蒙皮效應在多層輕鋼結構體系中的應用研究★

譚燕秋 張學忠 史三元

0 引言

近年來，隨著我國鋼結構房屋建設的加快與之相對應的研究也越來越多。鋼結構中壓型鋼板的蒙皮效應也被很多學者重視，同時做了大量的研究。但是，我國的學者針對多層蒙皮結構整體的研究較少，本文研究的重點是對多層蒙皮結構體系在地震力作用下的性能分析。

1 板的單元剛度矩陣

在建立多層蒙皮體系的簡化單元中，對蒙皮板應用線彈性假設及小變形假設。

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，壓型鋼板產生的位移和變形與平板產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受到水平荷載和豎向荷載作用，因此應用殼體單元對其進行簡化更為合理。雖然在這里引入殼體單元，但實際上壓型鋼板簡化為一平板。

平面殼體單元的應力狀態由平面應力和彎曲應力組合而成。殼體單元共有4個結點，每個結點對應于平面應力單元的結點位移為{δi}p={ui，vi}T，相應的結點力為{Fi}p={Fxi，Fyi};對應于彎曲應力單元的結點位移為{δi}b={wi，θxi，θyi}T，相應的結點力為{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的鋼板強度為Q345。本文的兩個模型一個是純框架結構，一個是有蒙皮的框架結構。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三個方向同時加載。

2.2 結果分析

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的模擬計算，分析結構的位移與加速度結果，可以看出純框架結構與蒙皮結構相比，考慮蒙皮效應鋼架可以改變結構的傳力方式，明顯提高結構的整體剛度，并提高了整體結構的承載力，減小了結構的變形。

表1 蒙皮框架與純框架水平側移對比 mm

從表1可見，蒙皮效應在多層結構中有效地控制了建筑物的側移，加強結構的整體性能。

3 結語

對比分析結果，蒙皮效應可明顯減小結構的變形，并加強多層結構的整體剛度，改變了結構的受力情況。在考慮壓型鋼板的蒙皮效應時，圍護結構同時成為承重結構的一部分，參與整個結構體系的工作并有效控制多層結構的側移。在多層鋼結構設計中考慮蒙皮效應可以達到好的設計效果，減小構件的截面尺寸，同時可以獲得良好的經濟效益。

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