风吸力下C形与Z形檩条弹性弯扭屈曲的理论与数值解析.docxVIP

风吸力下C形与Z形檩条弹性弯扭屈曲的理论与数值解析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代建筑行业的飞速发展，轻钢屋面结构因其轻质、高效、施工便捷等优点，在工业厂房、仓库、体育馆等各类建筑中得到了广泛应用。在轻钢屋面体系中，C形和Z形檩条作为关键的承重构件，承担着将屋面荷载传递至主体结构的重要任务。然而，由于轻钢屋面自重较轻，在风荷载作用下，尤其是风吸力的影响，使得檩条的受力情况变得极为复杂且不利。

风荷载是建筑结构设计中不容忽视的重要因素，它对建筑物的安全性、舒适性和耐久性都有着显著影响。风吸力作为风荷载的一种表现形式，是指风流经过建筑物时在其表面形成的负压。当风吸力作用于轻钢屋面时，C形和Z形檩条这类非双轴对称的开口薄壁截面构件，由于其抗弯扭性能相对较弱，在承受风吸力产生的弯矩和扭矩时，极易发生弯扭屈曲现象。这种弯扭屈曲一旦发生，不仅会导致檩条自身的承载能力丧失，无法正常传递屋面荷载，还可能引发屋面系统的局部甚至整体破坏，严重威胁到建筑物的结构安全。

在实际工程应用中，已有多起轻型屋面系统在大风中整体垮塌的案例，这些事故不仅造成了巨大的经济损失，也对人们的生命财产安全构成了严重威胁。例如，[具体案例]中，某工业厂房在强风袭击下，屋面檩条因风吸力作用发生弯扭屈曲，进而导致屋面大面积坍塌，厂房内的设备和物资遭受严重损坏。因此，深入研究风吸力作用下C形和Z形檩条的弹性弯扭屈曲问题，对于准确评估轻钢屋面结构的安全性、优化檩条设计以及提高建筑结构的抗风能力具有至关重要的理论意义和工程实用价值。通过对这一问题的研究，可以为工程设计提供更加科学、合理的理论依据和设计方法，有效避免因檩条弯扭屈曲而引发的工程事故，保障建筑物在风荷载作用下的安全稳定运行。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对风吸力作用下C形和Z形檩条的弹性弯扭屈曲问题开展了大量研究。在理论分析方面，不少学者运用开口薄壁构件理论，基于不同的假定条件，推导了檩条弯扭屈曲的总势能表达式，并应用能量法或变分法得到了临界弯矩或临界荷载的计算公式。如[学者姓名1]通过忽略屋面系统对檩条提供的扭转约束，只考虑其对上翼缘的侧向位移约束，建立了风吸力作用下简支檩条屈曲分析的理论模型，得到了无支撑及跨中设置一根拉条的冷弯C形和Z形檩条的临界弯矩表达式。[学者姓名2]在忽略屋面板对檩条侧向约束的条件下，根据上翼缘受扭转约束简支檩条的线性总势能方程，应用变分法推导了无支撑Z形和C形檩条在风吸力作用下的扭转角及位移表达式，考虑屈曲前应力在檩条弯扭屈曲变形过程中产生的非线性应变能，推导了临界弯矩表达式。

在数值模拟方面，ANSYS等有限元软件被广泛应用于檩条的弯扭屈曲分析。研究人员通过建立板壳单元模型，考虑檩条与屋面板的连接方式、屋面系统的约束作用等因素，对檩条在风吸力作用下的受力和变形进行模拟分析，与理论计算结果相互验证和对比。例如，[学者姓名3]采用ANSYS板壳单元建模，对风吸力作用下的檩条进行分析，通过与理论公式计算结果对比，对线性分析得到的上翼缘水平反力系数进行修正，提出了与ANSYS分析结果符合较好的计算公式。

在试验研究方面，部分学者通过开展檩条的足尺试验或缩尺模型试验，获取檩条在风吸力作用下的实际屈曲形态、临界荷载等数据，为理论和数值模拟研究提供了重要的试验依据。如[学者姓名4]进行了一系列冷弯C形和Z形檩条在风吸力作用下的试验研究，观察了檩条的屈曲过程，分析了拉条设置位置等因素对檩条稳定性的影响。

然而，当前研究仍存在一些不足之处。一方面，理论分析中所采用的假定条件与实际工程情况存在一定差异，导致理论计算结果与实际情况存在偏差，如对屋面系统约束作用的简化处理可能不够准确；另一方面，虽然数值模拟和试验研究取得了一定成果，但不同研究之间的结果有时存在较大差异，缺乏统一的、被广泛认可的分析方法和设计准则，这给工程设计人员在实际应用中带来了困惑。此外，对于一些复杂工况下的檩条弯扭屈曲问题，如考虑檩条初始缺陷、材料非线性以及多跨连续檩条等情况，研究还不够深入和全面。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括：

理论推导：基于开口薄壁构件理论，考虑实际工程中屋面系统对檩条约束作用的合理简化，建立风吸力作用下C形和Z形檩条弹性弯扭屈曲的理论模型，推导临界弯矩和临界荷载的计算公式。同时，深入分析屈曲前应力在檩条弯扭屈曲变形过程中产生的非线性应变能对屈曲的影响，完善理论公式。

数值模拟：利用ANSYS等有限元软件，建立考虑檩条与屋面板连接、屋面系统约束、初始缺陷等因素的精细数值模型，对风吸力作用下C形和Z形檩条的弹性弯扭屈曲过程进行模拟分析，研究不同参数对檩条屈曲性能的影响规律，如檩条截