直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算方法及系统与流程

1.本发明属于金属屋面健康管理领域，涉及根据传力路径的抗风计算，特别涉及一种直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算方法及系统。


背景技术：

2.直立锁边金属屋面系统具备施工方便、适应性强的特点，被大量应用在国内的大型公共建筑屋面上。在材料方面，直立锁边金属屋面系统主要采用铝合金屋面板，具有良好的耐久性和延展性，易于弯曲和焊接，能进行卷边、扎压的加工方式，起到连接和固定相邻屋面板的作用。从整体结构上看，直立锁边金属屋面系统是由铝合金屋面板、固定支座、钢檩条、压型钢板和保温、防水等填充材料组合而成。
3.尽管目前的绝大多数大型建筑都已经开始使用直立锁边金属屋面系统，但是在直立锁边金属屋面系统大量使用的同时，各种工程问题也随之而来，其中最常见的就是金属屋面系统的风揭破坏，由于国内没有完善的设计规范和施工要求，使得构件加工质量不能得到保障，导致近年来应用直立锁边金属屋面系统的大型建筑出现了多起风揭破坏事故。经过研究发现，直立锁边金属屋面系统最常见的事故安全问题也大多是由风力引起的，因此直立锁边金属屋面系统的抗风阈值计算具有十分重要的意义，能够在一定程度上提前预估风力作用下直立锁边金属屋面系统的承受度，从而实现对于金属屋面系统的健康监测管理。
4.针对目前直立锁边金属屋面系统容易在大风等恶劣环境条件下出现的风掀事故，我们需要对直立锁边金属屋面系统上的各节点进行抗风理论值的计算，为实际情况下的金属屋面系统健康监测提供理论值参考。虽然目前有关直立锁边金属屋面系统的抗风性能和加固措施已经有较多的试验研究和理论分析，但是具体针对直立锁边金属屋面系统的抗风计算，尤其是固定支座与檩条、屋面板与固定支座的连接节点的计算依然缺乏有力的参考。
5.因此，基于上述因素考虑，如何根据传力路径计算理论抗风值，实现抗风性能监测，成为当下亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算方法及系统，可针对直立锁边金属屋面系统传力路径上的各节点计算理论抗风值，为实际情况下的抗风性能进行监测，为屋面设计和计算提供参考依据。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算方法，包括以下步骤：
9.步骤1：获取风荷载标准值，根据风荷载标准值计算金属屋面系统的围护机构的风压值，并根据不同荷载情况计算金属屋面系统的屋面载荷值；根据荷载规范确定金属屋面系统的风荷载；
10.步骤11：对直立锁边金属屋面系统的围护结构进行风压计算，公式为：
11.wk＝β
gz
μzμsω012.其中，wk为风荷载标准值，单位为kn/m2；β
gz
为高度处的阵风系数；μz为风压高度变化系数；μs为风荷载局部体型系数；ω0为基本风压，单位为kn/m2，取值一般为50年重现期的风压，尽量保证不小于0.3kn/m2；
13.步骤12：根据风荷载情况确定屋面载荷值，所述风荷载情况包括永久荷载与风吸荷载组合，永久荷载、风荷载与活荷载组合；
14.在永久荷载与风吸荷载作用下屋面载荷值为：
15.w
x1
＝1.0*q*sinα
16.w
y1
＝1.0*q*cosα+1.4*wk17.其中，w
y1
为风吸作用下沿屋面板法线方向荷载值；w
x1
为风吸作用下沿屋面板方向值；q为永久荷载标准值；α为屋面板倾角；wk为风荷载标准值；
18.在永久荷载，风荷载以及活荷载作用下屋面载荷值为：
19.w
x2
＝1.2*q*sinα+1.4*g*sinα
20.w
y2
＝1.2*q*cosα+1.4*g*cosα+1.4*0.6*wk21.其中，w
y2
为风压作用下沿屋面板法线方向荷载值；w
x2
为风压作用下沿屋面板方向荷载值；q为永久荷载标准值；α为屋面板倾角；wk为风荷载标准值；g为活荷载标准值；
22.步骤2：根据屋面载荷值计算多跨连续梁的屋面板抗风值；
23.屋面板抗风值包括屋面板强度和屋面板刚度，屋面板强度通过屋面板截面抗弯承载力和屋面板腹板局部受压承载力表示，屋面板刚度通过屋面板跨中最大挠度表示；
24.步骤21：屋面板强度表达式为：
25.mu＝we×f[0026][0027]
其中，mu为屋面板截面抗弯承载力值；we为屋面板有效截面模量；rw为屋面板腹板局部受压承载力值；α为支座系数，位于中间的支座的取值范围为1.1-1.3，端部的支座取值范围为0.05-0.08；t为屋面板厚度；f为压型金属板材料的抗压强度值；e为压型金属板材料的弹性模量；lc为支座处支撑长度，通常取值范围在10mm-20mm；θ为屋面板腹板倾角；
[0028]
步骤22：对屋面板刚度按照五跨连续梁进行计算，屋面板跨中最大挠度计算公式为：
[0029][0030]
其中，v为屋面板跨中最大挠度；w为屋面板法线方向荷载标准值；l为固定支座间距；e为压型金属板材料的弹性模量；i为屋面板截面惯性矩；
[0031]
步骤3：根据屋面载荷值结合固定支座材料抗拉强度计算固定支座受力强度，包括固定支座所受拉力和固定支座所受压力；
[0032]
固定支座所受拉力表示为：
[0033]
r1＝w
y1
lb
[0034]
其中，r1为固定支座所受拉力；w
y1
为风吸作用下屋面板法线方向荷载值；l为固定支座间距；b为屋面板宽度；
[0035]
固定支座受压强度表示为：
[0036]
ra＝w
y2
lb
[0037]
其中，ra为固定支座所受压力；w
y2
为风压作用下屋面板法线方向荷载值；l为固定支座间距；b为屋面板宽度；
[0038]
步骤4：采集若干自攻螺钉承载力实验值计算修正参数，根据修正参数计算自攻螺钉抗拉承载力；
[0039]
计算自攻螺钉抗拉承载力，公式为：
[0040][0041]
其中，为单个自攻螺钉抗拉承载力值；tc为钉杆的圆柱状螺纹部分钻入基材中的深度，通常在0.9mm以上；d为自攻螺钉直径；f为基材的抗拉强度值；为修正参数，一般将修正参数定义为0.75；
[0042]
修正参数的计算过程为：
[0043]
步骤41：采集自攻螺钉的钉杆的圆柱状螺纹部分钻入基材中的深度tc、自攻螺钉直径d、基材的抗拉强度值f和承载力测试值；
[0044]
步骤42：计算tc，d，f值乘积与承载力测试值的比值
[0045]
步骤43：计算比值的平均值u及标准差σ；
[0046]
步骤44：根据平均值u及标准差σ计算修正参数：
[0047][0048]
步骤5：根据所述屋面载荷值、所述屋面板抗风值、所述固定支座受力强度和所述自攻螺钉抗拉承载力，利用预设阈值条件综合分析获得金属屋面系统抗风等级。预设阈值条件包括若干级抗风阈值，每级抗风阈值均设定一个不同的屋面载荷阈值、屋面板抗风阈值、固定支座受力阈值和自攻螺钉抗拉阈值，与屋面载荷值、所述屋面板抗风值、所述固定支座受力强度和所述自攻螺钉抗拉承载力进行对比，当大于或等于当前等级抗风阈值的数量大于或等于3，则判断满足当前等级抗风阈值，则当前金属屋面系统评价为当前等级。
[0049]
优选的，在计算修正参数时引入磨损衰减系数，一般取值为0.7，则修正参数计算公式为：
[0050][0051]
直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算系统，包括数据采集模块和数据处理终端，所述数据采集模块采集风荷载数据、屋面板相关数据、固定支座相关数据、自攻螺钉相关数据和基材抗拉强度并将采集的数据传输至所述数据处理终端；
[0052]
所述数据处理终端根据采集数据按照传力路径对金属屋面系统进行抗风计算，输出金属屋面系统抗风等级。
[0053]
优选的，风荷载数据包括：沿屋面板法线方向荷载值、沿屋面板方向荷载值和风吸作用下屋面板法线方向荷载值；
[0054]
屋面板相关数据包括：屋面板倾角、屋面板有效截面模量、屋面板厚度、压型金属板材料的抗压强度、压型金属板材料弹性模量、屋面板腹板倾角、屋面板截面惯性矩和屋面板宽度；
[0055]
固定支座相关数据包括：固定支座间距、固定支座处支撑长度、固定支座立板最小厚度、固定支座立板最小长度、固定支座材料抗拉强度和固定支座立板毛截面面积；
[0056]
自攻螺钉相关数据包括：自攻螺钉承载力实验值、自攻螺钉直径、钉杆的圆柱状螺纹部分钻入基材深度。
[0057]
优选的，所述数据处理终端包括风荷载计算模块、屋面板抗风计算模块、固定支座受力计算模块、自攻螺钉抗拉计算模块和综合分析模块；
[0058]
所述风荷载计算模块接收所述风荷载数据和所述屋面板相关数据，包括沿屋面板法线方向荷载值、沿屋面板方向荷载值和屋面板倾角，计算风荷载计算金属屋面系统的围护机构的风压值，以及根据不同荷载情况计算金属屋面系统的屋面载荷值，并传输至所述综合分析模块；
[0059]
所述屋面板抗风计算模块接收所述风荷载数据、所述屋面板相关数据和所述固定支座相关数据，包括沿屋面板法线方向荷载值、固定支座间距、屋面板有效截面模量、屋面板厚度、压型金属板材料的抗压强度、压型金属板材料弹性模量、固定支座处支撑长度、屋面板腹板倾角和屋面板截面惯性矩，计算屋面板截面抗弯承载力、屋面板腹板局部受压承载力和屋面板跨中最大挠度，并传输至所述综合分析模块；根据最大弯矩系数、最大支座反力系数、沿屋面板法线方向荷载值、固定支座间距计算屋面板所受最大弯矩和屋面板所受最大支座反力，然后根据金属屋面板强度和刚度满足条件，设定屋面板抗风阈值，在综合分析模块进行判断评估；
[0060]
所述固定支座受力计算模块接收所述风荷载数据、所述屋面板相关数据和所述固定支座相关数据，包括风吸作用下屋面板法线方向荷载值和屋面板宽度，计算固定支座所受拉力和固定支座所受压力，并传输至所述综合分析模块；采集固定支座立板最小厚度、固定支座立板最小长度、固定支座材料抗拉强度计算固定支座立板有效净面积，然后根据固定支座立板有效净面积、固定支座材料抗拉强度值、轴心受压构件稳定系数、固定支座立板毛截面面积，结合固定支座受拉前度和固定支座受压强度满足条件，设定固定支座受力阈值，在综合分析模块进行判断评估；
[0061]
自攻螺钉抗拉计算模块接收所述自攻螺钉相关数据和所述基材抗拉强度，包括自攻螺钉承载力实验值、自攻螺钉直径、钉杆的圆柱状螺纹部分钻入基材深度和基材的抗拉强度，计算自攻螺钉抗拉承载力，并传输至所述综合分析模块；
[0062]
所述综合分析模块结合所述围护机构的风压值、屋面载荷值、屋面板抗风值、固定支座所受拉力、固定支座所受压力和自攻螺钉抗拉承载力获得金属屋面系统抗风性能。
[0063]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0064]
一种直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算方法及系统，根据屋面系统传力路径：风荷载-屋面板-固定支座-自攻螺钉-檩条-主体结构，进行有关抗风的计算，更加注重对整个直立锁边金属屋面系统风荷载传递路径中的各节点的计算，更加注重对重点易损部位固定支座与檩条、屋面板与固定支座的连接节点的承受程度抗风能力计算，根据每个环节的受力不同进行计算，提高整体直立锁边金属屋面系统的抗风值计算准确度，同时还针对自攻螺钉的理论值与实际情况的差异，引进修正值，提高计算值的实际效果。
附图说明
[0065]
图1为本发明实施例提供的直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算流程图。
具体实施方式
[0066]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0067]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0068]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0069]
图1所示为本发明所提出的针对直立锁边金属屋面系统的抗风计算的流程图，是结合直立锁边金属屋面系统的传力路径来进行计算的，分为风荷载取值，屋面板抗风计算，固定支座抗风计算，自攻螺钉计算与修正四步完成，为直立锁边金属屋面系统抗风理论值计算提供参考。
[0070]
实施例
[0071]
一种直立锁边金属屋面系统传力路径的抗风计算方法，主要是针对直立锁边金属屋面系统各个传力路径上的节点的抗风能力，根据风荷载—屋面板—固定支座—自攻螺钉—檩条—主体结构这样的传力路径，分四个步骤完成直立锁边金属屋面系统的抗风计算，首先是进行风荷载的取值，其中对于直立锁边金属屋面系统，可以直接利用相关规范进行取值计算，根据不同荷载下的计算公式计算得到金属屋面系统的围护结构及屋面负载组合的风压值，然后围绕屋面板的强度及刚度进行屋面板的抗风计算，之后再结合受拉强度和受压强度两方面对固定支座的受力情况进行计算，最后利用规范中的计算公式对自攻螺钉进行计算，并结合实测数据进行与实际值更接近的系数修正，得到各部分受力情况，综合分析得到整个直立锁边金属屋面系统的抗风力计算值。
[0072]
s1：风荷载取值；
[0073]
在风荷载的计算时，我们需要根据实际屋面系统使用情况进行区分，对于常规体型屋面，可以通过正常的荷载规范进行取值计算，对于常规体型的金属屋面系统，可以按照正常的规范进行相关变量的取值，而对于一些结构体型复杂的屋面，需要通过风洞试验或者数值模拟进行风荷载的取值，进行试验对比后，挑选最不利风荷载值，直立锁边金属屋面可以看作是结构较为常规的屋面系统，可以通过荷载规范进行变量的取值，进行抗风计算；
[0074]
其中，针对金属屋面系统的围护结构，可以通过下式计算风压：
[0075]
wk＝β
gz
μzμsω0[0076]
其中，wk为风荷载的标准值(kn/m2)，β
gz
为高度处的阵风系数，μz为风压高度变化
系数，μs为风荷载局部体型系数，ω0为基本风压(kn/m2)，取值一般为50年重现期的风压，尽量保证不小于0.3kn/m2；
[0077]
在实际应用情况，屋面负载组合的设计值可以按照永久荷载与风吸荷载以及永久荷载，风荷载结合活荷载两种情况进行分析；
[0078]
在永久荷载与风吸荷载作用下的屋面载荷设计值计算公式如下：
[0079]wx1
＝1.0*q*sinα
[0080]wy1
＝1.0*q*cosα+1.4*wk[0081]
其中，w
y1
为风吸作用下沿屋面板法线方向荷载设计值，w
x1
为风吸作用下沿屋面板方向设计值，q为永久荷载标准值，α为屋面板倾角，wk为风荷载标准值；
[0082]
在永久荷载，风荷载以及活荷载作用下的屋面载荷设计值计算公式如下：
[0083]wx2
＝1.2*q*sinα+1.4*g*sinα
[0084]wy2
＝1.2*q*cosα+1.4*g*cosα+1.4*0.6*wk[0085]
其中，w
y2
为风压作用下沿屋面板法线方向荷载设计值，w
x2
为风压作用下沿屋面板方向设计值，q为永久荷载标准值，α为屋面板倾角，wk为风荷载标准值，g为活荷载标准值；
[0086]
s2：屋面板抗风计算；
[0087]
屋面板的抗风计算通常是通过对屋面板在风吸及风压作用下的强度和刚度进行验算，从而按照风荷载作用下的多跨连续梁进行计算；
[0088]
s21：屋面板强度验算；
[0089]
一般为了简化计算难度，可以按照五跨连续梁进行计算；
[0090]
屋面板的最大弯矩及支座反力计算公式如下：
[0091]
m＝k*wy*l2[0092]
r＝r*wy*l
[0093]
其中，m为屋面板所受最大弯矩，k为最大弯矩系数，一般按照0.105来计算，r为屋面板所受最大支座反力，r为最大支座反力系数，一般按照1.132来计算，wy为沿屋面板法线方向荷载设计值，l为固定支座间距，即檩条间距；
[0094]
金属屋面板强度应满足下式：
[0095][0096]
其中mu为屋面板截面抗弯承载力设计值，we为屋面板有效截面模量，rw为屋面板腹板局部受压承载力设计值，α为系数，位于中间的支座的取值范围为1.1-1.3，端部的支座取值范围为0.05-0.08；t为屋面板厚度，f为压型金属板材料的抗压强度设计值，e为压型金属板材料的弹性模量，lc为支座处支撑长度，通常取值范围在10mm-20mm，θ为腹板倾角；
[0097]
s22：屋面板刚度验算；
[0098]
与强度验算相似，屋面板刚度验算也按照五等跨连续梁进行计算；
[0099]
屋面板跨中最大挠度按下式进行计算
[0100]
[0101]
其中，v为屋面板跨中最大挠度，w为屋面板法线方向荷载标准值，l为檩条间距，e为压型金属板材料的弹性模量，i为屋面板截面惯性矩；
[0102]
进行屋面板的刚度验算，主要是针对屋面板跨中挠度进行验算：
[0103][0104]
s3：固定支座计算
[0105]
根据固定支座受力情况分析，主要抗风计算应围绕受拉强度和受压强度两方面展开；
[0106]
固定支座受拉强度应满足下式：
[0107][0108]
其中，r1为固定支座所受拉力，a
en
为固定支座立板有效净面积，可以通过立板的最小厚度与长度乘积计算得到，f为固定支座材料抗拉强度设计值，w
y1
为风吸作用下屋面板法线方向荷载设计值，l为檩条间距，b为屋面板宽度；
[0109]
固定支座受压强度应满足下式：
[0110][0111]
其中，ra为固定支座所受压力，为轴心受压构件稳定系数，a为固定支座立板毛截面面积，f为固定支座材料抗拉强度设计值，w
y2
为风压作用下屋面板法线方向荷载设计值，l为檩条间距，b为屋面板宽度；
[0112]
s4：自攻螺钉计算
[0113]
通过受力分析可得，对于传统的固定支座与檩条连接节点，自攻螺钉的破坏形式主要为拉拔破坏；
[0114]
在我国的相关规范中，自攻螺钉在基材中的抗拉承载力设计值按下式进行计算：
[0115][0116]
其中，为单个自攻螺钉抗拉承载力设计值，tc为钉杆的圆柱状螺纹部分钻入基材中的深度，通常在0.9mm以上，d为自攻螺钉直径，f为基材的抗拉强度设计值；0.75为一般修正参数；
[0117]
一般的场合通过上式已经可以将自攻螺钉的抗拉承载力计算出来，但是与实际应用场合相比较，直接利用规范进行计算通常得到的理论值与试验值偏差较大，所以需要通过引入修正参数，来提高两者的对应精确度；
[0118]
通过上边分析可得，自攻螺钉的抗拔承载力与檩条翼缘板厚、檩条抗拉强度、自攻螺钉直径基本呈正比关系，所以未修正与修正理论值之间的主要差异在于实际系数与理论值0.75的差异；
[0119]
一般可以采取如下方法进行系数的求解，为求解值，首先对破坏模式为自攻螺钉被拔出的试件的单个螺钉承载力试验值进行计算，计算出相应的tc，d，f值，并求出各个
试件承载力试验值与相应的tc，d，f值的比值通过对多个试件的数据进行处理分析，这里注意为了提高准确率，可以在实际使用时增加实验样本数量，数量越多，精确度越高，得到的数值后，计算出的平均值u及标准差σ；按照极值分布服从正态分布的方法进行的求解，一般以满足95％的保证率，选取0.05分位值，可以通过下式计算得到修正的值:
[0120][0121]
其中u为平均值，σ为标准差。
[0122]
实际工况下，一般再乘以0.7的磨损衰减系数，得到真实的计算公式。
[0123]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。