數(shù)值模擬風(fēng)荷載下低矮房屋屋架結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

趙磊磊，陳 亮

(1.中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100071;2.中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京100074)

在我國各種自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)是對人民生命財(cái)產(chǎn)影響較大的一種，其影響范圍廣，發(fā)生次數(shù)多，還會產(chǎn)生較大的次生災(zāi)害。隨著社會的發(fā)展，全球氣候也在發(fā)生著變化，風(fēng)災(zāi)帶來的損失也在逐年增大。2010年5月6日，重慶市受到了11級大風(fēng)的襲擊，波及墊江、梁平、涪陵、彭水等12個區(qū)縣，受災(zāi)人數(shù)達(dá)90余萬，造成直接經(jīng)濟(jì)損失大約有4.2億元。隨著風(fēng)災(zāi)的頻繁發(fā)生，人們對風(fēng)災(zāi)的關(guān)注和研究也越來越多。根據(jù)多次調(diào)查顯示，在我國沿海地區(qū)，村鎮(zhèn)房屋的倒塌破壞是造成災(zāi)害損失的重要因素［1－2］。因此，本文主要針對低矮房屋的防風(fēng)研究來進(jìn)行。

1 風(fēng)載響應(yīng)研究

目前對于風(fēng)荷載的研究大多是通過風(fēng)洞試驗(yàn)或者計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬來分析低矮房屋表面的風(fēng)壓分布情況，但這僅是完成了防風(fēng)設(shè)計(jì)的第一步［3－4］。

在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的失效形式有很多種，主要有:結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力超出允許值范圍，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞;結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形超過允許值，導(dǎo)致框架、承重墻的開裂或者殘余變形較大，或?qū)е路浅兄亟Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞(例如，門、窗的破壞);結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的嚴(yán)重失穩(wěn);長期的風(fēng)振引起的結(jié)構(gòu)損失累積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。

因此，防風(fēng)設(shè)計(jì)必須首先得到各承力構(gòu)件在風(fēng)荷載下的應(yīng)力及變形響應(yīng)，如果響應(yīng)值超出了允許值的范圍，就要對結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的加強(qiáng)。作者在先前的研究中提出了一套分析方法［5］:通過ANSYS有限元軟件建立出真實(shí)結(jié)構(gòu)的有限元模型，將風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的風(fēng)荷載施加在模型上，分析得出各構(gòu)件的應(yīng)力及變形響應(yīng)，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。在該方法中，應(yīng)力及變形響應(yīng)是直接從有限元結(jié)果中讀出來的，該結(jié)果對于分析屋架結(jié)構(gòu)并不充分。

本文在該方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了適用于主承力屋架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的方法。

2 房屋模型描述

本文分析的是一個典型的低矮房屋模型，其房屋結(jié)構(gòu)由墻體和屋面組成。墻體除東、西、南、北四個立面外，中部還有一個南北走向的隔墻，隔墻上安裝木屋架;南立面開有門窗，東西立面上設(shè)置檐口;屋面由檁條、椽子和瓦組成。

3 風(fēng)載處理

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)得到模型的風(fēng)荷載值，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦聢D所示。

南立面為迎風(fēng)面，北立面為背風(fēng)面，風(fēng)洞試驗(yàn)將模型放置在轉(zhuǎn)盤中心，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風(fēng)向角，房屋整體繞轉(zhuǎn)盤底面中心逆時針旋轉(zhuǎn)。

模型的表面設(shè)置測點(diǎn)，可以測出風(fēng)荷載下模型不同點(diǎn)的壓力值，進(jìn)而可換算出實(shí)際風(fēng)荷載的體型系數(shù)，由公式

可計(jì)算出實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布。其中βgz為高度z處的陣風(fēng)系;μs為風(fēng)荷載體型系;μz為風(fēng)壓高度變化系;ω0為基本風(fēng)壓。本文中采用浙江 省寧波市 50年 一 遇 的風(fēng) 壓值［6］，ω0=0.5kN/m2。

4 數(shù)值分析

表1屋架彎矩、剪力及軸力極值Tab.1 The extreme value of the roof truss moment，shear and axial force

本文采用有限元軟件ANSYS11.0進(jìn)行數(shù)值分析。建立的有限元模型及得到應(yīng)力云圖如下:屋架作為主承力結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行工程細(xì)節(jié)分析。屋架采用的是梁單元，可先通過有限元結(jié)果取出彎矩、剪力和軸力，再用工程算法算出應(yīng)力。下面給出0°風(fēng)向角下屋架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖。

各風(fēng)向角下屋架的彎矩、剪力及軸力極值如上表所示。

最小彎矩發(fā)生在單元9922、9989;最大彎矩發(fā)生在單元9879、9883;最小剪力發(fā)生在單元9879;最大剪力發(fā)生在單元9895、9883;最小軸力發(fā)生在單元9928;最大軸力發(fā)生在單元9845。各單元所在位置如下圖所示。

由上表可看出，屋架的彎矩、剪力和軸力最大、最小值均發(fā)生在30°風(fēng)向角情況下;彎矩絕對值最大值為277 273 Nm，剪力絕對值最大值為2 541 N，軸力絕對值最大值為7 170 N，可以用這些最大值校核屋架的受力。

屋架直徑為150 mm，截面面積為17 662.5 mm2，慣性矩為24 837 890.6 mm4。則屋架最大彎矩引起的最大應(yīng)力為:

屋架最大剪力引起的剪應(yīng)力為:

屋架最大軸力引起的正應(yīng)力為:

則最大正應(yīng)力為:

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.2.1－3《木材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量》可查得，當(dāng)屋架材料選取強(qiáng)度等級為TC11A級時，其抗拉強(qiáng)度為10 MPa，抗壓強(qiáng)度為 7.5 MPa，抗剪強(qiáng)度為 1.4 MPa，再由公式(3)和(5)可知屋架強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種計(jì)算房屋主承力結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載的應(yīng)力響應(yīng)的方法。利用該方法分析得到的低矮房屋屋架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的應(yīng)力水平滿足材料本身的強(qiáng)度要求，同時也證明了該方法對結(jié)構(gòu)防風(fēng)設(shè)計(jì)具有更直接的指導(dǎo)意義。

［1］國家減災(zāi)中心災(zāi)害信息部.全國災(zāi)情月報2009年9月［J］.中國減災(zāi)，2009(12):58－62.

［2］GB50011－2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］戴益民，李秋勝，李正農(nóng).低矮房屋屋面風(fēng)壓的實(shí)測及分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(7):88－90.

［4］侯愛波.建筑數(shù)值風(fēng)洞的基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2006.

［5］趙磊磊.數(shù)值模擬低矮房屋結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載的響應(yīng)［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報，2011(2):16－18.

［6］GB50009－2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.