CN110926753B - 一种双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活动用房的抗风检测技术领域内一种双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，通过横向风载模拟加载装置和风吸力模拟加载装置将活动房的风载转化为施加于迎风面和北风面各主要承载部件上的多点加载的等效静载荷，进行逐级的多点加载试验，以测量各级风载下各受力梁柱的位移和应变，进而评价验证活动房结构的抗风性能，简化了试验过程中的加载方式和分级加载过程，并且针对主要承载部件针对性的进行分级加载、分级测试，试验过程的安全性高，同时也解决了大型活动房抗风试验及风洞试验实施受限的问题。

Description

一种双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法

技术领域

本发明涉及双坡屋面的活动用房的钢结构房架的抗风检测技术领域，特别涉及一种双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法。

背景技术

钢结构双坡屋面活动用房主要是按照标准化设计、工业化加工和装配式安装的形式实现组合扩展、重复拆装使用等特殊需要，在野外住用，临时部队和应急保障中发挥着重要作用。通常活动房在野外、边防和沿海地区使用时将面临强风作用，因而设计及产品试验时需要重点关注和考察结构抗风能力，但实际抗风试验时很难选择合适的场地和合适的风力以完成相关试验，风洞模拟试验因场地有限很难完成足尺寸的活动用房整体结构的抗风试验，且成本较高，现有的气囊模拟加载往往受气囊大小限制且需要加载墙等较为复杂的加载装置，并且试验过程中存在一定的安全隐患，因而实际研究工作中风载加载试验难度较大。

发明内容

本发明针对现有技术活动用房风载加载试验操作难度大的问题，提供一种双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，以改变抗风试验的加载方式，通过将风载转化为多点加载的等效模拟风载，进行逐级加载试验，以便于活动房设计时抗风能力的验证。

本发明的目是这样实现的，一种所述双坡屋面活动房屋的钢结构主体房架包括迎风侧和背风侧设置的若干立柱，迎风侧和背风侧各立柱顶部分别连接有水平横梁，水平横梁的上侧连接斜梁，所述风载模拟试验方法包括如下步骤：

1)将钢结构主体房架固定安装于水平的试验场地；

2)确定试验钢时结构主体房架的迎风侧和背风侧，在背风侧设置横向风载模拟加载装置，用于主体房架的各立柱施加水平方向的模拟风载，在主体房架的顶部设置风吸力模拟加载装置用于向主体房架顶部的受力梁施加等效的吸力静载；

3)设置并安装连接用于检测各受力的梁和柱位移量的位移传感器和用于检测各梁柱内应变的应变测量仪；

4)通过横向风载模拟加载装置向各迎风侧和背风侧的各立柱分级施加水平模拟风载F，每加一级水平模拟风载后再通过风吸力模拟装置从主体房架的顶侧分别向各受力斜梁施加一级向上的风吸力模拟载荷F_吸，然后静止10～30min，再分别读取并记录各位移传感器检测的位移量和各应变测量点的检测的应变量,完成当前风级的加载检测；

5)重复步骤4)的过程分别逐级增加水平模拟风载F和风吸力模拟载荷F_吸进行加载检测，直至完成设定的最高抗风级别的加载和检测过程；

6)统计记录不同强度风级时各受力梁柱的位移量和应变量，以判定主体房架的显著位移位置、显著应变位置及抗风薄弱部位以便于为房架的抗风改进设计提供参考。

本发明的活动房主体房架的风载模拟试验方法，将活动房主体房架的风载转化为施加于迎风面和北风面各支柱的多点加载的等效静载荷和施加于屋顶的等效吸力载荷，进行逐级的多点加载试验，以测量各级风载下各受力梁柱的位移和应变，从而评价验证活动房主体房架的抗风性能，简化了试验过程中的加载方式和分级加载过程，并且针对主要承载部件针对性的进行分级加载、分级测试，试验过程的安全性高，同时也解决了大型钢结构活动房主体房架抗风试验及风洞试验实施受限的问题。

2为便于对主体房架加载横向风静载荷，所述横向风载模拟加载装置包括风载分配支架、模拟风荷载的配重块和连接配重块与施力点的吊索，每根待加载的立柱沿高度方向均匀设置若干加载施力点，所述风载分配支架上设有若干与加载施力点对应的支承轮，所述支撑轮用于绕接吊索，所述吊索一端与加载施力点连接，所述吊索绕经支承轮后另一端悬吊连接所述配重块，所述支承轮与对应的受力点之间的吊索水平设置并与模拟的风向平行。本发明的横向风载模拟加载装置将整面墙的风载等效均匀分担到主要承载部件上通过相应重量的配重块进行加载，简单加载结构，并且加载方式安全可控，操作性强。

3为便于模拟加载风吸力载荷，所述斜梁与水平方向的斜角为15°～30°，所述风吸力模拟加载装置通过向上起吊力分别对活动房架顶部的各斜梁施加等效的风吸力模拟静载荷、

4为便于均匀加载风吸力载荷，所述风吸力模拟装置包括与主体房架的屋脊上下平行对应的主杆，所述主杆上分别垂直连接有与主体房架的各斜梁分别上下对应的水平的上支杆，所述上支杆对称分布于主杆长度方向的两侧，所述主杆和上支杆的组合结构的重心上方设有吊环，所述吊环通过起吊机构施加起吊力，所述上支杆外端分别转动吊装有下支杆，所述下支杆下端分别垂直连接有分配杆，所述下支杆下端与分配杆长度方向的中心固定，所述分配杆两端用于与各斜梁长度方向的相应位置固定，所述分配杆长度方向的中心与斜梁长度方向的中心对应。

5为便于向各加载面施加相应风级的等效风载，所述主体房架的迎风侧和背风侧的各支柱上加载施力点均匀布置有3～5点，所述风载分配支架上与每个受力点正对的同高度位置均设置有所述支承轮，所述迎风侧、背风侧和房架顶对应的各风载加载面的等效风载按如下公式计算：

wk＝β_zμ_sμ_zw₀；

式中

wk—风荷载标准值(kN/m²)；

β_z—高度z处的风振系数，取β_z＝1.0；

μs—风荷载的体型系数，对于双坡屋面房的主体房架的体型系数中，迎风侧取μs＝0.8；背面侧取μs＝0.5；坡屋面的顶面，当屋面坡度α≤15°时，取μs＝-0.6,当15°<α≤30°时，μs＝0.04α-1.2；

μ_z—风压高度变化系数，取μ_z＝1.09；

w₀—基本风压(kN/m²)；

w₀按公式

其中，

风载为7级风(取v＝14.6m/s)时，w₀＝0.137kN/m²；

风载为8级风(取v＝20.6m/s)时，w₀＝0.274kN/m²；

风载为10级风(取v＝25.2m/s)时，w₀＝0.411kN/m²；

风载为11级风(取v＝29.1m/s)时，w₀＝0.548kN/m²；

风载为12级风(取v＝32.6m/s)时，w₀＝0.685kN/m²；

迎风面或背风面的加载面不同位置单根立柱分担的等效静载荷按如下方法计算：

f＝wk·s1/n，其中，s1为迎风面或背风面的正面积，边侧的每根立柱分担的等效静载荷F＝f，边侧之间的每个单根立柱分担的等效静载荷取值为F＝2f；

主体房架顶部的同一坡屋面内各斜梁分担的等效总载荷为F_吸＝wk·s2，s2为加载的坡屋面的正面积；

立柱上各施力点的分别加载的配重块重量G1＝单根立柱等效静载荷F÷每根立柱的施力点数量。

为准确计算坡屋面的风吸力等效载荷，所述风吸力模拟载荷F_吸为单侧坡屋面的加载力，F_吸＝wk·s，其中，s为单侧坡屋面的面积，通过风吸力模拟加载装置向上起吊均匀分担施加于房架顶的各斜梁上，所述风吸力模拟加载装置通过起吊机构向主杆加载的总的力为F_吊＝2F_吸·cosα+风吸力模拟加载装置重量。

为便于加载后位移的检测，步骤3)中，各受力的斜梁或立柱的端侧和中心均设有用于检测沿受力方向位移量的位移传感器，并且各位移传感器分别通过固定支架固定安装于便于检测的位置。

为便于各承载件应变的检测，各梁柱的内应变检测点布置于各梁柱最不利的受力应变位置。

附图说明

图1为本发明的箱式活动房主体房架的风载模拟试验方法的等效风载加载示意图。

图2为风吸力模拟加载装置的示意图。

图3为活动房各受力梁柱上位移传感器的布置示意图。

图4实施例的两枷钢结构活动房架跨中各显著位移位位置示意图。

图5为图4中标记的各显著位移位置加载过程中位移量与风载荷的变化曲线图。

图6为实施例的两枷钢结构活动房架的跨中和端部钢架的显著应变位置示意图。

图7a为图6b中标记的活动房架的端部钢架的各支柱加载过程中内应变与风荷载的变化曲线图。

图7b为图6a中标记的活动房架的跨中钢架的各支柱加载过程中内应变与风荷载的变化曲线图。

图8a图6a中标记的活动房架的跨中钢架的顶部标记点加载过程中内应变与风荷载的变化曲线图。

图8b为图6b中标记的活动房架的端部钢架的顶部标记点加载过程中内应变与风荷载的变化曲线图。

具体实施方式

本实施例以两枷活动房架为例详细说明本发明的箱式活动房主体房架的风载模拟试验方法。房架主体的迎风侧和背风侧分别等间距设有三根立柱1，其中边侧各一根，边侧的之间的中部一根中立柱，对应的房架顶部设有三根斜梁倾角为20°。斜梁之间的房架中部为屋脊。活动房围墙的高度为2.6米，也就是立柱的有效高度为2.668米，立柱间的距离为2米。

本实施例的具体试验过程中，首先进行钢结构活动房架的安装固定，将活动房架固定安装于水平的试验场地,因活动房在实际安装使用中，可能是独立的单间用房，也可能是多间并列联排使房，所以根据实际需求，在活动房架的两侧可以并排固定布置同尺寸的活动房结构，也可以单独针对此独立的试验用房进行试验检测，活动房架的固定形式也可以根据实际需要适当变化调整，但在试验过程中，为了方便布置加载装置和检测器件，试验用活动房架的迎风侧和背风侧需预留加载装置的安装空间，试验用活动房架的顶部配有吊装机构。

安装活动房架时需确定活动房架抗风试验时的迎风侧和背风侧，以便于后序向迎风侧和背风侧各受力支柱2分别施加等效静载荷，如图1的所示，确定试验时活动房架的迎风侧和背风侧，在背风侧设置横向风载模拟加载装置，用于向各活动房架迎风侧和背风侧的各立柱3分别施加水平方向的模拟风载，在活动房架顶部设置风吸力模拟加载装置1以便于像房架的各受力斜梁2施加向上的等效吸力静载。本实施例中，横向风载模拟加载装置包括风载分配支架4、模拟等效风载的配重块7和连接配重块7与施力点的吊索4，为便于悬挂配重块7，风载分配支架5上设有若干用于吊索5绕接的支承轮6，吊索4一端与对应的支柱3上的受力点连接，为便于施力点吊索的连接，在受力点处点焊固定金属环吊，吊索4绕经支承轮6后另一端悬吊连接与抗风等级等效和配重块7，为确保受力点的等效力准确，各支承轮6与对应的受力点之间的吊索5水平设置并与模拟的风向平行。

本实施例中的风载分配架采用足够强度的型钢焊接或栓接固定连接而成的多层框架结构，每层高度对应的施力点高度上通过支承杆件安装相应数量的支撑轮6，同时为便于区分加载迎风侧和背风侧各支柱2，每层框架结构的前侧对应安装迎风侧的支撑轮6，每层框架结构的后侧对应安装背风侧的支撑轮6，加载配重块7时分别连接吊索进行加载；另外为防止加载过程中风载分配支架受力向房架方向移动，在风载分配架靠近房架侧的底侧设置若干根水平抵靠杆8，使水平抵靠杆8的一端与房架的背风侧的支柱底侧抵靠，另一端与风载分配架的底侧对应的部件抵靠。这样就完成横向风载模拟加载装置的安装固定。

接着，在活动房架顶部吊运调试风吸力模拟加载装置1，本实施例中的风吸力模拟加载装置如图2所示，包括与活动房架屋脊上下平行对应的主杆，主杆上分别垂直连接有与活动房的各斜梁2分别上下对应的水平的上支杆101，上支杆101对称分布于主杆长度方向的两侧，主杆和上支杆101的组合结构的重心上方设有吊环102，吊环102通过起吊机构施加起吊力，为便于测量起吊力，在吊环102与起吊机构的连接处可以设置拉力计，以测量起吊机构的起吊力，上支杆101外端分别转动吊装有下支杆103，该下支杆与上支杆的外端部可以通过互锁的钩环进行活动连接，或通过铰接结构进行连接，下支杆103下端分别垂直连接有分配杆104，下支杆103下端与分配杆104长度方向的中心固定，分配杆104两端用于与各斜梁2长度方向的相应位置固定，分配杆104长度方向的中心与斜梁2长度方向的中心对应，本实施例中，为便于通过分配杆对斜梁均匀分配加载力，分配杆与斜梁连接的施力点分别位于距斜梁中心为斜梁总长的四分之一的位置，这样同一根斜梁上的加载力平均分配到两个施力加载点上，通过起吊机构的起吊同时对各斜梁进行均匀等量的加载。

完成加载装置的布置后，再在各设定的受力支柱侧向分别固定安装位移传感器9，本实施例中使用的位移传感器为市售的YHD-20型位移计，用于检测各支柱3沿受力方向的位置，每个受力支柱3中至少在上、中、下的侧向分别布置三个位移传感器，检测同一支柱各位移传感器可以通过一个落地的固定支架9固定安装，各传感传感器与对应的固定支架9的固定可以采用适宜的夹具，例如，可以使用磁性夹具固定装夹，并使传感器的探头抵靠支柱的检测位置。对于房架顶部的斜梁也同样在房架内部设置固定支架10以布置检测顶部各斜梁和屋脊的端点和中点竖直方向的位移。上述各位移传感器9检测的位移值可以施力后直接读数记录。接下来布置应变检测点，在各受力的斜梁和支柱的最不利受力位置也就是应变最大或最明显的位置布置用于内应变检测的应变片，本实施例，除在各支柱和斜梁位移检测点对应的部位的合适侧布置应变片外，在同一部件的两相邻的位移传感器之间合适侧再增设一应变片进行内应变的检测，各应变片与检测部位之间通过导电溶胶粘接贴合，并将与应变片与动态应变信号采集系统数据线连接，用于采集记录应变值。

完成上述加载装置和检测装置固定安装后，开始进行等效风加载试验，本实施例中，预定检测的活动房架的抗风性能等级最高这12级风，从7级风开始逐级加载，根据本实施例中活动房的结构尺寸，首先确定各级风应的基本风压为:

w₀—基本风压(kN/m²)；

w₀按公式

其中，ρ为空气的密度，

风载为7级风(取v＝14.6m/s)时，w₀＝0.137kN/m²；

风载为8级风(取v＝20.6m/s)时，w₀＝0.274kN/m²；

风载为10级风(取v＝25.2m/s)时，w₀＝0.411kN/m²；

风载为11级风(取v＝29.1m/s)时，w₀＝0.548kN/m²；

风载为12级风(取v＝32.6m/s)时，w₀＝0.685kN/m²；

迎风侧和背侧的负的等效风载荷按wk＝β_zμ_sμ_zw₀分别换算如表1所述：

表1

按表1计算得各立柱的的施力点等效加载的配重块重量及风吸力加载装置对房架的总吊装力如表2所述：

表2

将表2的加载力圆整为整数量级的力如表3

按表3的加载量从7级风载开始通过横向风载模拟加载装置向各与迎风侧和背风侧的各支柱施力点连接的吊索从低风级向高风级分级施加相应重量的一块或多块配重块，每加一级水平模拟风载后再通过风吸力模拟装置从活动房架的顶侧分别向各受力梁施加一级向上的风吸力模拟载荷，然后静止10～30min，再分别读取并记录各位移传感器检测的位移量和各应变测量点的检测的应变量,完成一级风级的加载检测；反复加载和测量，直到完成12级风的等效加载和测量。

将上述加载检测过程测得的位移和应变参数按统计学方法，筛选出显著位移和应变的位置。

如图4所示的两枷房架的显著位移位于跨中间的D1、D2、D3、D4、D5的位移检测点加载过程中的位移变化曲线如图5所示。

如图6a和6b分别为两枷房架的跨中间和两端的钢架结构各显著的应变检测点，如图7a为图两端的各支柱的的应变变化曲线，图7b所示为跨中的各支柱的应变点的变化曲线。

图8a和b分别为跨中间和两端的房架顶部各应变点的变化曲线。

根据上述检测参数的统计结果，在风荷载的作用下，结构最大位移为8mm，位于背风侧跨中间的支柱的顶部；支柱的最大应变为1800，位于跨中间的支柱的柱脚。屋架顶的上最大应变为1839，位于房架顶部的下弦位置。上述位移量和内应变量均在钢结构设计规范允许的范围内，并且位移和内应变对房架整体结构未造成损伤，加载撤消后变形均可恢复。

Claims (7)

1.一种双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，所述双坡屋面活动房屋的钢结构主体房架包括迎风侧和背风侧设置的若干立柱，迎风侧和背风侧各立柱顶部分别连接有水平横梁，水平横梁的上侧连接斜梁，所述风载模拟试验方法包括如下步骤：

（1）将钢结构主体房架固定安装于水平的试验场地；

（2）确定试验时钢结构主体房架的迎风侧和背风侧，在背风侧设置横向风载模拟加载装置，用于主体房架的各立柱施加水平方向的模拟风载，在主体房架的顶部设置风吸力模拟加载装置用于向主体房架顶部的受力梁施加等效的吸力静载；其中，所述横向风载模拟加载装置包括风载分配支架、模拟风荷载的配重块和连接配重块与施力点的吊索，每根待加载的立柱沿高度方向均匀设置若干加载施力点，所述风载分配支架上设有若干与加载施力点对应的支承轮，所述支承轮用于绕接吊索，所述吊索一端与加载施力点连接，所述吊索绕经支承轮后另一端悬吊连接所述配重块，所述支承轮与对应的受力点之间的吊索水平设置并与模拟的风向平行；

（3）设置并安装连接用于检测各受力的梁和柱位移量的位移传感器和用于检测各梁柱内应变的应变测量仪；

（4）通过横向风载模拟加载装置向各迎风侧和背风侧的各立柱分级施加水平模拟风载F，每加一级水平模拟风载后再通过风吸力模拟装置从主体房架的顶侧分别向各受力斜梁施加一级向上的风吸力模拟载荷F_吸，然后静止10～30min，再分别读取并记录各位移传感器检测的位移量和各应变测量点的检测的应变量,完成当前风级的加载检测；

（5）重复步骤（4）的过程分别逐级增加水平模拟风载F和风吸力模拟载荷F_吸进行加载检测，直至完成设定的最高抗风级别的加载和检测过程；

（6）统计记录不同强度风级时各受力梁柱的位移量和应变量，以判定主体房架的显著位移位置、显著应变位置及抗风薄弱部位以便于为房架的抗风改进设计提供参考。

2.根据权利要求1所述的双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，所述斜梁与水平方向的斜角为15°～30°；所述风吸力模拟加载装置通过向上起吊力分别对活动房架顶部的各斜梁施加等效的风吸力模拟静载荷。

3.根据权利要求2所述的双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，其特征在于，所述风吸力模拟加载装置包括与主体房架的屋脊上下平行对应的主杆，所述主杆上分别垂直连接有与主体房架的各斜梁分别上下对应的水平的上支杆，所述上支杆对称分布于主杆长度方向的两侧，所述主杆和上支杆的组合结构的重心上方设有吊环，所述吊环通过起吊机构施加起吊力，所述上支杆外端分别转动吊装有下支杆，所述下支杆下端分别垂直连接有分配杆，所述下支杆下端与分配杆长度方向的中心固定，所述分配杆两端用于与各斜梁长度方向的相应位置固定，所述分配杆长度方向的中心与斜梁长度方向的中心对应。

4.根据权利要求1或3所述的双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，其特征在于，所述主体房架的迎风侧和背风侧的各立柱上加载施力点均匀布置有3～5点，所述风载分配支架上与每个加载施力点正对的同高度位置均设置有所述支承轮；所述迎风侧、背风侧和房架顶对应的各风载加载面的等效风载按如下公式计算：

；

式中

wk—风荷载标准值(kN/m²)；

—高度z 处的风振系数，取β _z ＝1.0；

μ _s —风荷载的体型系数，对于双坡屋面房的主体房架的体型系数中，迎风侧取μ _s =0.8；背面侧取μ _s =0.5；坡屋面的顶面，当屋面坡度α≤15º时，取μ _s =—0.6，当15º<α≤30º时， μ _s =0.04α—1.2；

—风压高度变化系数，取μ _z ＝1.09；

w ₀ —基本风压(kN/m²)；

w ₀ 按公式

，其中，

风载为7级风时，取v ₀ ＝14.6m/s，w ₀ ＝0.137 kN/m²；

风载为8级风时，取v ₀ ＝20.6 m/s，w ₀ ＝0.274 kN/m²；

风载为10级风时，取v ₀ ＝25.2 m/s，w ₀ ＝0.411 kN/m²；

风载为11级风时，取v ₀ ＝29.1 m/s，w ₀ ＝0.548 kN/m²；

风载为12级风时，取v ₀ ＝32.6 m/s，w ₀ ＝0.685 kN/m²；

迎风面或背风面的加载面不同位置单根立柱分担的等效静载荷按如下方法计算：

f=wk·s1/n，其中， s1为迎风面或背风面的正面积，边侧的每根立柱分担的等效静载荷F=f，边侧之间的每个单根立柱分担的等效静载荷取值为F=2f；

主体房架顶部的同一坡屋面内各斜梁分担的等效总载荷为F_吸= wk·s2，s2为加载的坡屋面的正面积；

立柱上各施力点的分别加载的配重块重量G1=单根立柱等效静载荷F÷每根立柱的施力点数量。

5.根据权利要求4所述的双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，其特征在于，所述风吸力模拟载荷F_吸为单侧坡屋面的加载力，F_吸= wk·s，其中，s为单侧坡屋面的面积，通过风吸力模拟加载装置向上起吊均匀分担施加于房架顶的各斜梁上，所述风吸力模拟加载装置通过起吊机构向主杆加载的总的力为F_吊=2F_吸·cosα+风吸力模拟加载装置重量。

6.根据权利要求1所述的双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，其特征在于，步骤（3）中，各受力的斜梁或立柱的端侧和中心均设有用于检测沿受力方向位移量的位移传感器，并且各位移传感器分别通过固定支架固定安装于便于检测的位置。

7.根据权利要求1所述的双坡屋面活动房屋风载模拟试验方法，其特征在于，步骤（3）中，各梁柱的内应变检测点布置于各梁柱最不利的受力应变位置。

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