在向上抬升载荷作用下，通过紧固件连接的不锈钢屋脊梁的横向-扭转屈曲行为

《Journal of Building Engineering》：Lateral-torsional buckling behavior of through-fastened stainless steel roof purlin under up-lift loads

通过实验与有限元分析研究不锈钢屋面檩条在风吸力下的侧扭屈曲行为，揭示几何缺陷、屋面板厚度、自攻螺钉直径及截面特性对耦合失效机制的影响，对比EN 1993-1-3、GB 50018和AISI S100规范预测精度，提出有效长度修正建议。

　　

邓亮|范胜刚|侯文雷|郑宝峰

中国东南大学土木工程学院，教育部混凝土与预应力混凝土结构重点实验室，南京 211189

摘要

本文研究了在向上抬升载荷作用下，通过紧固方式连接的不锈钢屋架的横向扭转屈曲（LTB）行为。采用了实验与数值相结合的方法。首先开发了一个有限元（FE）模型，并通过全尺寸屋架系统试验的数据进行了验证。随后利用该验证模型进行了参数研究，探讨了初始几何缺陷、屋面板厚度、自攻螺钉直径以及截面特性对结构响应的影响。研究结果揭示了涉及LTB、局部屈曲和畸变屈曲的耦合失效机制，以及屋架与屋面板之间的相互作用。此外，还评估了EN 1993-1-3、GB 50018和AISI S100三种规范的准确性和适用性。比较表明，尽管这三种规范由于基于碳钢的假设而给出了较为保守的预测结果，但EN 1993-1-3通过对其约束系统的精细化建模展现了更高的预测精度，尽管计算成本相对较高。研究还强调了有效长度选择的关键作用。基于悬垂杆仅提供离散点约束的发现，建议采用GB 50018中的有效长度和AISI S100中的扭转有效长度作为实际屋架长度，以防止不安全地高估其承载能力。

引言

金属屋架系统因其轻质、高强度和易于安装等优点而被广泛使用[1]。根据面板连接方式的不同，屋架系统的结构配置可以分为两种主要类型：通过紧固型和隐蔽紧固型。通过紧固型屋架具有较高的耐用性和刚性，是预制金属屋架系统的常用类型。图1展示了通过紧固型金属屋架的典型组件和结构。作为建筑物的保护层，屋架系统直接暴露在外部环境因素中。然而，传统钢结构容易发生腐蚀，导致使用寿命较短且后续维护成本较高。相比之下，不锈钢作为一种先进的建筑材料，具有优异的耐腐蚀性、更好的美观性以及更低的整体生命周期成本[2]。这些特性使得不锈钢成为屋架系统的理想材料，符合对耐用性和高效性能的材料选择要求。与传统重型屋架系统相比，不锈钢屋架系统在较低的风压下也会发生显著的几何变形，从而显著影响屋架的结构性能。现有研究表明，斜风或横风产生的圆锥形涡流会在屋架系统上产生较大的向上抬升载荷[3]、[4]。随着向上抬升载荷的增加，屋面板会产生显著的表皮效应，从而提高屋架的承载能力。因此，研究不锈钢屋架的结构性能并考虑所有系统组件的相互作用具有重要意义。

20世纪80年代，学者们开始对屋架在风吸力作用下的结构性能进行理论研究[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。Pekoz和Soroushian[5]对在风吸力作用下简支C型和Z型屋架的稳定性进行了理论研究，将屋架的腹板和下翼缘简化为压缩构件。Georgiou等人[6]对多跨连续屋架在风吸力作用下的结构性能进行了实验研究。实验结果表明，未受侧向约束的屋架会在风吸力作用下发生横向扭转屈曲（LTB）失效，Pekoz/Soroushian模型的准确性得到了实验数据的验证。Polyzois和Guillory[7]使用有限条方法研究了带有悬垂杆约束的屋架的结构性能。结果表明，屋架的侧向位移大小与悬垂杆的配置密切相关。Li[8]提出了一个用于分析受梯形板材约束的Z型屋架行为的结构模型，该模型考虑了悬垂杆的分布和边界条件等因素，从而更准确地计算了屋架在风吸力作用下的LTB承载能力。在此基础上，Chu等人[9]开发了C型屋架在风吸力作用下的LTB承载能力计算模型。

近年来，随着测试条件的改进，关于金属屋架系统结构性能的全尺寸实验研究数量有所增加。这些实验研究能够更准确地反映屋架系统的实际行为。Sirca和Adeli[14]使用多种测量技术对金属屋架系统进行了实验研究。结果表明，仅基于金属屋架的承载能力来确定其失效模式存在较大不确定性。为了解决这一问题，提出了一种基于屋面板变形来识别结构失效模式的方法。Baskaran等人[15]、[16]对几种不同类型的屋架系统进行了抗风性能测试。测试结果表明，面板互锁位置的气密性越高，屋架在风吸力作用下的承载能力越大。Xia等人[17]对站立缝屋架系统在风吸力作用下的力传递路径和失效机制进行了实验研究。测试结果表明，在风吸过程中，载荷逐渐传递到变形较小的屋面板边缘。此外，站立缝屋架系统的失效模式取决于固定装置布置和边界条件。Gao和Moen[18]对通过紧固方式连接的金属屋架中的自攻螺钉连接进行了旋转约束测试，验证了用于预测旋转约束的力学表达式。旋转约束测试后，使用真空箱模拟了风吸效应并对屋架系统进行了测试。测试结果表明，自攻螺钉为屋架提供了旋转约束，自攻螺钉的位置是影响屋架承载能力的关键因素[19]。

目前关于不锈钢屋架的研究主要集中在单个屋架的屈曲承载能力上[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。Dundu和Tonder[21]对不锈钢C型屋架的局部屈曲进行了实验研究，并将实验结果与有效宽度方法得出的结果进行了比较。结果表明，当构件的腹板高度与厚度比较大时，计算出的局部屈曲承载能力非常准确。Liu等人[25]对不锈钢C型屋架的局部畸变屈曲进行了实验研究。基于直接强度方法，研究人员提出了不锈钢C型屋架承载能力的计算公式。然而，这些研究将屋架视为孤立构件，忽略了组装屋架系统中存在的约束效应和载荷重新分布机制。在完整的屋架系统中，屋架与板材、悬垂杆和相邻构件相连，这会显著改变其屈曲模式、有效刚度和承载能力。因此，仅关注单个屋架不足以理解不锈钢屋架系统的实际结构行为，强调了进行系统级研究的必要性。

为了填补关于考虑所有系统组件相互作用的不锈钢屋架承载能力研究的空白，本研究重点关注由铁素体不锈钢屋架、屋面板和自攻螺钉组成的整体屋架系统。基于在向上抬升载荷作用下不锈钢屋架承载能力的实验研究，本文提出了一个简化的有限元（FE）模型。利用验证模型，进行了一系列参数研究，以探讨影响不锈钢屋架结构性能的参数。使用仿真数据评估了EN 1993-1-3[28]、GB 50018[29]和AISI S100[30]所提供的设计方法的准确性。

部分摘录

优惠券测试

测试部件（屋面板、屋架和自攻螺钉）由430铁素体不锈钢（EC3中的1.4016）制成。从同一批冷成型屋架的平面区域切割了三个拉伸试样。根据GB/T 228.1[31]标准，使用了狗骨形状的试样，试样宽度为12.5毫米，标距长度为25毫米。在试样应变达到2.5%之前，加载速率为0.5毫米/分钟；应变达到2.5%后，加载速率增加

FE模型的开发

实验结果使用ABAQUS[33]有限元分析软件进行了模拟和补充。在模型验证阶段，使用测量尺寸在零件模块中创建了屋架和屋面板的几何模型。悬垂杆和自攻螺钉使用连接器元素（线元素）在交互模块中进行建模。组装好的屋架系统如图3所示。

薄壁不锈钢构件的FE模型通常使用S4R壳单元

初始几何缺陷

为了研究全局几何缺陷幅度对屋架系统承载能力的影响，使用不同的缺陷幅度（0、L/2000、L/1000、L/500和L/250）对测试试样进行了数值模拟。从图9可以看出，随着屋架的全局缺陷幅度的增加，屋架系统的承载能力受到不利影响，尤其是在较大缺陷幅度下承载能力下降更为明显

现有设计方法的评估

目前，没有规范直接规定不锈钢屋架在向上抬升载荷作用下的性能。现有的设计方法，包括EN 1993-1-3[28]、GB 50018[29]和AISI S100[30]，都是基于传统的碳钢系统建立的。由于不锈钢在屋架系统中表现出强烈的非线性本构响应，其材料行为无法通过现有公式捕捉。因此，有必要评估现有方法是否适用

结论

本文基于对不锈钢屋架系统的实验，开发了一个简化的FE模型。随后，使用验证后的FE模型进行了一系列参数研究，探讨了初始几何缺陷、屋面板厚度、悬垂杆直径以及屋架截面特性对结构性能的影响。最后，将参数研究得到的承载能力与EN 1993-1-3、GB 50018预测的设计强度进行了比较

CRediT作者贡献声明

邓亮：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法论、数据整理。范胜刚：资金获取、监督。侯文雷：正式分析、调查、撰写——原始稿件。郑宝峰：调查、验证

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号52578178和52278153）以及东南大学博士研究生创新能力提升计划（CXJH_SEU 24108）的财政支持。