雪荷载作用下拆装式轻钢活动房屋力学性能研究

赵晓文，马正清，陈登杨，高加伦

(1.解放军32181部队，陕西 西安 710032； 2.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816； 3.扬州泰利特种装备有限公司，江苏 扬州 225100)

1 概述

临时建筑经过多年的发展，从传统的木棚、铁皮房、集装箱房到现在应用最广泛的轻钢活动房，逐步向标准化、集成化和系列化方向发展。与传统的临时建筑相比，拆装式轻钢结构活动房屋具有生产环保节能、组装运输方便、住用功能多元、使用寿命长久等特点，被广泛应用于军队野营及道路、铁路、市政等工程临时性用房保障。

目前，国内外研究者主要研究了拆装式轻钢活动房的力学性能及有限元计算分析。杨建江等[1]研究了集装箱组合房屋墙板在沿海气候条件下的抗风性能和抗剪性能，分别进行了抗风性能试验和抗剪性能试验。尹静等[2]对新型箱式集成房折叠单元进行了横向及纵向刚性试验。试验证明了箱式集成房的折叠单元有良好的纵横向刚度，能够满足运输过程中对集装箱的刚性要求。李强等[3-4]进行了活动房屋骨架与活动房整体的框架内力及变形雪荷载试验，通过骨架的弯矩、水平方向及竖向位移的变化来研究蒙皮板的加固作用。张俊峰等[5-6]进行了拆装式箱型活动房屋的水平纵向加载足尺模型试验，研究了其抗侧性能。申世元等[7]对大量用作临时房屋的轻钢结构拼装式房屋的现状进行了介绍，同时运用SAP2000，对这类房屋的力学性能方面和变形情况进行了分析。张东彬等[8]提出了新型折叠式活动房，利用ABAQUS软件建立有限元模型，对该结构的竖向受压承载力、水平承载力和抗震性能进行了计算分析。结果表明，活动房能满足作为临时性建筑的安全性要求。舒兴平等[9-10]采用通用的有限元程序ANSYS对节点性能进行了非线性有限元分析，讨论了节点各组成要素对节点性能的影响。

基于上述研究成果，考虑此类活动房在高海拔、寒冷地区等环境恶劣地区的使用需要。本文参考青藏高原地区积雪特性，其积雪厚度平均值为20 cm左右[11]，提出一种多模块多功能组合的双坡屋面拆装式轻钢结构活动房屋，通过对原型结构房屋进行10 cm～30 cm积雪厚度荷载影响下的力学加载试验，研究有无端部集装箱约束两种结构形式活动房屋的力学性能，并进行对比分析。为此类双坡屋面拆装式活动房的设计、建造和完善提供技术和应用支撑。

2 试验概况

2.1 活动房结构组成

本文提出的双坡屋面装配式活动房由两端的集装箱模块和中间的住用模块组成，如图1所示。其中住用模块是一种以轻钢为骨架，以铝合金夹芯板为围护材料，以标准模数系列进行空间组合，以螺栓连接的装配式结构，故在设计时可根据实际使用需求灵活布置开间数。两端的集装箱可以是卫生洗浴模块或撤收打包时的储存运输模块，展开使用状态下对住用模块活动房的承载性能也有一定的影响。墙体围护结构是由夹芯板、上包角、下包角组成，内外层铝合金板厚度大于0.5 mm，中间填充保温岩棉。本次活动房加载试验的住用模块选择两个开间，无集装箱时仅由横向三榀轻钢屋架承载，结构见图2(a)，有集装箱时将其用螺栓与端部钢架连接，结构见图2(b)。

2.2 试验加载方法

本次足尺试验目的是研究在10 cm～30 cm厚的雪荷载作用下，双坡屋面拆装式轻钢活动房屋的力学性能。考虑试验后样房能继续使用，故不进行破坏性试验，直接在原型结构上开展承载力试验。

2.2.1 雪荷载加载

本次试验采用直接重力加载法，利用不同层数的钢板模拟不同厚度的积雪荷载，根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范[12]，可求出不同积雪厚度时所对应的雪荷载标准值、加载顺序以及具体对应情况均见表1。为了使积雪荷载更加均匀，单个钢板尺寸宽度不宜过大，见图3(a)，施加时钢板沿屋脊两端对称布置并将两侧配重使用钢丝索进行连接防止滑落，见图3(b)。现场钢板细部和钢板加载，分别见图3(c)和图3(d)。

表1 雪荷载加载进程

2.2.2 试验测点布置

住用模块采用的是拆装式轻钢结构体系，因此准确测量轻钢屋架、柱、节点的位移是评估活动房安全性能和力学性能的关键。试验中位移传感器固定在活动房内搭设的脚手架上，位移测点均布置在房架上可能发生最大位移的位置以及对称位置，选择具有代表性的位移传感器进行标号，对称位置的位移传感器数值作为参考对照。采用YHD-20和BX120-5AA两种位移计以及选择DH3816动态应变信号采集系统。为了研究集装箱约束对轻钢骨架结构的承载影响，本次试验重点观测跨中钢架的位移变化情况，位移测点布置如图4所示。

应变测点要求能够准确地捕捉结构薄弱位置的内力变化和构件内力分布情况。屋面主梁、拉杆处、端部框架柱和跨中框架柱的上中下位置和荷载施加处分别设置应变测点，所有应变测点均内外对称布置。进行数据筛选之后，本文选取具有代表性的应变测点进行研究，应变测点主要布置在端部钢架和跨中钢架的坡面屋架和立柱上，共15个测点，见图5。现场试验测点布置见图6。

3 试验结果与分析

3.1 有集装箱约束的拆装式活动房屋试验结果与分析

不同积雪荷载下，住用模块的试验现象有所不同。在10 cm厚积雪荷载下，钢框架柱无明显变化，屋架下弦有微小鼓起。在20 cm厚积雪荷载下，边柱无明显变形，中柱柱顶有向两外边倾斜。在30 cm厚积雪荷载下，中柱柱顶向两外边微微倾斜，柱子本身无明显变化，屋面梁有微小弯曲变形。卸载后，结构构件恢复到原来位置，无残余变形和明显破坏点。

在集装箱的约束下，房屋骨架刚度较大，活动房整体无明显位移变形，但随着雪荷载的增加，住用模块的跨中钢架各个测点位移呈现出不同的变化趋势，如图7所示。在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，钢架柱顶(D1)的水平位移值分别为14.15 mm，27.65 mm，28 mm，立柱中部(D2)的水平位移值分别为13 mm，20.85 mm，20.00 mm，两个位移测点均在20 cm左右厚的积雪荷载下达到峰值，随着雪厚的增加无明显变化趋势；屋脊节点(D3)处受雪荷载的变化影响较小，竖向位移值保持在0.6 mm左右，在20 cm厚积雪荷载下达到最大值为0.89 mm，这是因为集装箱的布置，有效地限制了活动房的位移；屋架下弦杆(D4)的竖向位移随着雪荷载的增加而增加，加载初期就达到了53.46 mm，在30 cm厚积雪荷载下位移为60.83 mm，是所有测点中位移最大的，主要由于屋架下弦杆杆端与坡屋架相连，边柱不断向内倾斜，屋架下弦杆受到压力，导致其竖直向上的位移显著增加。屋架上弦杆(D5)在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，竖向位移分别为10.55 mm，11.1 mm，17.7 mm，随着积雪厚度的增加而增加，30 cm厚积雪荷载作用时增幅明显加快。

图8为不同厚度的积雪荷载作用下有集装箱拆装式活动房屋应变曲线。从图8(a)中可以看出，在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，住用模块端部钢架柱3个测点的应变值均随着荷载的增加而增大；其中钢架柱顶和柱底的应变值最大增幅分别为433.3%和70%；钢架柱中(SC2)在30 cm厚雪荷载(0.441 kN/m2)作用下，应变值为102 με，与10 cm厚雪荷载(0.147 kN/m2)影响相比，应变增加了5 000%，其原因可能是因为随着雪荷载的增加，柱子向外倾斜，柱子内侧不断受到拉应力，其值不断增大。从图8(b)中得出，住用模块跨中钢架各个测点的应变值在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，同样随着荷载的增加而不断增大；其中钢架柱顶和柱中变化幅度不大，在30 cm厚雪荷载(0.441 kN/m2)作用下达到最大值分别为58με和65με；钢架柱底的应变较大，以SC6测点为例，在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下应变值分别为898.15με，1 203.5με，2 018με，最大增幅为125%，这是因为跨中钢架承受大部分的荷载，导致跨中钢架柱底的应变较大。

从图8(c)，图8(d)中可以看出，在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，住用模块跨中和端部屋架坡面各个测点的应变值都较小，并且随荷载的增加变化幅度也不大，这是因为屋面板刚度较大，雪荷载被重新分配到屋脊和柱顶横梁上。但跨中屋架下弦杆中点的应变值呈快速增长趋势，在30 cm厚雪荷载(0.441 kN/m2)作用下显著增加，达到最大值2 002.5με；端部屋架下弦杆中点的应变值增长较为缓慢，最大值为655με，这是由于住用模块中部刚度大于端部刚度，产生了反拱现象。

3.2 无集装箱约束的拆装式活动房屋试验结果与分析

在有集装箱的拆装式活动房屋加载试验的基础上，去除集装箱后再对拆装式房屋进行雪荷载加载试验，屋架产生了微小扭转变形，可能是加载过程中有活荷载所产生的偏心导致。在加载过程中，到20 mm厚积雪荷载时，两边柱顶向外倾斜，屋架梁无明显变化，屋架下弦向上微微弯曲。

图9为不同厚度的积雪荷载作用下无集装箱拆装式活动房屋位移曲线，从图9中可以看出，在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，住用模块的位移受雪荷载的影响较大。钢架柱顶(D1)的水平位移值分别为2.7 mm，46.65 mm，49.15 mm，最大增幅为1 720%，钢架柱顶受雪荷载的影响较大，导致钢屋架不断向水平方向挤压钢架柱顶；钢架柱中(D2)的水平位移略有减小的趋势，初始位移为18.2 mm；屋脊节点(D3)处的竖向位移先增加后减少，在20 cm厚的积雪荷载下达到峰值为7.36 mm，位移方向与钢架柱顶相反，随着荷载继续加载，逐渐与柱顶位移方向一致，这可能是因为雪荷载加载先从迎风面开始，导致柱顶初始位移；屋架下弦杆(D4)与屋架上弦杆(D5)处的竖向位移基本对应相等，随着雪荷载的增加而小幅度增加，最大值均为30.3 mm。

从图10(a),图10(b)中可以看出，无集装箱的拆装式活动房屋住用模块端部钢架柱的所有测点以及跨中钢架柱顶和柱中两个测点，与有集装箱拆装式活动房屋所对应测点的应变值的变化趋势基本保持一致，随着雪荷载的增大而增加。无集装箱的拆装式活动房屋，在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，端部钢架柱底(SC3)处的应变增幅小但值较大，分别为161.97με，169.91με，174.97με；跨中钢架柱底处的应变变化趋势较为复杂，以SC6测点为例，在10 cm和30 cm厚积雪荷载作用下，柱底均受拉，应变值分别为365με和298.5με，当积雪厚度为20 cm(0.294 kN/m2)时，柱底受压，应变值为708με，这是由于在装载雪荷载时由于装配顺序，迎风柱柱底开始受拉，当荷载增加，跨中迎风柱主要受到来自上部的轴向压应力，柱底变为受压；当雪荷载达到最大值时，跨中迎风柱开始发生弯曲，向两边倾斜且向内弯曲，柱底内侧变为受拉，跨中柱主要承担雪荷载。

不同厚度的积雪荷载作用下无集装箱约束的拆装式活动房屋的屋架应变曲线参见图10(c)和图10(d)。在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，无集装箱的拆装式活动房的住用模块跨中屋架坡面和各个测点的应变值都较小，与有集装箱拆装式活动房屋所对应测点的应变值的变化趋势基本相同；跨中屋架下弦杆中点与跨中钢架柱底的应变变化趋势基本保持一致，先是受拉，后受压，最后再受拉。第一次受拉主要是框架结构中间刚度较两边大，中点向上变形，但整体趋势还是向压应变发展，当积雪厚度为20 cm时，压应变最大为614.5με，等到积雪厚度为30 cm时，跨中钢架两边柱向外倾斜，对下弦产生向两端的拉力，下弦杆主要受到拉力。端部屋架除了屋架上弦杆中点(SR6)处的应变值有减小的趋势，其余测点应变都是增加，但都变化幅度不大；跨中屋架下弦杆先承受中点的应变值同样较大。

3.3 两种拆装式活动房试验结果对比分析

根据足尺试验加载情况，本文对有集装箱约束(Y)以及无集装箱约束(W)的各个测点进行在不同积雪厚度的雪荷载下活动房位移和应变的对比分析，并选取在试验过程中位移和应变变化较为明显的测点共12个点，位移测点选取D1，D3，D4和D5，应变测点选取SC1，SC2，SC4，SC5，SR3，SR4，SR7和SR8。对比结果如图11，图12所示。

从图11中可以看出，随着雪荷载的增加，无集装箱约束的拆装式活动房屋位移值增加趋势比较显著，并且增幅较快；增加集装箱约束后，钢架柱顶、屋脊节点和屋架上弦杆的位移都显著减小，其中屋脊节点处(D3)的位移减幅最大，在20 cm厚积雪荷载作用下，竖向位移由7.36 mm减小到0.89 mm，减幅为727%，这是因为住用模块的集装箱约束使整体活动房屋的刚度有所提高，在屋脊节点处尤为明显。但集装箱约束会削弱钢架立柱中部和屋架下弦杆(D4)处的刚度，其中屋架下弦杆中点处削弱效果尤为明显，在10 cm厚积雪荷载作用下，有无集装箱的活动房测点D4竖向位移值分别为53.46 mm，17.85 mm。

如图12所示，在10 cm～30 cm厚的积雪荷载作用下，拆装式活动房增加集装箱约束后，端部钢架柱顶(SC1)、跨中钢架柱中处(SC5)、端部钢架的屋脊节点(SR7)以及屋架下弦杆中点处(SR8)的应变值都显著减小，最大应变减幅分别为350%，383%,248%和25%，其中端部钢架屋脊节点应变值由218.95με减小到63με，端部钢架屋架下弦杆在有无集装箱约束情况下受积雪厚度影响均不大；跨中钢架柱顶(SC4)、跨中钢架的屋脊节点(SR3)、跨中钢架的屋架下弦杆中点处(SR4)以及端部钢架柱中(SC2)处的应变值均明显增加，最大应变增幅分别为167%，590%，393%和900%，其中在30 cm厚积雪荷载作用下，跨中屋架下弦杆中点处的应变值由406με增加到2 002.5με。这说明装配集装箱后，对提高活动房端部钢架的刚度和承载力有明显的作用，而跨中钢架因为集装箱的约束其刚度会有所削弱，跨中屋架下弦杆处削弱程度最为明显。

4 结论

本文提出了一种拆装式轻钢活动房，在10 cm～30 cm厚积雪荷载作用下，对活动房有无集装箱约束两种结构形式下钢框架柱和钢屋架的力学响应特征进行了重点研究和对比分析，得到的主要研究结论如下：

1)随着积雪厚度的增加，双坡屋面拆装式活动房在集装箱的约束下，钢架柱顶、屋脊节点处(坡屋面屋架最高连接点)和屋架上弦杆处的位移均有所减少。其中屋脊节点处集装箱的约束效应最为显著，位移减幅最大，在10 cm，20 cm，30 cm厚积雪荷载作用下位移减小幅度分别为346.4%，727%，252.8%。

2)集装箱的两端布置对活动房的框架端柱和屋架上弦构件的变形有明显的抑制作用，能有效减少整个活动房的位移和应变变形，明显提高活动房的刚度，显著增强其竖向承载能力。同时两端的集装箱会使活动房的刚度发生重分布，使一些薄弱部位的应力发生变化，跨中钢架柱底表现尤为显著[13-14]。

3)在建造双坡屋面拆装式活动房屋时，应有意识地对跨中立柱底部、立柱与屋架连接处以及跨中屋架下弦杆进行加固，使其承载性能更好。