雪荷載作用下拆裝式輕鋼活動房屋力學性能研究

趙曉文，馬正清，陳登楊，高加倫

(1.解放軍32181部隊，陜西 西安 710032； 2.南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 211816； 3.揚州泰利特種裝備有限公司，江蘇 揚州 225100)

1 概述

臨時建筑經過多年的發(fā)展，從傳統(tǒng)的木棚、鐵皮房、集裝箱房到現(xiàn)在應用最廣泛的輕鋼活動房，逐步向標準化、集成化和系列化方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的臨時建筑相比，拆裝式輕鋼結構活動房屋具有生產環(huán)保節(jié)能、組裝運輸方便、住用功能多元、使用壽命長久等特點，被廣泛應用于軍隊野營及道路、鐵路、市政等工程臨時性用房保障。

目前，國內外研究者主要研究了拆裝式輕鋼活動房的力學性能及有限元計算分析。楊建江等[1]研究了集裝箱組合房屋墻板在沿海氣候條件下的抗風性能和抗剪性能，分別進行了抗風性能試驗和抗剪性能試驗。尹靜等[2]對新型箱式集成房折疊單元進行了橫向及縱向剛性試驗。試驗證明了箱式集成房的折疊單元有良好的縱橫向剛度，能夠滿足運輸過程中對集裝箱的剛性要求。李強等[3-4]進行了活動房屋骨架與活動房整體的框架內力及變形雪荷載試驗，通過骨架的彎矩、水平方向及豎向位移的變化來研究蒙皮板的加固作用。張俊峰等[5-6]進行了拆裝式箱型活動房屋的水平縱向加載足尺模型試驗，研究了其抗側性能。申世元等[7]對大量用作臨時房屋的輕鋼結構拼裝式房屋的現(xiàn)狀進行了介紹，同時運用SAP2000，對這類房屋的力學性能方面和變形情況進行了分析。張東彬等[8]提出了新型折疊式活動房，利用ABAQUS軟件建立有限元模型，對該結構的豎向受壓承載力、水平承載力和抗震性能進行了計算分析。結果表明，活動房能滿足作為臨時性建筑的安全性要求。舒興平等[9-10]采用通用的有限元程序ANSYS對節(jié)點性能進行了非線性有限元分析，討論了節(jié)點各組成要素對節(jié)點性能的影響。

基于上述研究成果，考慮此類活動房在高海拔、寒冷地區(qū)等環(huán)境惡劣地區(qū)的使用需要。本文參考青藏高原地區(qū)積雪特性，其積雪厚度平均值為20 cm左右[11]，提出一種多模塊多功能組合的雙坡屋面拆裝式輕鋼結構活動房屋，通過對原型結構房屋進行10 cm～30 cm積雪厚度荷載影響下的力學加載試驗，研究有無端部集裝箱約束兩種結構形式活動房屋的力學性能，并進行對比分析。為此類雙坡屋面拆裝式活動房的設計、建造和完善提供技術和應用支撐。

2 試驗概況

2.1 活動房結構組成

本文提出的雙坡屋面裝配式活動房由兩端的集裝箱模塊和中間的住用模塊組成，如圖1所示。其中住用模塊是一種以輕鋼為骨架，以鋁合金夾芯板為圍護材料，以標準模數(shù)系列進行空間組合，以螺栓連接的裝配式結構，故在設計時可根據實際使用需求靈活布置開間數(shù)。兩端的集裝箱可以是衛(wèi)生洗浴模塊或撤收打包時的儲存運輸模塊，展開使用狀態(tài)下對住用模塊活動房的承載性能也有一定的影響。墻體圍護結構是由夾芯板、上包角、下包角組成，內外層鋁合金板厚度大于0.5 mm，中間填充保溫巖棉。本次活動房加載試驗的住用模塊選擇兩個開間，無集裝箱時僅由橫向三榀輕鋼屋架承載，結構見圖2(a)，有集裝箱時將其用螺栓與端部鋼架連接，結構見圖2(b)。

2.2 試驗加載方法

本次足尺試驗目的是研究在10 cm～30 cm厚的雪荷載作用下，雙坡屋面拆裝式輕鋼活動房屋的力學性能。考慮試驗后樣房能繼續(xù)使用，故不進行破壞性試驗，直接在原型結構上開展承載力試驗。

2.2.1 雪荷載加載

本次試驗采用直接重力加載法，利用不同層數(shù)的鋼板模擬不同厚度的積雪荷載，根據GB 50009—2012建筑結構荷載規(guī)范[12]，可求出不同積雪厚度時所對應的雪荷載標準值、加載順序以及具體對應情況均見表1。為了使積雪荷載更加均勻，單個鋼板尺寸寬度不宜過大，見圖3(a)，施加時鋼板沿屋脊兩端對稱布置并將兩側配重使用鋼絲索進行連接防止滑落，見圖3(b)。現(xiàn)場鋼板細部和鋼板加載，分別見圖3(c)和圖3(d)。

表1 雪荷載加載進程

2.2.2 試驗測點布置

住用模塊采用的是拆裝式輕鋼結構體系，因此準確測量輕鋼屋架、柱、節(jié)點的位移是評估活動房安全性能和力學性能的關鍵。試驗中位移傳感器固定在活動房內搭設的腳手架上，位移測點均布置在房架上可能發(fā)生最大位移的位置以及對稱位置，選擇具有代表性的位移傳感器進行標號，對稱位置的位移傳感器數(shù)值作為參考對照。采用YHD-20和BX120-5AA兩種位移計以及選擇DH3816動態(tài)應變信號采集系統(tǒng)。為了研究集裝箱約束對輕鋼骨架結構的承載影響，本次試驗重點觀測跨中鋼架的位移變化情況，位移測點布置如圖4所示。

應變測點要求能夠準確地捕捉結構薄弱位置的內力變化和構件內力分布情況。屋面主梁、拉桿處、端部框架柱和跨中框架柱的上中下位置和荷載施加處分別設置應變測點，所有應變測點均內外對稱布置。進行數(shù)據篩選之后，本文選取具有代表性的應變測點進行研究，應變測點主要布置在端部鋼架和跨中鋼架的坡面屋架和立柱上，共15個測點，見圖5?，F(xiàn)場試驗測點布置見圖6。

3 試驗結果與分析

3.1 有集裝箱約束的拆裝式活動房屋試驗結果與分析

不同積雪荷載下，住用模塊的試驗現(xiàn)象有所不同。在10 cm厚積雪荷載下，鋼框架柱無明顯變化，屋架下弦有微小鼓起。在20 cm厚積雪荷載下，邊柱無明顯變形，中柱柱頂有向兩外邊傾斜。在30 cm厚積雪荷載下，中柱柱頂向兩外邊微微傾斜，柱子本身無明顯變化，屋面梁有微小彎曲變形。卸載后，結構構件恢復到原來位置，無殘余變形和明顯破壞點。

在集裝箱的約束下，房屋骨架剛度較大，活動房整體無明顯位移變形，但隨著雪荷載的增加，住用模塊的跨中鋼架各個測點位移呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，如圖7所示。在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，鋼架柱頂(D1)的水平位移值分別為14.15 mm，27.65 mm，28 mm，立柱中部(D2)的水平位移值分別為13 mm，20.85 mm，20.00 mm，兩個位移測點均在20 cm左右厚的積雪荷載下達到峰值，隨著雪厚的增加無明顯變化趨勢；屋脊節(jié)點(D3)處受雪荷載的變化影響較小，豎向位移值保持在0.6 mm左右，在20 cm厚積雪荷載下達到最大值為0.89 mm，這是因為集裝箱的布置，有效地限制了活動房的位移；屋架下弦桿(D4)的豎向位移隨著雪荷載的增加而增加，加載初期就達到了53.46 mm，在30 cm厚積雪荷載下位移為60.83 mm，是所有測點中位移最大的，主要由于屋架下弦桿桿端與坡屋架相連，邊柱不斷向內傾斜，屋架下弦桿受到壓力，導致其豎直向上的位移顯著增加。屋架上弦桿(D5)在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，豎向位移分別為10.55 mm，11.1 mm，17.7 mm，隨著積雪厚度的增加而增加，30 cm厚積雪荷載作用時增幅明顯加快。

圖8為不同厚度的積雪荷載作用下有集裝箱拆裝式活動房屋應變曲線。從圖8(a)中可以看出，在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，住用模塊端部鋼架柱3個測點的應變值均隨著荷載的增加而增大；其中鋼架柱頂和柱底的應變值最大增幅分別為433.3%和70%；鋼架柱中(SC2)在30 cm厚雪荷載(0.441 kN/m2)作用下，應變值為102 με，與10 cm厚雪荷載(0.147 kN/m2)影響相比，應變增加了5 000%，其原因可能是因為隨著雪荷載的增加，柱子向外傾斜，柱子內側不斷受到拉應力，其值不斷增大。從圖8(b)中得出，住用模塊跨中鋼架各個測點的應變值在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，同樣隨著荷載的增加而不斷增大；其中鋼架柱頂和柱中變化幅度不大，在30 cm厚雪荷載(0.441 kN/m2)作用下達到最大值分別為58με和65με；鋼架柱底的應變較大，以SC6測點為例，在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下應變值分別為898.15με，1 203.5με，2 018με，最大增幅為125%，這是因為跨中鋼架承受大部分的荷載，導致跨中鋼架柱底的應變較大。

從圖8(c)，圖8(d)中可以看出，在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，住用模塊跨中和端部屋架坡面各個測點的應變值都較小，并且隨荷載的增加變化幅度也不大，這是因為屋面板剛度較大，雪荷載被重新分配到屋脊和柱頂橫梁上。但跨中屋架下弦桿中點的應變值呈快速增長趨勢，在30 cm厚雪荷載(0.441 kN/m2)作用下顯著增加，達到最大值2 002.5με；端部屋架下弦桿中點的應變值增長較為緩慢，最大值為655με，這是由于住用模塊中部剛度大于端部剛度，產生了反拱現(xiàn)象。

3.2 無集裝箱約束的拆裝式活動房屋試驗結果與分析

在有集裝箱的拆裝式活動房屋加載試驗的基礎上，去除集裝箱后再對拆裝式房屋進行雪荷載加載試驗，屋架產生了微小扭轉變形，可能是加載過程中有活荷載所產生的偏心導致。在加載過程中，到20 mm厚積雪荷載時，兩邊柱頂向外傾斜，屋架梁無明顯變化，屋架下弦向上微微彎曲。

圖9為不同厚度的積雪荷載作用下無集裝箱拆裝式活動房屋位移曲線，從圖9中可以看出，在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，住用模塊的位移受雪荷載的影響較大。鋼架柱頂(D1)的水平位移值分別為2.7 mm，46.65 mm，49.15 mm，最大增幅為1 720%，鋼架柱頂受雪荷載的影響較大，導致鋼屋架不斷向水平方向擠壓鋼架柱頂；鋼架柱中(D2)的水平位移略有減小的趨勢，初始位移為18.2 mm；屋脊節(jié)點(D3)處的豎向位移先增加后減少，在20 cm厚的積雪荷載下達到峰值為7.36 mm，位移方向與鋼架柱頂相反，隨著荷載繼續(xù)加載，逐漸與柱頂位移方向一致，這可能是因為雪荷載加載先從迎風面開始，導致柱頂初始位移；屋架下弦桿(D4)與屋架上弦桿(D5)處的豎向位移基本對應相等，隨著雪荷載的增加而小幅度增加，最大值均為30.3 mm。

從圖10(a),圖10(b)中可以看出，無集裝箱的拆裝式活動房屋住用模塊端部鋼架柱的所有測點以及跨中鋼架柱頂和柱中兩個測點，與有集裝箱拆裝式活動房屋所對應測點的應變值的變化趨勢基本保持一致，隨著雪荷載的增大而增加。無集裝箱的拆裝式活動房屋，在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，端部鋼架柱底(SC3)處的應變增幅小但值較大，分別為161.97με，169.91με，174.97με；跨中鋼架柱底處的應變變化趨勢較為復雜，以SC6測點為例，在10 cm和30 cm厚積雪荷載作用下，柱底均受拉，應變值分別為365με和298.5με，當積雪厚度為20 cm(0.294 kN/m2)時，柱底受壓，應變值為708με，這是由于在裝載雪荷載時由于裝配順序，迎風柱柱底開始受拉，當荷載增加，跨中迎風柱主要受到來自上部的軸向壓應力，柱底變?yōu)槭軌?；當雪荷載達到最大值時，跨中迎風柱開始發(fā)生彎曲，向兩邊傾斜且向內彎曲，柱底內側變?yōu)槭芾?，跨中柱主要承擔雪荷載。

不同厚度的積雪荷載作用下無集裝箱約束的拆裝式活動房屋的屋架應變曲線參見圖10(c)和圖10(d)。在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，無集裝箱的拆裝式活動房的住用模塊跨中屋架坡面和各個測點的應變值都較小，與有集裝箱拆裝式活動房屋所對應測點的應變值的變化趨勢基本相同；跨中屋架下弦桿中點與跨中鋼架柱底的應變變化趨勢基本保持一致，先是受拉，后受壓，最后再受拉。第一次受拉主要是框架結構中間剛度較兩邊大，中點向上變形，但整體趨勢還是向壓應變發(fā)展，當積雪厚度為20 cm時，壓應變最大為614.5με，等到積雪厚度為30 cm時，跨中鋼架兩邊柱向外傾斜，對下弦產生向兩端的拉力，下弦桿主要受到拉力。端部屋架除了屋架上弦桿中點(SR6)處的應變值有減小的趨勢，其余測點應變都是增加，但都變化幅度不大；跨中屋架下弦桿先承受中點的應變值同樣較大。

3.3 兩種拆裝式活動房試驗結果對比分析

根據足尺試驗加載情況，本文對有集裝箱約束(Y)以及無集裝箱約束(W)的各個測點進行在不同積雪厚度的雪荷載下活動房位移和應變的對比分析，并選取在試驗過程中位移和應變變化較為明顯的測點共12個點，位移測點選取D1，D3，D4和D5，應變測點選取SC1，SC2，SC4，SC5，SR3，SR4，SR7和SR8。對比結果如圖11，圖12所示。

從圖11中可以看出，隨著雪荷載的增加，無集裝箱約束的拆裝式活動房屋位移值增加趨勢比較顯著，并且增幅較快；增加集裝箱約束后，鋼架柱頂、屋脊節(jié)點和屋架上弦桿的位移都顯著減小，其中屋脊節(jié)點處(D3)的位移減幅最大，在20 cm厚積雪荷載作用下，豎向位移由7.36 mm減小到0.89 mm，減幅為727%，這是因為住用模塊的集裝箱約束使整體活動房屋的剛度有所提高，在屋脊節(jié)點處尤為明顯。但集裝箱約束會削弱鋼架立柱中部和屋架下弦桿(D4)處的剛度，其中屋架下弦桿中點處削弱效果尤為明顯，在10 cm厚積雪荷載作用下，有無集裝箱的活動房測點D4豎向位移值分別為53.46 mm，17.85 mm。

如圖12所示，在10 cm～30 cm厚的積雪荷載作用下，拆裝式活動房增加集裝箱約束后，端部鋼架柱頂(SC1)、跨中鋼架柱中處(SC5)、端部鋼架的屋脊節(jié)點(SR7)以及屋架下弦桿中點處(SR8)的應變值都顯著減小，最大應變減幅分別為350%，383%,248%和25%，其中端部鋼架屋脊節(jié)點應變值由218.95με減小到63με，端部鋼架屋架下弦桿在有無集裝箱約束情況下受積雪厚度影響均不大；跨中鋼架柱頂(SC4)、跨中鋼架的屋脊節(jié)點(SR3)、跨中鋼架的屋架下弦桿中點處(SR4)以及端部鋼架柱中(SC2)處的應變值均明顯增加，最大應變增幅分別為167%，590%，393%和900%，其中在30 cm厚積雪荷載作用下，跨中屋架下弦桿中點處的應變值由406με增加到2 002.5με。這說明裝配集裝箱后，對提高活動房端部鋼架的剛度和承載力有明顯的作用，而跨中鋼架因為集裝箱的約束其剛度會有所削弱，跨中屋架下弦桿處削弱程度最為明顯。

4 結論

本文提出了一種拆裝式輕鋼活動房，在10 cm～30 cm厚積雪荷載作用下，對活動房有無集裝箱約束兩種結構形式下鋼框架柱和鋼屋架的力學響應特征進行了重點研究和對比分析，得到的主要研究結論如下：

1)隨著積雪厚度的增加，雙坡屋面拆裝式活動房在集裝箱的約束下，鋼架柱頂、屋脊節(jié)點處(坡屋面屋架最高連接點)和屋架上弦桿處的位移均有所減少。其中屋脊節(jié)點處集裝箱的約束效應最為顯著，位移減幅最大，在10 cm，20 cm，30 cm厚積雪荷載作用下位移減小幅度分別為346.4%，727%，252.8%。

2)集裝箱的兩端布置對活動房的框架端柱和屋架上弦構件的變形有明顯的抑制作用，能有效減少整個活動房的位移和應變變形，明顯提高活動房的剛度，顯著增強其豎向承載能力。同時兩端的集裝箱會使活動房的剛度發(fā)生重分布，使一些薄弱部位的應力發(fā)生變化，跨中鋼架柱底表現(xiàn)尤為顯著[13-14]。

3)在建造雙坡屋面拆裝式活動房屋時，應有意識地對跨中立柱底部、立柱與屋架連接處以及跨中屋架下弦桿進行加固，使其承載性能更好。