蒙皮效應(yīng)在多層輕鋼結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用研究★

譚燕秋 張學(xué)忠 史三元

0 引言

近年來，隨著我國鋼結(jié)構(gòu)房屋建設(shè)的加快與之相對應(yīng)的研究也越來越多。鋼結(jié)構(gòu)中壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)也被很多學(xué)者重視，同時(shí)做了大量的研究。但是，我國的學(xué)者針對多層蒙皮結(jié)構(gòu)整體的研究較少，本文研究的重點(diǎn)是對多層蒙皮結(jié)構(gòu)體系在地震力作用下的性能分析。

1 板的單元?jiǎng)偠染仃?/h2>

在建立多層蒙皮體系的簡化單元中，對蒙皮板應(yīng)用線彈性假設(shè)及小變形假設(shè)。

作為蒙皮板的壓型鋼板簡化為正交各向異形平板，簡化要滿足:在板邊緣施加水平力時(shí)，壓型鋼板產(chǎn)生的位移和變形與平板產(chǎn)生的位移與變形相等，且具有相同的尺寸和厚度。蒙皮體系中壓型鋼板同時(shí)受到水平荷載和豎向荷載作用，因此應(yīng)用殼體單元對其進(jìn)行簡化更為合理。雖然在這里引入殼體單元，但實(shí)際上壓型鋼板簡化為一平板。

平面殼體單元的應(yīng)力狀態(tài)由平面應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組合而成。殼體單元共有4個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)對應(yīng)于平面應(yīng)力單元的結(jié)點(diǎn)位移為{δi}p={ui，vi}T，相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)力為{Fi}p={Fxi，F(xiàn)yi};對應(yīng)于彎曲應(yīng)力單元的結(jié)點(diǎn)位移為{δi}b={wi，θxi，θyi}T，相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)力為{Fi}b={Fzi，Mxi，Myi}。

2 算例分析

2.1 建立分析模型

圖1 唐山波（南北方向）

應(yīng)用有限元軟件建立橫向2跨縱向3跨，高3.6 m的6層的三維鋼框架有限元模型。模型的跨度為6000 mm。柱子和梁均為H型鋼，柱子的截面尺寸450×250×6×8，梁的截面尺寸為500×220×6×8，地梁為 C型鋼，其截面尺寸300×200×6×8。所有的鋼材強(qiáng)度為Q345。樓板為100 mm厚的C30混凝土。蒙皮板簡化為2 mm的鋼板強(qiáng)度為Q345。本文的兩個(gè)模型一個(gè)是純框架結(jié)構(gòu)，一個(gè)是有蒙皮的框架結(jié)構(gòu)。本研究選用的地震波為唐山波(南北方向)，如圖1所示。

地震波的加載為x，y，z三個(gè)方向同時(shí)加載。

2.2 結(jié)果分析

圖2 位移對比曲線

圖3 加速度對比曲線

1)位移對比分析見圖2。

2)加速度對比分析見圖3。

通過SAP2000的模擬計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)的位移與加速度結(jié)果，可以看出純框架結(jié)構(gòu)與蒙皮結(jié)構(gòu)相比，考慮蒙皮效應(yīng)鋼架可以改變結(jié)構(gòu)的傳力方式，明顯提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，并提高了整體結(jié)構(gòu)的承載力，減小了結(jié)構(gòu)的變形。

表1 蒙皮框架與純框架水平側(cè)移對比 mm

從表1可見，蒙皮效應(yīng)在多層結(jié)構(gòu)中有效地控制了建筑物的側(cè)移，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能。

3 結(jié)語

對比分析結(jié)果，蒙皮效應(yīng)可明顯減小結(jié)構(gòu)的變形，并加強(qiáng)多層結(jié)構(gòu)的整體剛度，改變了結(jié)構(gòu)的受力情況。在考慮壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)同時(shí)成為承重結(jié)構(gòu)的一部分，參與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的工作并有效控制多層結(jié)構(gòu)的側(cè)移。在多層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮蒙皮效應(yīng)可以達(dá)到好的設(shè)計(jì)效果，減小構(gòu)件的截面尺寸，同時(shí)可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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