屋面连接抗风承载性能
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竖向位移极限值
根据屋面板风荷载-跨中挠度曲线，确
Step 3 定屋面板系统抗风承载力
Step 1 单块屋面板模型
风荷载-挠度关系
采用有限应变壳单元 法向自由度约束 切向弹簧约束
屋面板计算模型
屋面板材料本构模型
摩擦力：f = μN 弹簧内力： F = ku 弹簧刚度：k=μN/u
三个不同弹簧刚度： k=16kN/m、21kN/m、32kN/m
屋面板初始屈服时对应的风荷载
T形支托抗风分析
不同区域T形支托在不同工况下的荷载
q、q1、q2为接触面法向荷载，f、f1、f2为接触面切向荷载。
T形支托与檩条间连接失效——自攻螺钉破坏
T形支托采用的自攻螺钉规格为M5.5×3.8，其最 小破坏力矩为10kNm (>9.415kNm)。
不先于屋面板失效。
面面接触关系 节点耦合关系 摩擦系数 0.1
半边对称模型
模型约束
连接卡口示意图
屋面连接抗风承载力分析
屋面板跨中挠度与卡口A、B两点间距的关系曲线
屋面板滑出失效
屋面抗风连接变形
面板跨中最大竖向变形量约：99.58mm 对应的极限风荷载：2.03kPa
屋面板屈服失效
屋面板应力分布
面板屈服 对应的极限风荷载：2.30kPa
自攻螺钉形心受力情况
T形支托失效分析
不同区域T形支托在不同工况下的应力计算结果
T形支托应力与变形
应力
变形 T形支托两侧面风载相同
T形支托应力与变形
应力
变形 T形支托两侧面风载不同
T形支托应力与变形
应力
变形 T形支托单侧受力
T形支托应力与变形
中间区域：T形支托在各工况下最大应力均不超过屈 服强度；
边缘区域：T形支托在各工况下最大应力均不超过屈 服强度；
边缘区域非边缘区域：T形支托在各工况下的应力均 较大，特别当T形支托单侧受力时，最大应力已经超过屈 服应力。
屋面系统抗风失效模式
p 风荷载达到2.03kPa时，屋面系统抗风失效 p 失效模式为屋面板与T形支托间连接失效 p 各构件强度利用不充分
轻型金属屋面板及其连接件 抗风承载性能
概要
n 轻型金属屋面系统应用简介 n 屋面系统风吸破坏形式及其原因 n 屋面板系统抗风性能分析方法 n 研究现状与进展 n 结语
轻型金属屋面系统应用简介
几种常见的金属屋面系统：
压型钢板屋面系统
铝合金屋面系统 锌合金屋面系统
压型钢板典型板型
铝合金板型
压型钢板屋面系统构造
铝合金屋面系统构造
锌合金屋面系统构造
压型钢板屋面系统
色彩艳丽 重量轻 力学性能好 使用寿命长 加工速度快
铝合金屋面系统
质量更轻 耐久性好 防腐能力 适应性极强 自洁性
锌合金屋面系统
轻质高强 易加工成型 防腐性能更强 使用寿命长
搭接连接构造
咬边连接构造
扣合连接构造
直立锁边点支撑连接构造
存在的问题： 研究滞后于应用 设计与施工标准不完善 设计计算不合理、不准确 连接构造不甚合理
摩擦系数的影响
卡口间距与跨中挠度的关系曲线
不同摩擦Hale Waihona Puke Baidu数屋面系统抗风承载性能
研究现状与进展
试验与理论研究：国外始于1997年，A. Baskaran等 国内始于2003年，同济、清华、 浙工大、卓思
美国认证机构：ASTM (American Society for Testing and Materials 即美国实验与材料协会)
屋面板脱离支托
屋面板局部破坏
破坏模式：屋面板由于达到极限 强度而撕裂破坏。通常出现在有 抗风夹具的屋面中，且位于抗风 夹具一侧或两侧。 失效原因：屋面板强度不足；
抗风夹具偏少。
屋面板撕裂
金属屋面板系统抗风性能分析方法
实际工程概况： 某机场航站楼长806m，最大宽度159m。
屋面板采用目前广泛应用的直立锁边点支承连接形式
设计者？？？
存在的问题： 设计不合理 施工不完善
工程事故
轻型金属屋面常见的风灾破坏情况
屋面系统风吸破坏形式及其原因
屋面系统破坏特征：
屋面板掀起破坏
屋
面
T型支托破坏
系
统
面板与支托连接破坏
破
坏
屋面板局部破坏
屋面板掀起破坏
破坏模式：屋面板在风荷载作用 下掀开，导致屋面大面积或整个 屋面失效。 失效原因：支托偏少；
屋面系统构造示意图
屋面板材料：AA3004铝镁锰合金板 铝合金T形支托材料：6061-T6 T形支托横向间距0.4m，纵向间距1.5m。
T形支托和屋面板尺寸
屋面风荷载
屋面各区域最大风荷载标准值（kPa）
3屋.2面板及连接系统抗风承载性能数值分析：
分析方法与思路 要计算获得屋面系统的抗风极限承载力，必须正确
屋面板跨中上拱，板肋顶部卷边沿T 形支托圆角弧面向外滑移。滑移量 过大，面板卷边将脱离支托。
抗风失效模式
2) 屋面板损坏 屋面板在风吸力下屈服或产生过大的变形
3) T形支托与檩条间连接失效 固定T形支托的螺钉受拉破坏
4) T形支托损坏 T形支托在风吸力作用下破坏
数值分析模型
取半边对称结构 采用平面应变单元
FM (FM=Factory Mutual 即工厂联合保险商协会)
UL (Underwriter Laboratories Inc. 即保险商试验所)
模拟屋面板系统在风荷载作用下的失效模式。 在进行屋面板系统简化模型计算分析时，可采用两
步分析方法，以准确模拟和计算其受力性能。
3计.2算步骤
Step 1
建立单块屋面板计算模型，计算得到风 荷载-屋面板跨中挠度关系曲线
建立屋面板系统简化模型，对屋面板施
Step 2 加竖向位移，根据抗风失效模式，得到
或风荷载过大。
屋面板掀开
T形支托破坏
破坏模式：T形支托强度破坏 • 受拉破坏 (两侧屋面板均匀受力) • 受弯破坏 (两侧屋面板不均匀受力) • 连接螺钉拔出
失效原因：T形支托承载力不足； 或螺钉连接承载力不足
自攻螺钉拔出
面板与支托连接破坏
破坏模式：屋面板脱离支托 失效原因：屋面板与支托间连接 承载力不足，连接构造不尽合理 导致屋面板脱离。
风荷载超过2.3kPa 后，曲线斜率突然增大； 但面板内不断增大的横 向拉应力抑制了板的弯 曲。
屋面板跨中荷载-挠度关系曲线
风荷载达到2.3kPa，板内应力
屋面板全截面屈服
弹簧刚度的影响
不同工况屋面板在风荷载作用下跨中竖向变形
Step 2 屋面连接构造
竖向极限位移
抗风失效模式
1) 屋面板与T形支托间连接失效 即屋面板滑出。在风吸力作用下，
根据屋面板风荷载-跨中挠度曲线，确
Step 3 定屋面板系统抗风承载力
Step 1 单块屋面板模型
风荷载-挠度关系
采用有限应变壳单元 法向自由度约束 切向弹簧约束
屋面板计算模型
屋面板材料本构模型
摩擦力：f = μN 弹簧内力： F = ku 弹簧刚度：k=μN/u
三个不同弹簧刚度： k=16kN/m、21kN/m、32kN/m
屋面板初始屈服时对应的风荷载
T形支托抗风分析
不同区域T形支托在不同工况下的荷载
q、q1、q2为接触面法向荷载，f、f1、f2为接触面切向荷载。
T形支托与檩条间连接失效——自攻螺钉破坏
T形支托采用的自攻螺钉规格为M5.5×3.8，其最 小破坏力矩为10kNm (>9.415kNm)。
不先于屋面板失效。
面面接触关系 节点耦合关系 摩擦系数 0.1
半边对称模型
模型约束
连接卡口示意图
屋面连接抗风承载力分析
屋面板跨中挠度与卡口A、B两点间距的关系曲线
屋面板滑出失效
屋面抗风连接变形
面板跨中最大竖向变形量约：99.58mm 对应的极限风荷载：2.03kPa
屋面板屈服失效
屋面板应力分布
面板屈服 对应的极限风荷载：2.30kPa
自攻螺钉形心受力情况
T形支托失效分析
不同区域T形支托在不同工况下的应力计算结果
T形支托应力与变形
应力
变形 T形支托两侧面风载相同
T形支托应力与变形
应力
变形 T形支托两侧面风载不同
T形支托应力与变形
应力
变形 T形支托单侧受力
T形支托应力与变形
中间区域：T形支托在各工况下最大应力均不超过屈 服强度；
边缘区域：T形支托在各工况下最大应力均不超过屈 服强度；
边缘区域非边缘区域：T形支托在各工况下的应力均 较大，特别当T形支托单侧受力时，最大应力已经超过屈 服应力。
屋面系统抗风失效模式
p 风荷载达到2.03kPa时，屋面系统抗风失效 p 失效模式为屋面板与T形支托间连接失效 p 各构件强度利用不充分
轻型金属屋面板及其连接件 抗风承载性能
概要
n 轻型金属屋面系统应用简介 n 屋面系统风吸破坏形式及其原因 n 屋面板系统抗风性能分析方法 n 研究现状与进展 n 结语
轻型金属屋面系统应用简介
几种常见的金属屋面系统：
压型钢板屋面系统
铝合金屋面系统 锌合金屋面系统
压型钢板典型板型
铝合金板型
压型钢板屋面系统构造
铝合金屋面系统构造
锌合金屋面系统构造
压型钢板屋面系统
色彩艳丽 重量轻 力学性能好 使用寿命长 加工速度快
铝合金屋面系统
质量更轻 耐久性好 防腐能力 适应性极强 自洁性
锌合金屋面系统
轻质高强 易加工成型 防腐性能更强 使用寿命长
搭接连接构造
咬边连接构造
扣合连接构造
直立锁边点支撑连接构造
存在的问题： 研究滞后于应用 设计与施工标准不完善 设计计算不合理、不准确 连接构造不甚合理
摩擦系数的影响
卡口间距与跨中挠度的关系曲线
不同摩擦Hale Waihona Puke Baidu数屋面系统抗风承载性能
研究现状与进展
试验与理论研究：国外始于1997年，A. Baskaran等 国内始于2003年，同济、清华、 浙工大、卓思
美国认证机构：ASTM (American Society for Testing and Materials 即美国实验与材料协会)
屋面板脱离支托
屋面板局部破坏
破坏模式：屋面板由于达到极限 强度而撕裂破坏。通常出现在有 抗风夹具的屋面中，且位于抗风 夹具一侧或两侧。 失效原因：屋面板强度不足；
抗风夹具偏少。
屋面板撕裂
金属屋面板系统抗风性能分析方法
实际工程概况： 某机场航站楼长806m，最大宽度159m。
屋面板采用目前广泛应用的直立锁边点支承连接形式
设计者？？？
存在的问题： 设计不合理 施工不完善
工程事故
轻型金属屋面常见的风灾破坏情况
屋面系统风吸破坏形式及其原因
屋面系统破坏特征：
屋面板掀起破坏
屋
面
T型支托破坏
系
统
面板与支托连接破坏
破
坏
屋面板局部破坏
屋面板掀起破坏
破坏模式：屋面板在风荷载作用 下掀开，导致屋面大面积或整个 屋面失效。 失效原因：支托偏少；
屋面系统构造示意图
屋面板材料：AA3004铝镁锰合金板 铝合金T形支托材料：6061-T6 T形支托横向间距0.4m，纵向间距1.5m。
T形支托和屋面板尺寸
屋面风荷载
屋面各区域最大风荷载标准值（kPa）
3屋.2面板及连接系统抗风承载性能数值分析：
分析方法与思路 要计算获得屋面系统的抗风极限承载力，必须正确
屋面板跨中上拱，板肋顶部卷边沿T 形支托圆角弧面向外滑移。滑移量 过大，面板卷边将脱离支托。
抗风失效模式
2) 屋面板损坏 屋面板在风吸力下屈服或产生过大的变形
3) T形支托与檩条间连接失效 固定T形支托的螺钉受拉破坏
4) T形支托损坏 T形支托在风吸力作用下破坏
数值分析模型
取半边对称结构 采用平面应变单元
FM (FM=Factory Mutual 即工厂联合保险商协会)
UL (Underwriter Laboratories Inc. 即保险商试验所)
模拟屋面板系统在风荷载作用下的失效模式。 在进行屋面板系统简化模型计算分析时，可采用两
步分析方法，以准确模拟和计算其受力性能。
3计.2算步骤
Step 1
建立单块屋面板计算模型，计算得到风 荷载-屋面板跨中挠度关系曲线
建立屋面板系统简化模型，对屋面板施
Step 2 加竖向位移，根据抗风失效模式，得到
或风荷载过大。
屋面板掀开
T形支托破坏
破坏模式：T形支托强度破坏 • 受拉破坏 (两侧屋面板均匀受力) • 受弯破坏 (两侧屋面板不均匀受力) • 连接螺钉拔出
失效原因：T形支托承载力不足； 或螺钉连接承载力不足
自攻螺钉拔出
面板与支托连接破坏
破坏模式：屋面板脱离支托 失效原因：屋面板与支托间连接 承载力不足，连接构造不尽合理 导致屋面板脱离。
风荷载超过2.3kPa 后，曲线斜率突然增大； 但面板内不断增大的横 向拉应力抑制了板的弯 曲。
屋面板跨中荷载-挠度关系曲线
风荷载达到2.3kPa，板内应力
屋面板全截面屈服
弹簧刚度的影响
不同工况屋面板在风荷载作用下跨中竖向变形
Step 2 屋面连接构造
竖向极限位移
抗风失效模式
1) 屋面板与T形支托间连接失效 即屋面板滑出。在风吸力作用下，