CN114970272B - 一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法和装置，方法包括：在一次台风过程中在实测房屋屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列；分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系；统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值。通过本发明计算得到的金属屋面损伤结果介于采用实测风压时程和LHL加载序列计算的结果之间，在保证安全性的前提下避免了过于保守，计算结果更为合理；该等效荷载循环序列符合我国东南沿海台风荷载特征并能够反映实际结构风压分布特征的，因此本发明非常适用于我国东南沿海台风多发地区。

Description

一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法和装置

技术领域

本申请涉及金属屋面系统技术领域，特别是涉及一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法和装置。

背景技术

金属屋面系统以其轻质高强、造型独特且灵活等优点被广泛应用于各类工业建筑、体育馆、机场航站楼、火车站等大跨度结构围护系统中。但由于台风荷载作用下金属屋面板产生应力变化可能导致疲劳损伤积累，甚至产生破坏，从而影响使用和安全。针对金属屋面在脉动风作用下的抗疲劳效应分析和检测是大跨度金属屋面系统抗风设计的重要环节，而等效荷载循环序列(ELCS)是进行金属屋面风致疲劳评估的重要基础数据。

DABM标准疲劳测试序列采用10000次以设计风荷载为标准幅值的循环，但该序列的恒幅循环没有体现热带气旋的风荷载分布特征。Melbourne直接根据每小时风压均值和均方根定义等效加载循环序列，该序列等效于50年重现期内最大设计风速下1小时随机风荷载，并建议将每小时5000次循环的等效加载序列重复3次用以近似模拟热带气旋荷载。Jancauskas等结合风洞测压试验和循环加载测试方法对波纹状金属屋面在一场模拟热带气旋作用下的疲劳损伤特性进行研究并统计屋面板损伤积累情况，将计算结果与TR440的低高三级加载序列试验结果对比。Mahendran对澳大利亚历年低矮房屋风致破坏进行研究总结，提出在大风作用下，屋面板常常因为连接部位强度不足或风致疲劳而破坏，作者进一步对各国规范中等效荷载循环序列进行研究总结，并根据典型房屋模型风洞试验测压数据和一场具有代表性的模拟台风风速、风向数据，提出以3s阵风为单个波动动态加压周期的LHL四级荷载循环序列用以模拟台风作用，这是已有疲劳测试序列中最接近实际情况的ELCS。Henderson等采用静态加载、循环加载和模拟热带气旋加载方式对金属屋面板抗风承载力和低周疲劳性能进行研究，指出循环荷载的峰值和其对应幅值是疲劳裂纹产生和发展的主要决定因素，当循环荷载大于屋面板局部塑性变形荷载时，疲劳寿命显著降低。Rocha等采用结构数值分析和实测飓风风压数据，对飓风作用下屋面板可靠性进行评估，提出有限元分析可采用隐式静力学计算进行简化。Ji等基于风洞试验数据，提出一种针对金属屋面风致损失的概率分析方法，并利用 Copula函数研究风荷载相关性对屋面损失结果的影响。Huang等提出了一种考虑屋面风荷载相关性的屋面板风致损伤估算方法，指出忽略风荷载相关性将低估屋面板损伤风险。Huang等针对大跨度干煤棚结构风致疲劳破坏问题进行研究，基于风洞测压试验结果，并结合疲劳累积理论，在考虑风速风向联合分布的条件下运用数值方法统计干煤棚网架及结构球节点疲劳损伤程度。

其中，现有最接近实际情况的ELCS只是采用风洞测压试验数据和模拟得到的台风风速、风向数据分析得到的屋面风压时程数据。由于模型试验和足尺原型实测结果差异和台风的地域性差异，这些模拟数据和实际台风作用下实际足尺屋盖结构的风压分布会存在不能忽略的差距，因此已有的台风等效荷载循环序列并不能完全适用于我国东南沿海台风多发地区。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，提供一种能够适用于我国东南沿海台风多发地区的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法和装置。

第一方面，一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，包括：

步骤S1，在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列；

步骤S2，分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取所述疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系；

步骤S3，统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在所述台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值的估算结果。

可选地，步骤S1所述实测得到风压时程数据，具体是通过设置在所述实测房屋的屋面的多个风压传感器测量得到的。

进一步可选地，所述实测房屋为位于吴川市电城镇的足尺低矮房屋；所述实测房屋的长、宽、高尺寸分别为6m、4m、4m。

进一步可选地，步骤S1所述计算获取台风等效荷载循环序列具体包括：

通过雨流统计法，统计测量得到的风压时程数据中不同幅值和均值下的循环次数；

将风压时程数据中的风压幅值和均值分别划分为10个级别，形成10×10 的风压雨流矩阵，以对风压时程数据进行简化，并统计每个区间的循环次数；

统计所述风压雨流矩阵中的非零风压荷载区间，将各个非零风压荷载区间的平均最大风压荷载与测量得到的所述台风过程中的最大风压值的比率，定义为荷载比率；

将所述风压雨流矩阵中的所有非零风压荷载区间按照相应荷载比率统计对应循环次数，并将所述风压雨流矩阵简化为四级荷载序列；

根据线性损伤法则对所述四级荷载序列中的各荷载比率区间的疲劳寿命循环次数进行等效换算，并生成台风等效荷载循环序列。

进一步可选地，所述四级荷载序列包括0-0.4的荷载比率区间、0.4-0.6的荷载比率区间、0.6-0.8的荷载比率区间以及0.8-1.0的荷载比率区间。

可选地，步骤S2所述待估算金属屋面板为YX35-760型自攻螺钉金属屋面板。

进一步可选地，所述步骤S2具体包括：

以所述YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为原型，通过通用有限元软件，建立九组不同檩距的单波宽两跨屋面板的有限元模型；

对于每一组有限元模型，提取螺钉孔周围预设范围内应力最大的节点作为疲劳热点；

采用von Mises等效应力作为疲劳损伤计算应力，经分级加载计算后获得九组有限元模型的疲劳热点处的应力和风压荷载之间关系。

进一步可选地，所述通用有限元软件为ANSYS软件；在每组所述有限元模型中，金属屋面板采用shell181单元，金属屋面板材料采用双线性模型，垫片与螺钉头采用solid185单元，橡胶垫片采用Mooney-Rivlin模型，螺钉孔部位加密网格形成网格加密带，垫片与金属屋面板之间和垫片与螺钉头之间均采用绑定接触；所述螺钉孔周围预设范围为螺钉孔周围第一圈单元和第二圈单元。

进一步可选地，所述步骤S3具体包括：

对每组所述有限元模型加载所述台风等效荷载循环序列，台风等效荷载循环序列的测试风压为实测得到的风压时程数据中的最大风压值；

获取每组所述有限元模型对应的疲劳热点处的应力变化历程；

结合材料S-N曲线、Goodman公式和Miner线性损伤积累法则统计出每组有限元模型的疲劳热点位置的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板在不同檩距下的疲劳损伤积累值的估算结果。

第二方面，一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置，包括：

台风等效荷载循环序列生成模块，用于在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列；

荷载应力关系获取模块，用于分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取所述疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系；

疲劳损伤积累值统计模块，用于统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在所述台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值的估算结果。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到已有的台风等效荷载循环序列并不能完全适用于我国东南沿海台风多发地区；本发明所提供的一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法中，通过在一次台风过程中，在位于东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，提出一种新的等效荷载循环序列，进而通过统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在该台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，来估算得到待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值；通过本申请所提供的估算方法计算得到的金属屋面损伤结果介于采用实测风压时程和LHL加载序列计算的结果之间，在保证必要的安全性的前提下避免了过于保守，计算结果更为合理；该新的等效荷载循环序列是基于我国东南沿海一场典型台风风压时程实测数据，提出的符合我国东南沿海台风荷载特征和反映实际结构风压分布特征的等效荷载循环序列；以该序列为基础，应用限元方法和Miner疲劳线性积累损伤理论建立了金属屋面风致疲劳损伤的估计方法；因此本申请所提供的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，在具有一定准确性的同时，是非常适用于我国东南沿海台风多发地区的。

附图说明

图1为本发明一个实施例中材料S-N曲线的示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例中实测房屋屋面的风压测点示意图；

图4为本发明一个实施例中实测得到的风压时程数据图；

图5为本发明一个实施例中形成的风压雨流矩阵示意图；

图6为本发明一个实施例中YX35-760型金属屋面板的尺寸示意图；

图7为本发明一个实施例中金属屋面板边界条件设置示意图；

图8为本发明一个实施例中金属屋面板应力分布示意图；

图9为本发明一个实施例中不同檩距下金属屋面板的荷载应力关系示意图；

图10为本发明一个实施例中屋面试件构造及观测螺钉布置示意图；

图11为本发明一个实施例中金属屋面风致疲劳的破坏过程示意图；

图12为本发明一个实施例中屋面损伤数值分析和试验结果的比较示意图；

图13为本发明一个实施例提供的一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置的模块架构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，该方法的基础原理是疲劳分析方法，下文首先对疲劳分析方法的相关知识进行介绍：

对于材料或结构需要建立荷载与疲劳寿命之间的关系，来估算其疲劳寿命。通过试验可得循环荷载和其对应循环次数之间的关系曲线称为S-N曲线，S-N 曲线数学表达式为：

NS^m＝K (1)

式中，N表示在某一给定应力S作用下，构件发生破坏时经历的循环次数； m和K为材料参数。对公式(1)两边取对数可得对数形式的材料S-N曲线，该曲线的一个示意图如图1所示：

lgN＝a+b·lgS (2)

式中a和b为材料常数，可参考文献《热像法和能量法快速评估Q235钢的疲劳性能》中的取值。

根据材料的S-N曲线，构件在k个应力幅Si作用下，各经受ni次循环后，其总损伤为：

当D＝1时，结构就会发生疲劳破坏。

S-N曲线评估材料的疲劳性能，通常是在应力比R＝-1，即均值S_m＝0的情况下通过试验得到的。由于通常结构受到的应力循环的均值S_m不为0，因此通常采用如下的Goodman公式进行修正：

式中，S_a为非零均值时应力幅，S_-1为零均值时应力幅，S_m为平均应力，S_u为材料抗拉强度。

雨流统计法又称为“塔顶法”，广泛应用于结构疲劳性能研究中，通过将应力时程或荷载时程进行逐个计数划分为若干循环，用以进行疲劳寿命计算或编制疲劳试验荷载谱。利用该方法可以得到某应力时程下各应力幅和其对应的平均应力出现的次数。统计所有应力幅和应力均值后，采用Goodman法则修正应力幅，结合材料S-N曲线和疲劳累积理论可得结构在某应力时程下的累积疲劳损伤。

进一步地，如图2所示，该台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法包括以下步骤：

步骤S1，在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列。

其中，步骤S1所选取的台风过程为我国东南沿海的一场典型台风Chanthu。 2010年7月19日，201003号台风Chanthu在中国香港东南约900公里处海域内生成并向西北方向移动，7月20日加强为热带风暴转为向西移动，当晚增强为强热带风暴；7月21日恢复西北向移动并增强为台风；7月22日下午13时 45分台风Chanthu在广东省吴川市附近登陆，当晚减弱为强热带风暴。

台风实测过程是通过实测房屋的屋面设置的风压传感器和风速仪对实测房屋周边的风场进行监测，来获取台风的风压信号以及风速和风向的。

具体来说，实测房屋为位于中国华南沿海地区的足尺低矮房屋，其具体位于吴川市电城镇附近海边，经纬度为北纬20°40′、东经111°30′。实测房屋长、宽、高尺寸为6m×4m×4m，平屋面设置排水坡度为2％。实测房屋的屋面布设有多个风压传感器，实测房屋的屋面风压测点位置如图3所示，图3中的小圆圈即为设置风压传感器的地方。另外，螺旋桨式风速仪安装在实测房屋附近距离地面4m、7.5m、10m高度处，超声波风速仪安装在距离地面10m高度处。

在这次台风实测过程中，实测房屋10m处的超声波风速仪测量显示台风 Chanthu最大瞬时风速达到41.4m/s，10min最大平均风速为30.3m/s。测点12 处风压时程为屋面测点中最大，台风期间记录最大风压为-4.24kPa，其中 8:00-13:00期间风压最大，此次实测的8:00-13:00期间的风压时程数据如图4 所示。

进一步地，步骤S1所述计算获取台风等效荷载循环序列具体包括：

步骤S1A，通过雨流统计法，统计测量得到的风压时程数据中不同幅值和均值下的循环次数。

其中，雨流统计法又称为“塔顶法”，广泛应用于结构疲劳性能研究中，通过将应力时程或荷载时程进行逐个计数划分为若干循环，用以进行疲劳寿命计算或编制疲劳试验荷载谱。利用该方法可以得到某应力时程下各应力幅和其对应的平均应力出现的次数。

步骤S1B，将风压时程数据中的风压幅值和均值分别划分为10个级别，形成10×10的风压雨流矩阵，以对风压时程数据中的风压幅值和均值进行简化，并统计每个区间的循环次数。

对图4所示的风压时程进行简化形成的风压雨流矩阵如图5所示，该矩阵由不同风压幅值区间和均值区间组合的循环次数组成，幅值区间和均值区间均以幅值和均值与台风作用下最大风压值(即上述的-4.24kPa)的比率表示。

步骤S1C，统计所述风压雨流矩阵中的非零风压荷载区间，将各个非零风压荷载区间的平均最大风压荷载与测量得到的所述台风过程中的最大风压值的比率，定义为荷载比率。

风压时程经过雨流统计并简化划分后仍较复杂，不便用于工程测试中，因此仍需对矩阵进行进一步简化。Mahendran对金属屋面疲劳性能研究并指出，最大荷载和最大荷载幅值比荷载均值对金属屋面疲劳性能影响更为显著。图5 中共有24个非零风压荷载区间，定义各区间平均最大风压荷载与台风作用下最大风压值的比率为荷载比率。

步骤S1D，将所述风压雨流矩阵中的所有非零风压荷载区间按照相应荷载比率统计对应循环次数，并将所述风压雨流矩阵简化为四级荷载序列。

将图5所示的风压雨流矩阵按照各区间荷载比率统计对应循环次数，再进一步将其简化为四级荷载序列。四级荷载分别为最大风压值的0.4、0.6、0.8 和1.0倍，将图5中荷载比率为0-0.4区间荷载循环分配给0-0.4级荷载循环，荷载比率为0.4-0.6区间荷载循环分配给0-0.6级荷载循环，荷载比率为0.6-0.8 区间荷载循环分配给0-0.8级荷载循环，荷载比率为0.8-1.0区间荷载循环分配给0-1.0级荷载循环，并确保四级荷载序列与图5中非零风压荷载块分布特征近似。

步骤S1E，根据线性损伤法则对所述四级荷载序列中的各荷载比率区间的疲劳寿命循环次数进行等效换算，并生成台风等效荷载循环序列。

其中，线性损伤法则假定变幅荷载单个循环产生的损伤值可由疲劳寿命方程和Miner线性法则计算，假设组成风荷载时程的单个循环造成的损伤可以线性累加，不同循环间相互独立，不会相互影响延缓或加速损伤累积。由式(1) 可得疲劳等效计算法则为：

N_S＝N_c(S_c/S_s)^m (5)

式中，S_s为简化后的荷载循环应力幅值，S_c为台风雨流矩阵中荷载循环应力幅值，m为材料S-N曲线参数，N_c和N_S分别为对应S_c和S_s应力幅值时疲劳寿命循环次数。对于不同屋面材料S-N曲线并不相同，Mahendran指出m取值一般为2或3，对于台风等效循环序列m取值为1更保守。根据式(5)对各区间疲劳寿命循环次数等效换算，然后将相同荷载级别循环次数累加，按照上述方法进一步生成的台风等效荷载序列如表1所示。

表1台风等效荷载循环序列

表中P为测试风压，以设计风压为基准乘以相应保证系数。

步骤S2，采用有限元方法分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取所述疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系。

其中，待估算金属屋面板具体为YX35-760型自攻螺钉金属屋面板；以 YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为例，步骤S2具体包括：

步骤S21，以YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为原型，通过通用有限元软件，建立九组不同檩距的单波宽两跨屋面板的有限元模型；

具体来说，对于压型金属屋面，Xu建议可通过两跨屋面板对其抗风性能进行研究，同时Xu指出当屋面很大时，屋面板之间的搭接缝对于其抗风性能的影响不大，可把屋面当作为一个无限大连续板处理。Henderson提出压型屋面板系统抗风性能研究可通过均布加压方式模拟风荷载作用。

在此步骤中，是采用通用有限元软件ANSYS以YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为原型建立单波宽两跨屋面板有限元模型的。其中，YX35-760型自攻螺钉金属屋面板的具体尺寸如图6所示，根据板材拉伸试验结果，该YX35-760型自攻螺钉金属屋面板的材料参数如表2所示，有限元分析采用分级加载方式。

表2屋面板材料信息

建立檩距为600mm至1000mm的9组有限元模型，檩距取值分别为600mm、 650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm、950mm和1000mm。在建立的每组有限元模型中，金属屋面板采用shell181单元，垫片与螺钉头采用solid185单元，金属屋面板材料假设为理想弹塑性材料，采用双线性模型，橡胶垫片采用Mooney-Rivlin模型；螺钉孔部位加密网格形成网格加密带，垫片与金属板之间和垫片与螺钉头之间均采用绑定接触，边界条件设置如图7所示。

步骤S22，有限元软件ANSYS的分析结果显示应力较大处位于螺钉孔附近单元节点，因此，对于建立的每一组有限元模型，提取螺钉孔周围预设范围内应力最大的节点作为疲劳热点，螺钉孔周围预设范围即螺钉孔周围第一圈单元和第二圈单元。

步骤S23，采用von Mises等效应力作为疲劳损伤计算应力，金属屋面板的应力分布如图8所示，后续疲劳分析采用疲劳热点处应力进行统计；经分级加载计算后，获得九组不同檩距的有限元模型的疲劳热点处的应力和风压荷载之间关系，如图9所示。

步骤S3，统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在如表1所示的台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值的估算结果。

步骤S3具体包括：

步骤S31，对上述的九组有限元模型加载如表1所示的台风等效荷载循环序列，台风等效荷载循环序列的测试风压为实测得到的风压时程数据中的最大风压值；

步骤S32，获取每组有限元模型对应的疲劳热点处的应力变化历程；

步骤S33，结合材料S-N曲线、Goodman公式和Miner线性损伤积累法则统计出每组有限元模型的疲劳热点位置的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板在不同檩距下的疲劳损伤积累值的估算结果。

举例来说，对于檩距为600mm、800mm、1000mm的三组有限元模型，对三组屋面系统加载实测台风风压时程，根据有限元计算结果获得对应疲劳热点处应力变化历程，结合雨流统计法、材料S-N曲线、Goodman公式和Miner 线性损伤积累法则统计实测台风风压时程作用下屋面板疲劳损伤值；同时，对三组屋面系统加载本申请所提供的台风等效荷载循环序列和LHL分级加载序列，设计风压P取值为实测台风风压时程最大风压值4.24kPa，根据有限元计算结果获得对应疲劳热点处应力循环，结合材料S-N曲线、Goodman公式和 Miner线性损伤积累法则分别统计屋面系统疲劳损伤值。三种加载方式下的疲劳损伤计算结果如表3所示。

表3屋面疲劳损伤值统计结果

由表中计算结果可知，和采用台风Chantu实测的风压时程进行计算相比，采用LHL序列加载计算得到的损伤结果偏于保守，而本申请提供的依据台风等效荷载循环序列的计算结果介于两者之间。因此本申请所提供的方法可以说是在兼顾了安全性的同时又避免了计算过于保守，从而估算结果相比依靠现有的加载方式更为合理。

为进一步验证本实施例所提供的方法的有效性，针对实际节段金属屋面系统开展了等效循环荷载作用下的动态空气压力箱试验，考察在不同风压标准值 ELCS荷载作用下不同檩距屋面板的疲劳损伤情况，并和相应的数值模拟分析结果进行对比。

测试所采用的试验设备由试验箱体、风压提供装置和压力测量控制装置三部分组成。测试箱体的平面尺寸为3070mm×2130mm，检测仪器设备为 KFJC-006型流动抗风检测试验机，

试验仍采用YX35-760自攻螺钉系统金属屋面板，板材为镀锌压型彩钢板，材料参数如表2。紧固件采用ST5.5×65六角自攻钉带垫片，檩条为C150×65×13×2.0。分别取檩距为600mm、800mm和1000mm，考虑檩距变化对疲劳损伤影响。屋面试件构造及观测螺钉布置如图10所示。

试验的加载过程如下：

参考台风风压时程分布，以3s为一个动态风加载周期模拟阵风作用，具体加载方式参照表1；测试金属屋面试件在动态循环风压作用下的疲劳性能。

(1)动态加压周期包括压力上升和下降，压力上升时间应≤2s，下降时间应≤1s，单个波动周期应≤3s。

(2)动态风压试验应以设计风压P为基准。

(3)参照表1动态风荷载加压比例表载入比值，从阶段A开始，按顺序完成各阶段的试验，直至屋面板试件出现裂纹破坏或完成三轮动态加载。

按3s加载周期，完成照表1所定义的序列加载所需要的时间约7小时。

共实施两组参数的试验，A组采用固定檩距并改变测试的风压标准值分别为4.5kPa、3.6kPa(重复2次)和3.0kPa(重复2次)；另一组将测试风压标准值为 4.5kPa，檩距分别为600mm和800mm，两组工7个工况。将两组试验结果的破坏阶段汇总如表4所示。

表4试验结果汇总

试验观察不同风压及不同檩距对金属屋面疲劳损伤程度影响，通过试验过程观察记录发现，金属屋面风致疲劳破坏过程分为四个阶段，首先屋面系统试件由于往复循环加载作用螺钉孔径变大，无法形成完整有效约束；伴随继续加载，螺钉孔附近出现明显隆起变形；随后，最大变形处发展为裂纹；继续进行循环加载，螺钉孔附近产生多条裂纹并伴随加载过程逐渐加深合并为贯通裂缝，破坏过程如图11所示。

表4中的损伤估计为根据试验屋面发生破坏所处的循环阶段估计得到。其中，对檩距为1000mm的第I组工况，当P＝3.0kPa时，两次试验显示屋面板出现疲劳裂纹分别出现于第二轮加载的B和C阶段，由此可估算其首轮加载的损伤在0.5和1之间；当P＝3.6kPa时，两次试验中屋面板疲劳裂纹出现在首轮加载的G阶段中期和末期，依此可估计其首轮损伤值大致在1.0-1.3之间；当P＝4.5kPa时，屋面板疲劳裂纹出现在首轮加载的F阶段，可估计其单轮损伤值大致在1.0-2.0之间。第II组工况是给定P＝4.5kPa，考虑不同檩距的影响，当檩距为800mm时，屋面板疲劳裂纹出现在接近首轮加载的G阶段结束时，可估计其单轮损伤值约为1.0，而檩距缩短为600mm时，实施了3轮加载屋面板仍没有出现破坏，据此可判断单轮加载屋面板的损伤值不大于0.33，即其损伤范围为0-0.33。

针对表4的两种工况进行相应的数值分析并和试验结果进行比较见图12。由图12可知，数值分析结果与试验结果趋势一致，由于实际屋面板生产和安装过程存在不同程度初始缺陷，而数值模型建立过程未考虑初始缺陷问题，数值略小于试验结果。

采用来衡量两种方法的差别，对于第I组工况，图12a所示当加载风压设计值为分别为3.0kPa、3.6kPa和4.5kPa时，数值分析得到相应的损伤值分别为0.54、0.81和1.31，根据表4可以得到这3种荷载作用下的ε值的范围分别为19％-46％、19％-38％和-31％-34.5％。最后一组数为正负偏差，表示模拟计算值落在试验值的范围之内，显示数值模拟方法的有效性；注意到大部分偏差均为正值，且最大为46％，这意味着数值分析最大会低估46％的损伤值。根据表3所述的ELCS的加载的损伤值要远比实际风压时程直接加载的损伤值保守，本发明认为这个46％的偏差是可以接受的。

在风压设计值取为4.5kPa时，考察檩距对屋面损伤值的影响如图11(b)所示，当屋面檩距从1000mm依次缩短至800m和600mm时，采用数值模拟方法可得其损伤值可由原来的1.31分别降至0.61和0.15，可见适当缩短檩距可以有效降低屋面的损伤、提高整个屋面系统的抗风性能。换句话说，檩距对疲劳损伤程度有很大影响，通过适当加密檩距可有效提高屋金属屋面系统的抗疲劳性能、降低屋金属屋面系统的风损风险。

上述一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法中，通过在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，提出一种新的等效荷载循环序列，进而通过统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在该台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，来估算得到待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值；通过本申请所提供的估算方法计算得到的金属屋面损伤结果介于采用实测风压时程和LHL加载序列计算的结果之间，在保证必要的安全性的前提下避免了过于保守，计算结果更为合理。

该新的等效荷载循环序列是基于我国东南沿海一场典型台风风压时程实测数据，提出的符合我国东南沿海台风荷载特征和反映实际结构风压分布特征的等效荷载循环序列；以该序列为基础，应用限元方法和Miner疲劳线性积累损伤理论建立了金属屋面风致疲劳损伤的估计方法；因此本申请所提供的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，是非常适用于我国东南沿海台风多发地区的。

以YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为例，本申请实施例还采用本文方法估计了不同风压标准值作用下不同檩距屋面板的疲劳损伤程度并和实测风压时程、LHL序列进行对比，同时实施了同等工况的大型空气压力箱动态加载试验来校核数值分析的结果，对数值模拟和物理试验结果的差异进行了分析和讨论。通过空气压力箱动态加载试验进行多组工况疲劳试验，试验结果与数值计算结果较接近，证明本申请书实施例提供的数值计算方法具有较高准确性。

应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个本实施例中，如图13所示，提供了一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置，包括：

台风等效荷载循环序列生成模块131，用于在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列；

荷载应力关系获取模块132，用于分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取所述疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系；

疲劳损伤积累值统计模块133，用于统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在所述台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值的估算结果。

上述一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置中，通过在一次台风过程中，在位于东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，提出一种新的等效荷载循环序列，进而通过统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在该台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，来估算得到待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值；通过本申请所提供的估算方法计算得到的金属屋面损伤结果介于采用实测风压时程和LHL加载序列计算的结果之间，在保证必要的安全性的前提下避免了过于保守，计算结果更为合理。

该新的等效荷载循环序列是基于我国东南沿海一场典型台风风压时程实测数据，提出的符合我国东南沿海台风荷载特征和反映实际结构风压分布特征的等效荷载循环序列；以该序列为基础，应用限元方法和Miner疲劳线性积累损伤理论建立了金属屋面风致疲劳损伤的估计方法；因此本申请实施例所提供的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置，是非常适用于我国东南沿海台风多发地区的。

关于一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置的具体限定可以参见上文中对于一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法的限定，在此不再赘述。上述一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，涉及上述实施例方法中的全部或部分流程。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM 可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static RandomAccess Memory， SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM) 等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，其特征在于，包括：

步骤S1，在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列；

步骤S2，分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取所述疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系；

步骤S3，统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在所述台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值的估算结果；

步骤S1所述计算获取台风等效荷载循环序列具体包括：

通过雨流统计法，统计测量得到的风压时程数据中不同幅值和均值下的循环次数；

将风压时程数据中的风压幅值和均值分别划分为10个级别，形成10×10的风压雨流矩阵，以对风压时程数据进行简化，并统计每个区间的循环次数；

统计所述风压雨流矩阵中的非零风压荷载区间，将各个非零风压荷载区间的平均最大风压荷载与测量得到的所述台风过程中的最大风压值的比率，定义为荷载比率；

将所述风压雨流矩阵中的所有非零风压荷载区间按照相应荷载比率统计对应循环次数，并将所述风压雨流矩阵简化为四级荷载序列；

根据线性损伤法则对所述四级荷载序列中的各荷载比率区间的疲劳寿命循环次数进行等效换算，并生成台风等效荷载循环序列；

步骤S2所述待估算金属屋面板为YX35-760型自攻螺钉金属屋面板；所述步骤S2具体包括：

以所述YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为原型，通过通用有限元软件，建立九组不同檩距的单波宽两跨屋面板的有限元模型；

对于每一组有限元模型，提取螺钉孔周围预设范围内应力最大的节点作为疲劳热点；

采用vonMises等效应力作为疲劳损伤计算应力，经分级加载计算后获得九组有限元模型的疲劳热点处的应力和风压荷载之间关系；

所述步骤S3具体包括：

对每组所述有限元模型加载所述台风等效荷载循环序列，台风等效荷载循环序列的测试风压为实测得到的风压时程数据中的最大风压值；

获取每组所述有限元模型对应的疲劳热点处的应力变化历程；

结合材料S-N曲线、Goodman公式和Miner线性损伤积累法则统计出每组有限元模型的疲劳热点位置的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板在不同檩距下的疲劳损伤积累值的估算结果。

2.根据权利要求1所述的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，其特征在于，步骤S1所述实测得到风压时程数据，具体是通过设置在所述实测房屋的屋面的多个风压传感器测量得到的。

3.根据权利要求2所述的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，其特征在于，所述实测房屋为位于吴川市电城镇的足尺低矮房屋；所述实测房屋的长、宽、高尺寸分别为6m、4m、4m。

4.根据权利要求1所述的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，其特征在于，所述四级荷载序列包括0-0.4的荷载比率区间、0.4-0.6的荷载比率区间、0.6-0.8的荷载比率区间以及0.8-1.0的荷载比率区间。

5.根据权利要求1所述的台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算方法，其特征在于，所述通用有限元软件为ANSYS软件；在每组所述有限元模型中，金属屋面板采用shell181单元，金属屋面板材料采用双线性模型，垫片与螺钉头采用solid185单元，橡胶垫片采用Mooney-Rivlin模型，螺钉孔部位加密网格形成网格加密带，垫片与金属屋面板之间和垫片与螺钉头之间均采用绑定接触；所述螺钉孔周围预设范围为螺钉孔周围第一圈单元和第二圈单元。

6.一种台风作用下金属屋面风致疲劳损伤的估算装置，其特征在于，包括：

台风等效荷载循环序列生成模块，用于在一次台风过程中，在位于我国东南沿海台风多发地区的实测房屋的屋面实测得到风压时程数据，并计算获取台风等效荷载循环序列；

荷载应力关系获取模块，用于分析待估算金属屋面板在风荷载作用下的疲劳热点位置，并获取所述疲劳热点位置处的应力和风压荷载之间关系；

疲劳损伤积累值统计模块，用于统计待估算金属屋面板的疲劳热点位置在所述台风等效荷载循环序列作用下的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板的疲劳损伤积累值的估算结果；

所述计算获取台风等效荷载循环序列具体包括：

通过雨流统计法，统计测量得到的风压时程数据中不同幅值和均值下的循环次数；

将风压时程数据中的风压幅值和均值分别划分为10个级别，形成10×10的风压雨流矩阵，以对风压时程数据进行简化，并统计每个区间的循环次数；

统计所述风压雨流矩阵中的非零风压荷载区间，将各个非零风压荷载区间的平均最大风压荷载与测量得到的所述台风过程中的最大风压值的比率，定义为荷载比率；

将所述风压雨流矩阵中的所有非零风压荷载区间按照相应荷载比率统计对应循环次数，并将所述风压雨流矩阵简化为四级荷载序列；

根据线性损伤法则对所述四级荷载序列中的各荷载比率区间的疲劳寿命循环次数进行等效换算，并生成台风等效荷载循环序列；

所述待估算金属屋面板为YX35-760型自攻螺钉金属屋面板；所述荷载应力关系获取模块具体用于：

以所述YX35-760型自攻螺钉金属屋面板为原型，通过通用有限元软件，建立九组不同檩距的单波宽两跨屋面板的有限元模型；

对于每一组有限元模型，提取螺钉孔周围预设范围内应力最大的节点作为疲劳热点；

采用vonMises等效应力作为疲劳损伤计算应力，经分级加载计算后获得九组有限元模型的疲劳热点处的应力和风压荷载之间关系；

所述疲劳损伤积累值统计模块具体用于：

对每组所述有限元模型加载所述台风等效荷载循环序列，台风等效荷载循环序列的测试风压为实测得到的风压时程数据中的最大风压值；

获取每组所述有限元模型对应的疲劳热点处的应力变化历程；

结合材料S-N曲线、Goodman公式和Miner线性损伤积累法则统计出每组有限元模型的疲劳热点位置的疲劳损伤积累值，作为待估算金属屋面板在不同檩距下的疲劳损伤积累值的估算结果。