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摘要：對(duì)不考慮壓型鋼板蒙皮作用的剛架結(jié)構(gòu)和考慮蒙皮作用的蒙皮結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元模擬分析，對(duì)比兩種情況下廠房整體結(jié)構(gòu)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(duì)剛架側(cè)移的影響。...

水平荷載作用下受力蒙皮結(jié)構(gòu)的側(cè)移分析

譚勝初，趙玉霞，張軍齊

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

    近年來，輕鋼結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展很快，這種結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以承受圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的載荷，即具有平面內(nèi)的抗剪能力，從而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，稱之為結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)。蒙皮效應(yīng)表現(xiàn)為力傳遞效應(yīng)和支撐效應(yīng)。

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

1、建模分析

    本文根據(jù)文獻(xiàn)選定剛架截面及墻梁、檁條等構(gòu)件尺寸，并用PKPM軟件進(jìn)行剛架截面驗(yàn)算，設(shè)計(jì)了跨度為18m的單層輕鋼結(jié)構(gòu)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(shè)7個(gè)開間，墻梁間距和檁條間距均為1.0m。在房屋端部第一個(gè)開間及中部開問分別設(shè)置柱問交叉支撐，在設(shè)置柱間支撐的開間，同時(shí)設(shè)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(jié)構(gòu)廠房模型

    本文的結(jié)構(gòu)模擬分析均采用SAP2000程序。普通剛架結(jié)構(gòu)(不考慮壓型鋼板的蒙皮作用)的有限元模型的柱網(wǎng)尺寸、柱頂標(biāo)高、跨度以及墻梁、檁條、支撐等構(gòu)件布置和尺寸均與實(shí)體模型相同。柱底與基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的有限元模型在剛架結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，在縱墻和山墻增設(shè)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(wǎng)尺寸、構(gòu)件截面、連接等均與實(shí)體模型相同。由于本文是對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)房屋整體進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，所以在蒙皮結(jié)構(gòu)建模時(shí)，對(duì)實(shí)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(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)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(jié)構(gòu)的模擬進(jìn)行分析。

    蒙皮效應(yīng)主要考慮壓型鋼板平面內(nèi)的抗剪能力，因此本文中對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)房屋考慮的荷載有：恒荷載(屋面材料、墻體材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重)、風(fēng)荷載(取0.3 kN/m²)。本文中不考慮吊車荷載。為了簡(jiǎn)化分析，將風(fēng)荷載簡(jiǎn)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(xiàn)[4]及實(shí)際情況取用。

2、結(jié)果分析

    2.1普通剛架結(jié)構(gòu)、蒙皮結(jié)構(gòu)、平面可變體系蒙皮結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)的有限元模型之間模擬對(duì)比分析結(jié)果

    為了便于分析，取以上三種結(jié)構(gòu)的有限元模型的柱頂位移進(jìn)行比較。表1為三種鋼架結(jié)構(gòu)柱頂位移值。

    表1三種鋼架結(jié)構(gòu)柱頂位移值(Him)

    由表l可以看出，與普通鋼架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的柱頂位移傳統(tǒng)輕鋼結(jié)構(gòu)型大大減小。由此，進(jìn)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(duì)比分析結(jié)果

    本文取不同厚度的蒙皮板結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，體現(xiàn)蒙皮板厚度對(duì)柱頂側(cè)移的影響。蒙皮結(jié)構(gòu)模型的板厚如表2所示。表3為三種蒙皮結(jié)構(gòu)模型的柱頂位移結(jié)果。

    表3三種模型(左)柱頂位移值(mm)

    由表3中數(shù)據(jù)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(duì)柱頂位移的控制也是逐漸增大的。但是這種增大的趨勢(shì)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(shì)。

    由圖2可以看出，種變化的趨勢(shì)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(duì)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(cè)移。當(dāng)檐口較高，。由柱頂側(cè)移控制結(jié)構(gòu)計(jì)時(shí)，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(jīng)濟(jì)效益。

    (2）通過數(shù)值模擬計(jì)算，理論上可以將蒙皮結(jié)構(gòu)中間框  架的梁柱連接改為鉸接，從而簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，方便實(shí)施，但考慮到整個(gè)實(shí)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(shì)不是線性的，而是逐漸趨于平緩的。

參考文獻(xiàn)

[1]黃君芳，黃國平，童根樹．應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)的基本概念[J]．浙江19建筑，1993（1)：22—24．

[2]輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南編寫組．輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南 [M]．北京：中國建筑工業(yè)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(jiǎn)化分析[J]．工業(yè)建筑，2003(增刊 ).

[4]CECS102:2002門式鋼架輕型房屋鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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