按《铝合金结构设计规范》设计直立锁边铝合金屋面

按《铝合金结构设计规范》设计直立锁边铝合金屋面发布时间：2011-05-19直立锁边金属（铝合金）屋面在我国使用已有十多年时间，2007年《铝合金结构设计规范》发布前，由于没有规范作依据，全由供货单位参照某些国外“权威机构”的资料做设计，不能形成系统、完整，正确的设计，因此有些工程出现了问题，个别工程发生中大工程事故。《铝合金结构设计规范》发布后，由于部分单位对《铝合金结构设计规范》缺少全面、准确的理解，在设计中往往套错公式、选错参数，不能做出正确的设计。为了使直立锁边金属（铝合金）屋面工程步入规范化设计轨道，就要宣传、贯彻《铝合金结构设计规范》，现就按《铝合金结构设计规范》设计直立锁边铝合金屋面的有关问题提出来和大家讨论。1.全面、准确掌握《铝合金结构设计规范》《铝合金结构设计规范》对铝合金结构设计作了全面规定（材料选用、设计原则、设计指标、板件有效截面等）。其中对板件的弹性临界屈曲应力的计算是难点，需结合应力图来理解。5.2.4受压加劲板件、非加劲板件的弹性临界屈曲应力应按下式计算：σcr=kπ2E/12（1-υ2）•（b/t）2（5.2.4）式中k——受压板件局部稳定系数，应按第5.2.5条计算;υ——铝合金材料的泊松比,υ=0.3;b——板件净宽,应按图5.2.2采用;t——板件厚度.5.2.5受压板件局部稳定系数可按下列公式计算:1.加劲板件（双侧有腹板的翼板）：当1≥ψ＞0时；（图5.2.5a、图5.2.5b）k=8.2/(ψ+1.05)(5.2.5-1)图5.2.5a图5.2.5a当0＞ψ≥-1时；k=7.81-6.29ψ+9.78ψ2(5.2.5-2)腹板受弯（图5.2.5c）、压弯（图5.2.5d）图5.2.5c图5.2.5d图5.2.5e当ψ＜-1时;k=5.98(1-ψ)2(5.2.5-3)腹板拉弯（图5.2.5e）（GB50018注：当ψ＜-1时，以上各式的k值按ψ=-1的值采用。）式中：ψ——压应力分布不均匀系数，ψ=σmin/σmaX；σmaX——受压板件边缘最大压应力（N/mm2），取正值；σmin——受压板件另一边缘的应力（N/mm2），取压应力为正，拉应力为负。2.非加劲板件（一侧自由挑出的翼板）：1）最大压应力作用于支承边：当1≥ψ＞0时：（图5.2.5f、图5.2.5g）0.578k=————（5.2.5-4）ψ+0.34图5.2.5f图5.2.5g当0≥ψ＞-1时：（图5.2.5h）k=1.7-5ψ+17.1ψ2（5.2.5-5）1）最大压应力作用于自由边：当1＞ψ≥-1（1≥ψ≥-1）时：（图5.2.5i、图5.2.5j）k=0.425（5.2.5-6）图5.2.5h图5.2.5ji图5.2.5j（GB50018注：当ψ＜-1时，以上各式的k值按ψ=-1的值采用。）条文说明5.2.4、5.2.5受压板件局部稳定系数计算公式参考了《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018和《欧洲钢结构设计规范》EC3。需要指出的是：涉及到如何考虑应力梯度对不均匀受压板件有效厚度的影响时，本规范与欧规及英规的处理方法略有差异。本规范采用以压应力分布不均匀系数ψ计算屈曲系数κ的方法；而在欧规及英规中采用以压应力分布不均匀系数ψ计算换算宽厚比的方法，两种方法只是在公式表达上有所不同，本质上仍是一致的。5.2.6均匀受压的边缘加劲（肋）板件、中间加劲（肋）板件的弹性临界应力应按下式计算：ηk0π2Eσcr=————————（5.2.6-1）12（1-υ2）（b/t）2式中k0——均匀受压板件局部稳定系数；对于边缘加颈板件，k0=0.425；对于中间加劲板件k0=4；η——加劲肋修正系数，用于考虑加劲肋对被加劲板件抵抗局部屈曲（或畸变弯曲）的有利影响，应按下式计算：1对于边缘加劲（肋）板件：η=1+0.1（c/t-1）2（5.2.6-2）2对于有一个等间距中间加劲肋的中间加劲板件：（c/t-1）2η=1+2.5————（5.2.6-3）b/t3对于有两个等间距中间加劲肋的中间加劲板件：（c/t-1）2η=1+4.5————（5.2.6-4）b/t式中t——加劲肋所在板件的厚度，也即加劲肋的等效厚度；c——加劲肋等效高度；等效的原则是：加劲肋对其所在板件中平面的截面惯性距与等效后的截面惯性距相等，如图5.2.6所示，虚线表示等效加劲肋。4对于有两道以上中间加劲肋的中间加劲板件，宜保留最外侧两道加劲肋，并忽略其余加劲肋的加劲作用，按有两道加劲肋的情况计算。5对于其它带不规则加劲肋的复杂加劲板件：σcr0.8η=——(5.2.6-5)σcr0式中σcr——假定加劲边简支情况下，该复杂加劲板件的临界屈曲应力；宜按有限元法或有限条法计算。σcr0——假定加劲边简支情况下，不考虑加劲肋作用，同样尺寸的加劲板件的临界屈曲应力。可按公式（5.2.6-1）计算，并取η=1.0。5.2.7不均匀受压的边缘加劲板件、中间加劲板件及其他带不规则加劲肋的复杂加劲板件，其临界屈曲应力σcr0宜按有限元法计算，计算中可不考虑相邻板件的约束作用，按加劲边简支情况处理，如图5.2.7所示。当缺乏计算依据时，可忽略加劲肋的加劲作用，按不均匀受压板件由第5.2.4条和5.2.5条计算其临界屈曲应力σcr，再由第5.2.3条计算板件的有效厚度，但截面中加劲部分的有效厚度应取板件的有效厚度和对加劲部分按非加劲板件单独计算的有效厚度中的较小值。条文说明5.2.6、5.2.7加劲肋修正系数η用于计算加劲肋对受压板件局部屈曲承载力的提高作用。第5.2.6条给出了常见三种加劲形式η的计算公式，该公式来自于η=σcr/σcro=κ/κO，其中σcr为带加劲肋单板的弹性屈曲应力理解，κ为屈曲系数。以边缘加劲板件为例，图4绘出了加劲肋厚度与板件厚度相同时板件宽度比β=15和β=30两种情况下，屈曲系数κ与加劲肋高厚比C/t的关系。由图可见，屈曲系数与板件屈曲波长有关。当屈曲半波较长时，增大加劲肋的高厚比，不能显著地提高边缘加劲板件的屈曲系数，也即不能显著提高板件的临界屈曲应力。然而，考虑到实际构件中板件屈曲的相关性，其屈曲半波长度一般不超过7倍板宽，通常可以取屈曲半波长度与宽度的比值l/b=7来确定边缘加劲板件的屈曲系数κ。图5是板件屈曲波长度等于7倍板宽时，板件宽厚比等于10、20、30、40四种情况下，边缘加劲板件的屈曲系数与加劲肋高厚比的关系。由图可见，式（5.2.6）给出了相对保守的计算结果。《铝合金结构设计规范》第11章对铝合金面板作了专章规定。11.1一般规定11.1.1本章铝合金面板的计算和构造规定适用于直立锁边板、波纹板、梯形板冲压成形的屋面板或墙面板（图11.1.1）。图11.1.1铝合金屋面板、墙面板当腹板为曲面时，腹板净长h为腹板起弧点间的直线长度；腹板倾角θ为腹板起弧点连线和底面的夹角。条文说明11.1.1本规范仅考虑起结构作用的面板，不考虑仅起建筑装饰作用的板材。11.1.2直立锁边铝合金面板可采用T形支托(图11.1.2)作为连接支座。图11.1.2T形支托11.1.3铝合金面板受压翼缘的有效厚度计算应按下列规定采用：1.两纵边均与腹板相连且中间没有加劲的受压翼缘(图11.1.1c)，可按加劲板件(图5.1.4b)由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。2.两纵边均与腹板相连且中间有加劲的受压翼缘(图11.1.1a)，可按中间加劲板件(图5.1.4d)由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。当加劲肋多于两个时，可忽略中间部分加劲肋的有利作用(图11.1.3)。图11.1.3加劲肋的简化图3.一纵边与腹板相连且有边缘加劲的受压翼缘(图11.1.1c)，可按边缘加劲板件(5.1.4c)由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。4.一纵边与腹板相连且没有边缘加劲的受压翼缘(图11.1.1c)，可按非加劲板件(5.1.4a)由本规范第5.2.3条确定其有效厚度。11.1.4一纵边与腹板相连的弧形受压翼缘(图11.1.1b)，应根据试验确定其有效厚度。11.1.5铝合金面板中腹板的有效厚度应按本规范第5.2节的规定进行计算。11.1.6铝合金面板的挠度应符合表4.4.1的规定。条文说明11.1.6近年来，出现了不少新的铝合金面板板型，对特殊异形的铝合金面板，建议通过实验确定其承载力和挠度。11.2强度11.2.1在铝合金面板的一个波距的板面上作用集中荷载F时(图11.2.1a)，可按下式将集中荷载F折算成沿板宽方向的均布线荷载qre(图11.2.1b)，并按qre进行单个波距的有效载面的弯曲计算。qre=η(F/B)(11.2.1)式中F——集中荷载；B——波距；η——折算系数，由试验确定；无试验依据时，可取η=0.5。图11.2.1集中荷载下铝合金面板的简化计算模型条文说明11.2.1集中荷载F作用下的铝合金面板计算与板型，尺寸等有关，目前尚无精确的计算方法，一般根据试验结果确定。规范给出的将集中荷载F沿板宽方向折算成均布线荷载qre[式（11.2.1）]是一个近似的简化公式，该式取自国外文献和《冷弯薄壁型钢材结构技术规范》GB50018，式中折算系数η由试验确定，若无试验资料，可取η=0.5，即近似假定集中荷载F由两个槽口承受，这对于多数板型是偏于安全的。铝合金屋面板上的集中荷载主要是施工或使用期间的检修荷载。按我国荷载规范规定，屋面板施工或检修荷载F=1.0KN；验算时，荷载F不乘以荷载分项系数，除自重外，不与其他荷载组合。但如果集中荷载超过1.0KN，则应按实际情况取用。11.2.2铝合金面板的强度可取一个波距的有效截面，作为弯构件按下列规定计算。檩条或T形支托作为连续梁的支座。M/Mu≤1(11.2.2-1)Mu=Wef(11.2.2-2)式中M——截面所承受的最大弯距，可按图11.2.2的面板计算模型求得；Mu——截面的弯曲承载力设计值；We——有效截面模量，应按第5.4节的规定计算。图11.2.2铝合金面板的强度计算模型11.2.3铝合金面板T形支托的强度应按下式计算：σ=(R/Aen)≤f(11.2.3-1)Aen=t1Ls(11.2.3-2)式中σ——正应力；f——支托材料的抗拉和抗压强度设计值；R——支座反力；Aen——有效净截面面积t1——支托腹板最小厚度；Ls——支托长度。11.2.4铝合金面板和T形支托的受压和受拉连接强度应进行验算，必要时可按试验确定。条文说明11.2.4T形支托和面板的连接强度受材料性质及连接构造等许多因素影响，目前尚无精确的计算理论，需根据试验分别确定面板在受面外拉力和压力作用下的连接强度。11.3、稳定11.3.1铝合金面板中腹板的剪切屈曲应按下列公式当h/t≤875/√f0.2时,τ≤τcr=320/(h/t)√f0.2τ≤fv(11.3.1-1)当h/t≤875/√f0.2时,τ≤τcr=280000/(h/t)2(11.3.1-2)式中τ——腹板平均剪应力（N/mm2）；τcr——腹板的剪切屈曲临界应力；fv——抗剪强度设计值，应按表4.3.4取用；f0.2——名义屈服强度，应按附录表A-1、A-2取用；h/t——腹板高厚比。条文说明11.3.1式（11.3.1-1）和（11.3.1-2）分别为腹板弹塑性和弹性剪切屈曲临界应力设计值。1腹板弹性剪切屈曲应力。根据弹性屈曲理论，腹板弹性剪切屈曲应力公式如下：τcr=ηksπ2E/12（1-υ2）×（h/t）2（17）式中h/t——腹板的高厚比；ks——四边简支板的屈曲系数，按如下取值：当a/h＜1时，ks=4+5.34/（a/h）2（18）当a/h＞1时，ks=5.34+4/（a/h）2（19）当腹板无横向加劲肋时，板的长宽比将是很大的，屈曲系数可取ks=5.34，代入公式（17）并考虑抗力分项系数γR=1.2，可得：τcr=28000/（h/t）2（20）2腹板塑性剪切屈曲应力。根据结构稳定理论，弹塑性屈曲应力可按下式计算：τcr/=（τpτcr）1/2（21）式中τp——剪切比例极限，取0.8τy；τy——取f0.2/31/2。将式（