断桥铝合金阳光房的结构设计与仿真分析

□ 张宗铄 □ 陈 亮 □ 吕洪昌 □ 刘占宇 □ 郑雅如 □ 沈亚超

辽宁忠旺集团有限公司 辽宁辽阳 111003

1 阳光房概述

阳光房也称为玻璃房,是主要采用玻璃与金属框架搭建的全透明非传统建筑,可以达到使用户享受阳光,亲近自然的目的。阳光房是国内外追求自然、时尚的人士所推崇的建筑,可以根据场所使用需求及个人爱好进行设计和建造,应用于户外餐厅、花园、别墅、商业展厅等多种场合。目前,国内阳光房多采用纯钢结构,强度高,但易腐蚀,使用寿命短,并且冬冷夏热,需要耗费大量能源以保证用户在房内的舒适性。

现代社会能源需求日益紧张,建筑节能是国家对建筑行业提出的迫切要求。断桥铝合金型材结构具有优异的保温隔热性能,可以实现节能降耗的目的。铝合金质量轻,强度高,耐腐蚀,可塑性强,铝合金制品已在生活中随处可见,并在航空航天、交通运输、建筑、机电等领域广泛应用。随着社会进步和人们对生活品质的追求,铝合金阳光房已受到人们的青睐,不仅高端大气,而且容易安装。笔者对断桥铝合金阳光房进行结构设计,并进行仿真分析。

2 设计参数

所设计的断桥铝合金阳光房建筑尺寸为7 000 mm×3 300 mm×3 700 mm,为双坡屋面30°倾斜角设计。框架主体采用断桥铝合金结构,配合中空玻璃,以达到保温隔热、节能降耗的目的。根据建筑结构载荷规范及铝合金结构设计规范相关要求,结构设计时需确认恒荷载、活荷载参数信息,活荷载包括风荷载、雪荷载。断桥铝合金阳光房整体结构如图1所示。

图1 断桥铝合金阳光房整体结构

对雪荷载进行计算,雪荷载标准值Sk为:

Sk=μrSo

(1)

式中:μr为屋面积雪分布因数;So为基本雪压。

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》,采用双坡屋面结构,μr为0.85。So以沈阳地区50 a来最大值为参考,取0.50 kN/m2。计算得Sk为0.425 kN/m2。

对风荷载进行计算,风荷载标准值wk为:

wk=βzμsμzwo

(2)

式中:βz为高度z处的风振因数,对于低于30 m的建筑,可不考虑风振影响;μs为风荷载体型因数;μz为风压高度变化因数;wo为基本风压。

μz应根据地面粗糙度确定,此处选择C类,指有密集建筑群的城市市区,取0.65。采用封闭式双坡屋面结构,μs取0。wo以沈阳地区50 a来最大值为参考,取0.55 kN/m2。计算得wk为0.357 kN/m2。

3 材料

结合设计参数和市场需求,断桥铝合金阳光房主体框架结构材料选用6063-T5铝合金。在建筑五金行业使用6063铝合金已经非常成熟,主要原因是成本较低,供货状态一般为T5,有利于断桥型材隔热条的压入。断桥铝合金阳光房透光结构选用双层中空玻璃。中空玻璃是一种节能玻璃,具有良好的隔声、隔热性能。材料参数见表1。

表1 材料参数

4 结构设计

框架是断桥铝合金阳光房的重要组成部分,不仅影响产品重力,而且直接影响产品整体强度、使用寿命、节能降耗效果。框架型材截面设计时参考断桥铝合金门窗结构,通过隔热材料将铝合金型材断开的两部分连接在一起,形成隔热桥,以实现断桥效果,起到保温隔热的作用。框架内部设计加强筋结构,提高断桥铝合金阳光房的整体安全性。考虑到美观性,截面设计凹槽部分,将框架之间的连接螺栓隐藏起来。框架型材截面如图2所示。

图2 框架型材截面

断桥铝合金阳光房设计由框架和中空玻璃门窗组成,整体连接方式采用自攻钉、螺栓连接固定,在连接处涂抹密封胶,防止雨水渗透,无焊接工艺。参考建筑幕墙连接方式,屋顶主副梁之间设计采用不锈钢弹簧插销连接,简化安装步骤,降低成本。副梁截面如图3所示,主副梁连接节点如图4所示。考虑需要在户外使用,设计水槽落水系统及入门防雨结构设施。断桥铝合金阳光房部分节点及截面如图5所示。

图3 副梁截面

图4 主副梁连接节点

图5 断桥铝合金阳光房部分节点及截面

5 仿真分析

根据相关标准和阳光房实际使用情况,对断桥铝合金阳光房的结构进行仿真分析,设置自重、风荷载、雪荷载荷载组合工况,以验证断桥铝合金阳光房结构是否满足使用要求。荷载组合工况见表2,g为重力加速度。

表2 荷载组合工况

断桥铝合金阳光房在荷载组合工况下应力云图如图6所示,位移云图如图7所示。

图6 荷载组合工况应力云图

图7 荷载组合工况位移云图

分析结果表明,在荷载组合工况下,框架最大应力为102.69 MPa,位于角柱顶端,未超过材料的屈服强度,满足强度要求。雨棚前沿水槽中部位移为7.86 mm,沿风荷载作用方向的分量为7.75 mm。前梁中部位移为5.99 mm,沿风荷载作用方向的分量为5.98 mm。风荷载位移效应相对较大,但所有变形均在弹性变形范围内。综合以上分析结果,所设计的断桥铝合金阳光房满足阳光房的使用要求,切实可行。

6 市场分析

随着我国城市化不断推进,住房消费升级,城市间人口迁移增加,人们对于居住环境的要求和品位不断提升,我国房地产需求规模逐年扩大,为阳光房行业的发展创造了大量市场机遇。2020年,我国商品房销售面积为17.6亿m2,比2019年增长2.6%,别墅、带露台住宅、带花园住宅约占我国商品房销售面积的6%,阳光房市场前景广阔。另一方面,房地产开发商感受到来自市场的压力,对房型的设计趋向于半开放、大阳台,为阳光房行业的发展提供了充足的市场空间。由此可见,断桥铝合金阳光房的市场潜力较大,具有推广价值。

7 结束语

所设计的断桥铝合金阳光房具有质量轻、强度高、耐腐蚀、安装简易、成本低、使用寿命长等优点,能够实现冬暖夏凉、节能降耗的功能。笔者通过结构设计、仿真分析,确认断桥铝合金阳光房满足阳光房实际使用强度要求。铝合金是一种绿色环保资源,回收残值大,铝合金结构相比传统钢架结构,未来将有更加广阔的市场前景。由市场分析可知,所设计的断桥铝合金阳光房市场潜力较大,具有推广价值。