真模型，對(duì)不同夾芯高度和夾板擠壓邊與豎向的夾角工況下的自動(dòng)脫落裝置進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。

自動(dòng)脫落裝置材料選用高強(qiáng)鋼材Q460制作，板、夾芯和固定件厚度均為4mm，夾板尺寸設(shè)為100mm×100mm（長(zhǎng)×寬），夾芯底邊寬度根據(jù)高度和夾角確定，頂部寬度選為20mm。

數(shù)值仿真計(jì)算過(guò)程中，采用一系列假定，即固定件不參與承擔(dān)荷載，在計(jì)算過(guò)程中不進(jìn)行考慮，僅作為防止夾芯發(fā)生平面外位移使用。

夾板和夾芯間的接觸關(guān)系通過(guò)設(shè)置面-面接觸單元進(jìn)行模擬，法向接觸為硬接觸，切向采用罰摩擦效應(yīng)模擬，摩擦系數(shù)均取0.15。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖2所示。該裝置計(jì)算主要為抗拔承載力計(jì)算，而抗拔承載力主要受夾芯內(nèi)嵌深度即夾芯的高度和豎向夾角影響。因此在本篇文章中，選用20mm、40mm、60mm等3種夾芯高度和1/4、1/5、1/10、1/20等4種豎向夾角正切值分別進(jìn)行仿真計(jì)算。

4" "仿真結(jié)果分析與討論

4.1" "自動(dòng)脫落裝置承載力

4.1.1" "不同豎向夾角工況下裝置承載力

不同豎向夾角工況下膜材自動(dòng)脫落裝置荷載-位移曲線如圖3所示。圖3a為夾芯高度20mm工況，圖3b為夾芯高度40mm工況，圖3c為夾芯高度60mm工況。

從圖3a中可以看出，夾芯荷載-位移曲線呈拋物線狀，在施加荷載初期，曲線接近直線，夾芯變形表現(xiàn)為彈性，隨著荷載的施加，斜率逐漸增加，夾芯表現(xiàn)出了一定的塑性變形，之后為屈服變形階段，曲線存在屈服平臺(tái)。屈服階段后，荷載進(jìn)一步增加，夾芯反力達(dá)到峰值，之后頂點(diǎn)位移繼續(xù)增加反力下降，進(jìn)入破壞階段。各夾角工況相比，表現(xiàn)出正切值即豎向夾角越大，夾芯承載力越高的規(guī)律，夾芯豎向夾角與承載力呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。夾角正切值為1/4工況下，夾芯承載力達(dá)到了58.4kN；夾角正切值為1/5工況下，夾芯承載力達(dá)到了41.6kN；夾角正切值為1/10和1/20工況下，夾芯承載力分別為16.4kN和8.2kN。

從圖3b中可以看出，夾芯位移-荷載曲線亦呈現(xiàn)出上述趨勢(shì)，相比之下，夾芯承載力略微降低，但變形能力提高，反力峰值對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)位移和破環(huán)階段末對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)位移均大于20mm高度工況。

從圖3c中可以看出，夾芯高度為60mm工況下其承載力明顯降低，豎向夾角正切值為1/4工況下其承載力約為42.6kN，但破壞階段末對(duì)應(yīng)的夾芯頂點(diǎn)位移更大，夾芯塑性變形能力增加。

4.1.2" "不同夾芯高度工況下峰值承載力

為進(jìn)一步研究夾芯高度、豎向夾角與承載力相對(duì)關(guān)系，增設(shè)高度為10mm、30mm和50mm工況，繪制不同夾芯高度工況下峰值承載力隨豎向夾角變化曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著豎向夾角的增大，膜材自動(dòng)脫落裝置峰值承載力持續(xù)增加，曲線接近線性。這可能是由于夾角越大，自動(dòng)脫落裝置承載力對(duì)抗拔深度利用越充分，因此承載力越高。

各夾芯高度工況相比，當(dāng)豎向夾角小于6°時(shí)，各工況峰值承載力基本一致。隨著豎向夾角的增加，各工況承載力差異逐漸增大。相比之下，夾芯高度為30mm工況下峰值承載力最高，其余工況隨著夾芯高度增加峰值承載力下降，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，在實(shí)際工程中，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋膜材自動(dòng)脫落裝置夾芯高度建議取20～40mm。

4.2" "局部脫落屋蓋桿件應(yīng)力比

當(dāng)高于臨界值風(fēng)荷載作用下，膜結(jié)構(gòu)自動(dòng)脫落裝置啟動(dòng)，導(dǎo)致屋面膜脫落。而脫落率的不同，將導(dǎo)致屋面桿件卸載程度的差異。因此，對(duì)0%、25%和75%脫落率工況，分別進(jìn)行模擬計(jì)算。

脫落率0%時(shí)屋蓋桿件應(yīng)力比如圖5所示。脫落率25%時(shí)屋蓋桿件應(yīng)力比如圖6所示。脫落率75%時(shí)屋蓋桿件應(yīng)力比如圖7所示。從圖5至圖7中可以看出，隨著膜材脫落率增加，屋面桿件應(yīng)力逐漸下降，高應(yīng)力比桿件數(shù)量逐漸減少。

脫落率為0%工況下，應(yīng)力比0～0.15區(qū)間內(nèi)桿件占比為46.99%，應(yīng)力比0.6～0.75區(qū)間內(nèi)桿件占比0.79；脫落率為25%工況下，應(yīng)力比0～0.15區(qū)間內(nèi)桿件占比為50.52%，應(yīng)力比0.6～0.75區(qū)間內(nèi)桿件占比0.73；脫落率為75%工況下，應(yīng)力比0～0.15區(qū)間內(nèi)桿件占比為60.20%，應(yīng)力比0.6～0.75區(qū)間內(nèi)桿件占比0.13。

膜材脫落后，屋面桿件位移和撓度也逐步下降，提高了屋面桿件安全的冗余度。由此可見(jiàn)，在極端天氣強(qiáng)力風(fēng)荷載作用下，膜材脫落能有效保證屋蓋結(jié)構(gòu)安全可靠。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文依托科特迪瓦圣佩德羅體育場(chǎng)項(xiàng)目，提出一種鋼結(jié)構(gòu)屋面膜自動(dòng)脫落裝置。采用有限元軟件建立鋼結(jié)構(gòu)屋面數(shù)值仿真模型，分析該自動(dòng)脫落裝置的承載力主要影響因素，并研究了不同脫落率條件下屋面桿件的受力情況。得出主要結(jié)論如下：

夾芯荷載-位移曲線呈拋物線狀，表現(xiàn)為彈性階段、彈塑性階段、屈服階段和強(qiáng)化破壞階段，曲線存在屈服平臺(tái)。夾芯反力達(dá)到峰值后頂點(diǎn)位移繼續(xù)增加反力下降，進(jìn)入破壞階段。正切值即豎向夾角越大，夾芯承載力越高，夾芯豎向夾角與承載力呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

夾芯高度為60mm工況下其承載力明顯降低，豎向夾角正切值為1/4工況下其承載力約為42.6kN，但破壞階段末對(duì)應(yīng)的夾芯頂點(diǎn)位移更大，夾芯塑性變形能力增加。

豎向夾角小于6°時(shí)，不同夾芯高度工況下峰值承載力基本一致，隨著豎向夾角的增加，各工況承載力差異逐漸增大，相比之下，夾芯高度為30mm工況下峰值承載力最高，其余工況隨著夾芯高度增加峰值承載力下降，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際工程中，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋膜材自動(dòng)脫落裝置夾芯高度建議取20～40mm。

隨著膜材脫落率增加，屋面桿件應(yīng)力逐漸下降，高應(yīng)力比桿件數(shù)量逐漸減少，屋面桿件位移和撓度也逐步下降，提高了屋面桿件安全的冗余度。因此，在極端天氣強(qiáng)力風(fēng)荷載作用下，膜材脫落能有效保證屋蓋結(jié)構(gòu)安全可靠。

參考文獻(xiàn)

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[4] 王金榮，王秀麗，茍寶龍，等.大型復(fù)雜體育館鋼結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程溫度影響分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[J].工業(yè)建筑，2023，53（8）：96-101+57.

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[6] 朱忠義，束偉農(nóng)，周忠發(fā)，等.北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓中心區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2023，44（4）：1-10.

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