基于ANSYS的輕鋼結構的蒙皮效應分析

田 丹 張亞楠

（焦作工貿職業學院，河南 焦作 454550）

近幾年來，隨著社會和國民經濟的快速發展，以輕型鋼結構為主要材料的建筑在民用建筑和工業建筑中得到了廣泛的運用，主要是因為這種建筑有著外形美觀，施工進度較快，環保好，以及造價較低等優點[1]。隨著信息技術的發展，有限元法逐漸成為模擬建筑結構的有效方法。

1 工程概況

本文采取的計算模型為三層冷彎薄壁型鋼密肋結構體系住宅，其平面布置如圖1-1 所示。本工程為邢臺路橋建設總公司開發的別墅工程，建筑物總高度10.650m，室內外高差0.45m，二類建筑，輕型鋼結構，耐火等級二級，建筑面積為333.61m2，本工程屋面防水等級為二級。建筑場地類別為Ⅱ類，地基承載力為120kN/m2。基本風壓為0.45kN/m2。基本雪壓為0.30kN/m2。7 度抗震設防烈度，抗震等級為Ⅱ級，設計基本地震加速度為0.10g。本工程中輕鋼別墅的框架結構構件采用的是冷彎薄壁型鋼，冷彎薄壁型鋼的鋼材選用Q345B 級鋼，柱距和梁距分別按照600mm 的模數進行設置。

2 有限元模型的建立

本論文利用ANSYS 有限元分析軟件建立以上別墅的計算模型，未考慮蒙皮效應的有限元模型如圖2[2]。

在圖2 所示的有限元的模型當中，其框架構件采用BEAM188 單元模擬，所用連接件采用COMBIN14 單元模仿[3]。在此基礎上，蒙皮板采用SHELL181 單元來假定模擬，考慮蒙皮效應的有限元模型如圖3[2]。

3 蒙皮效應分析

本文采用時程分析法，即根據我們事先選定的地震波、結構的恢復力的特征曲線，動力方程直接積分后再逐步的積分來計算地震中每一時刻結構所產生的位移、速度以及加速度，結構在此過程中分別經歷了彈性、非彈性階段，得出其內力是怎樣的變動過程及構件從有裂縫一直到有損壞以致結構全部坍塌的全過程[4]。

文中所選地震波為EL-Centro 波，原始曲線如圖4 所示。此地震波記錄的是1940 年5 月18 日在美國加利福尼亞地區發生的6.7 地震。采用這個波時，地震加速度次數設為750次，每一步的時間間隔為0.02s，總持時則為15s。其在7 度、8 度和9 度多遇地震烈度下的調幅系數分別為：0.0001666、0.0003332 和0.0006663[5]。

本文假定結構模型僅受單向水平波作用，故運算時只輸入了El-Centro 波的X 向進行求解，并且只進行了該結構在8 度多遇地震烈度下動力時程分析，后對蒙皮結構和框架結構在不同地震波的作用下其位移隨時間的變化曲線進行對比分析。計算結果如圖5、圖6、表1 所示。

40 20(mm)0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15位-20移一層三層-40時間（s)

表1 不同模型位移最大值數據對比表(mm)

4 結語

由以上圖表及分析可得如下結論：

(1)在El-centro 波作用下，框架結構的模型與蒙皮結構的模型相比其位移數值較大。觀察以上圖表，從一、二層位移最大值的變化規律中可以看出，在對結構施加El-Centro 波時，無論是框架結構還是蒙皮結構，它們位移絕對值的最大值都會隨著樓層的增加而增大，這就證實了結構在受到地震作用時，頂部的變形較底部大；通過數值的對比，我們還可以看出，框架結構的模型其位移最大值在3 層頂部為36.2108mm，而蒙皮結構的模型其最大位移在3 層頂部則降為21.6903mm，且蒙皮結構的頂部位移量明顯小于框架結構，大約為框架結構頂部位移的60%左右。這說明了輕鋼結構中的應力蒙皮效應在地震中發揮了作用，蒙皮結構加強了結構整體的剛度及承載力。

(2)地震波作用下，兩種模型位移值都在隨著樓層數增加而增加，頂層位移絕對數值都是最大的。

(3)通過觀察和對比兩種模型，后者的抗震性能較前者的好，所以在現實的工程中，當整體剛度不夠的情況下，應多加考慮結構的蒙皮效應是對結構的抗震有良好的效果。另外，對于樓層比較低的輕鋼結構，其各層的的變形差距非常小。

總之，蒙皮結構的的整體結構剛度大于框架結構，其抗震性能優于框架框架結構，故在實際工程中考慮結構的蒙皮效果是對結構的抗震有良好的效果。在鋼結構設計中，不采用傳統的設計方法，在設計時考慮建筑物圍護鋼板產生的蒙皮作用，增強結構的整體剛度和穩定性，使構件的截面尺寸變小，從而達到良好的經濟效益。