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摘要：對不考慮壓型鋼板蒙皮作用的剛架結構和考慮蒙皮作用的蒙皮結構分別進行有限元模擬分析，對比兩種情況下廠房整體結構模型在水平荷載作用下的柱頂水平位移變化，得出蒙皮作用對剛架側移的影響。...

水平荷載作用下受力蒙皮結構的側移分析

譚勝初，趙玉霞，張軍齊

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

    近年來，輕鋼結構在我國發展很快，這種結構中的屋面和墻體主要采用各種不同類型的壓型鋼板或夾芯鋼板。壓型金屬板作為圍護結構的同時，還可以承受圍護結構平面內的載荷，即具有平面內的抗剪能力，從而提高結構的強度和剛度，稱之為結構的蒙皮效應。蒙皮效應表現為力傳遞效應和支撐效應。

    本文對不考慮壓型鋼板蒙皮作用的剛架結構和考慮蒙皮作用(有效去支撐)的蒙皮結構分別進行有限元模擬分析，對比兩種情況下房屋整體結構模型在靜力作用下的柱頂水平位移變化，得出蒙皮作用對剛架側移的影響。

1、建模分析

    本文根據文獻選定剛架截面及墻梁、檁條等構件尺寸，并用PKPM軟件進行剛架截面驗算，設計了跨度為18m的單層輕鋼結構房屋，采用Q235鋼材。房屋為封閉式，主體剛架為單跨雙坡門式剛架，柱高6.0m，坡度1/10，柱距6.0 m，縱向設7個開間，墻梁間距和檁條間距均為1.0m。在房屋端部第一個開間及中部開問分別設置柱問交叉支撐，在設置柱間支撐的開間，同時設置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。基本模型如圖l所示。

圖1輕鋼結構廠房模型

    本文的結構模擬分析均采用SAP2000程序。普通剛架結構(不考慮壓型鋼板的蒙皮作用)的有限元模型的柱網尺寸、柱頂標高、跨度以及墻梁、檁條、支撐等構件布置和尺寸均與實體模型相同。柱底與基礎鉸接，柱頂與屋面梁剛接，墻梁、檁條、支撐與主體剛架的連接均為鉸接。

    蒙皮結構的有限元模型在剛架結構模型的基礎上，在縱墻和山墻增設壓型板單元，且去掉原模型的屋蓋支撐和柱間支撐而成。其余部分包括柱網尺寸、構件截面、連接等均與實體模型相同。由于本文是對輕鋼結構房屋整體進行簡化分析，所以在蒙皮結構建模時，對實體模型中的板與板之間的接縫不予考慮。蒙皮板與其支撐構件(墻梁、檁條)的連接均視為剛接。將壓型鋼板等效為正交各向異性板，采用平面殼單元進行分析[3]。為了深入研究壓型鋼板的蒙皮作用，本文在蒙皮結構有限元模型的基礎上進一步進行修改，柱頂與屋面梁連接為鉸接，從而形成框架平面可變體系的蒙皮結構的模擬進行分析。

    蒙皮效應主要考慮壓型鋼板平面內的抗剪能力，因此本文中對輕鋼結構房屋考慮的荷載有：恒荷載(屋面材料、墻體材料、結構構件自重)、風荷載(取0.3 kN/m²)。本文中不考慮吊車荷載。為了簡化分析，將風荷載簡化為柱頂水平荷載施加在每一榀剛架左柱的柱頂。荷載取值按照文獻[4]及實際情況取用。

2、結果分析

    2.1普通剛架結構、蒙皮結構、平面可變體系蒙皮結構三種結構的有限元模型之間模擬對比分析結果

    為了便于分析，取以上三種結構的有限元模型的柱頂位移進行比較。表1為三種鋼架結構柱頂位移值。

    表1三種鋼架結構柱頂位移值(Him)

    由表l可以看出，與普通鋼架結構相比，考慮蒙皮作用后，柱頂位移顯著減小。在改變連接方式，平面可變體系蒙皮結構的柱頂位移傳統輕鋼結構型大大減小。由此，進一步說明受力蒙皮作用是顯著的。

    2.2不同厚度蒙皮板之間模擬對比分析結果

    本文取不同厚度的蒙皮板結構模型的計算結果進行對比分析，體現蒙皮板厚度對柱頂側移的影響。蒙皮結構模型的板厚如表2所示。表3為三種蒙皮結構模型的柱頂位移結果。

    表3三種模型(左)柱頂位移值(mm)

    由表3中數據可以看出，三種模型的柱頂位移是逐漸減小的，從表明隨著蒙皮板厚度的增大，蒙皮作用對柱頂位移的控制也是逐漸增大的。但是這種增大的趨勢并不是無限的，圖2示出了著蒙皮板厚度的增大而變化的趨勢。

    由圖2可以看出，種變化的趨勢是逐漸趨于平緩的，期斜率較大，后期斜率小。由此可知，增大蒙皮板的厚度有利于提高蒙皮作用，但并不是線性地隨厚度的增大增大，而是逐漸趨于平緩的。

圖2三種蒙皮模型鋼架柱頂位移

    通過對比分析，可得出如下論。

    (1)考慮壓型鋼板的蒙皮作用，可以有效地減小鋼架側移。當檐口較高，。由柱頂側移控制結構計時，考慮蒙皮作用可有效地減少支撐，還可以減小框架梁、柱的截面具有良好的經濟效益。

    (2）通過數值模擬計算，理論上可以將蒙皮結構中間框  架的梁柱連接改為鉸接，從而簡化節點構造，方便實施，但考慮到整個實施過程的安全性，還宜將梁柱連接做成鋼性連  接，至少半剛性連接。

    (3）增大壓型板的厚度可以提高蒙皮作用，但是這種提高的趨勢不是線性的，而是逐漸趨于平緩的。

參考文獻

[1]黃君芳，黃國平，童根樹．應力蒙皮結構的基本概念[J]．浙江19建筑，1993（1)：22—24．

[2]輕型鋼結構設計指南編寫組．輕型鋼結構設計指南 [M]．北京：中國建筑工業出版社，2002．

[3]張鳳文，陳劍，周鐵民.基于ANSYS的壓型鋼板受力蒙皮作用的簡化分析[J]．工業建筑，2003(增刊 ).

[4]CECS102:2002門式鋼架輕型房屋鋼構結構技術規程[S].

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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