李強(qiáng)

蒙皮體及整體輕鋼結(jié)構(gòu)的抗剪性能及受力狀態(tài)研究

李強(qiáng)

西安歐亞學(xué)院, 陜西 西安 710065

輕鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)樽灾匦。芰?gòu)件截面比較小，從而導(dǎo)致整體剛度偏小，受力后容易出現(xiàn)較大變形。蒙皮體如果可以實(shí)現(xiàn)和輕鋼結(jié)構(gòu)的良好連接，則有助于提升結(jié)構(gòu)的整體性，共同抵抗平面內(nèi)剪力作用，提升結(jié)構(gòu)的整體剛度。在通過有限元分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中蒙皮體和輕鋼結(jié)構(gòu)的整體抗剪性能以及受力情況發(fā)現(xiàn)，框架結(jié)構(gòu)中水平荷載可經(jīng)屋面蒙皮和框架實(shí)施傳遞，并由山墻蒙皮向基礎(chǔ)傳遞，圍護(hù)體系蒙皮對(duì)于山墻框架和中間框架相對(duì)位移具有顯著減少作用，從而增強(qiáng)建筑的抗剪能力。

蒙皮體; 輕鋼結(jié)構(gòu); 抗剪力性能; 受力狀態(tài)

圍護(hù)材料鋼板若可以實(shí)現(xiàn)和鋼結(jié)構(gòu)的良好連接，則有助于提升結(jié)構(gòu)整體性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部荷載作用的共同抵抗，提升鋼結(jié)構(gòu)整體剛性。其中結(jié)構(gòu)外表皮的覆蓋維護(hù)材料，通過自身安全儲(chǔ)備提升結(jié)構(gòu)整體受力性能的作用即為蒙皮效應(yīng)。

我國(guó)目前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其蒙皮效應(yīng)研究中已經(jīng)取得一定的成果，李晉、吳麗麗等[1,2]在研究中，重點(diǎn)針對(duì)工程項(xiàng)目不同結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)問題分析，提出了不同結(jié)構(gòu)的受力性能特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到建筑結(jié)構(gòu)對(duì)其受力性能的影響。李婷[3]在蒙皮效應(yīng)對(duì)輕質(zhì)加層結(jié)構(gòu)受力性能影響分析中發(fā)現(xiàn)，蒙皮板厚度和框架柱的長(zhǎng)細(xì)比兩者為蒙皮效應(yīng)的主要影響因素，均直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力問題。陳天樂[4]在研究中發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)可以降低構(gòu)件截面尺寸以及橫向約束，有助于顯著提升建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。宋洪志、梁慧敏[4,5]在研究中針對(duì)蒙皮效應(yīng)下的鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)的受力情況，均得出結(jié)論鋼結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中的蒙皮效用，有助于提升建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，值得擴(kuò)應(yīng)用。但是在建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中，則需要結(jié)合實(shí)際情況考慮蒙皮效應(yīng)的作用，以此提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性。因此本次研究結(jié)合實(shí)例案例探討蒙皮體及輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗剪性能和受力情況。

1 蒙皮結(jié)構(gòu)模型

本次研究針對(duì)某建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，這一工程項(xiàng)目位于我國(guó)西北區(qū)域，其中結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)情況具體為：整體建筑設(shè)置為4層，平屋面，縱向三個(gè)開間，層高3.6 m，柱距6.0 m以及跨度6 m。房屋框架柱截面均為H600x250x6x8，框架梁截面均為H550x220x6x8，蒙皮板厚度采用0.8 mm，柱底與基礎(chǔ)剛接，柱頂與屋面梁剛接。為實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的分析，本次采用有限元模型分析輕鋼結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)位移以及應(yīng)力情況。

1.1 有限元模型的建構(gòu)

本次在研究則對(duì)蒙皮效應(yīng)的影響作用分析，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM，模擬和實(shí)際工程類似的輕鋼多層房屋，探討考慮和不考慮蒙皮效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力情況。結(jié)構(gòu)模型見圖1。

1.2 蒙皮結(jié)構(gòu)抗剪性能和受力狀態(tài)分析

1.2.1 不考慮應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)情況分析（1）剪力分析。其中結(jié)構(gòu)端部框架剪力圖見圖2。通過圖中可以看出最大剪力是在柱底，水平荷載作用下，距離較近一端的邊框架柱底層剪力值為41.099 kN，其余三層剪力值分別為30.91 kN、19.885 kN以及7.495 kN；距離較遠(yuǎn)一端的邊框架柱底層剪力值為40.827 kN，為最大值，其余三層剪力值分別為31.003 kN、19.821 kN以及7.576 kN。結(jié)構(gòu)中間框架剪力圖見圖3.從圖中可以看出邊框加量和中間框架梁剪力值相比明顯偏小，減小幅度將近50%，分析原因則為邊柱荷載知識(shí)中柱荷載的一半，因?yàn)閷?duì)于結(jié)構(gòu)中框架柱各層受到的作用只有柱頂水平力，沿柱高方向沒有其他荷載作用，所以不同層框架的剪力分布要求也趨近于直線。

圖 1 框架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

圖 2 端部框架剪力圖

圖 3 結(jié)構(gòu)中間框架剪力圖

（2）整體內(nèi)力分析。其中結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力情況見圖4-6，從圖中可以看出，房屋縱向視域下，從端部開始向中部?jī)?nèi)力在不斷加大，房屋橫向框架梁分析中發(fā)現(xiàn)內(nèi)力值則相比偏小，可以忽略不計(jì)。分析原因即為房屋結(jié)構(gòu)中只有縱梁連接在一起，四榀框架的聯(lián)系性不強(qiáng)，所以在受到柱頂水平集中荷載影響下，對(duì)于平面內(nèi)荷載橫向框架可以實(shí)現(xiàn)趨近于獨(dú)立承擔(dān)，內(nèi)力圖顯示結(jié)果也和單榀框架受力情況較為接近，對(duì)于結(jié)構(gòu)柱頂荷載承擔(dān)者主要是荷載平面中的框架，也就是框架中的橫向框架，由此可見架構(gòu)中不具備較高的空間整體性[6]。

圖 4 整體框架軸力圖

圖 5 整體框架剪力圖

圖 6 整體框架彎矩圖

1.2.2 考慮應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)情況分析（1）剪力分析。其中結(jié)構(gòu)框架剪力圖見圖7和圖8。從圖中可以看出，如果對(duì)應(yīng)力蒙皮效應(yīng)進(jìn)行考慮，不管是框架梁部還是柱底剪力值均很小，其中端部框架柱剪力值最大的為18.729 kN，柱底出了最大值；框架梁、中間框架柱以及中間框架梁的最大剪力值分別顯示為1.949 kN、33.128 kN以及1903 kN。

圖 7 端部框架剪力圖

圖 8 結(jié)構(gòu)中間框架剪力圖

（2）整體內(nèi)力分析。蒙皮結(jié)構(gòu)框架端部和中部位移情況存在顯著差異，端部位置存在有蒙皮板山墻，因此位移情況的發(fā)生呈現(xiàn)出從下而上的線性增加趨勢(shì)，中部框架的中間兩層位移比較大，但是相對(duì)來講頂層位置則偏小。且呈現(xiàn)出來的結(jié)果也不是從下而上的線性增加。中間兩層不會(huì)受到蒙皮效應(yīng)的影響，框架則需要單獨(dú)承擔(dān)水平荷載，所以通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)多層房屋結(jié)構(gòu)中樓板施工材料和連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)位移具有直接影響，因此在建造中需要對(duì)應(yīng)力蒙皮效應(yīng)進(jìn)行綜合分析，以能夠在樓板上設(shè)計(jì)和材料選擇上提升合理性。

2 不同結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

2.1 內(nèi)力對(duì)比

兩種不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)力對(duì)比結(jié)果見表1。從表中可以發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)下內(nèi)力分布存在較大不同，表中所示結(jié)果柱頂水平的極限荷載則為第10步內(nèi)力最大值。其中剪力和彎矩所存在的差異最大，端部框架梁柱建立形狀和大小變化非常顯著。不考慮蒙皮效應(yīng)情況下，只有框架縱梁實(shí)現(xiàn)了框架橫向框架連接，其余框架并沒有太大聯(lián)系性，所以一旦出現(xiàn)柱頂集中荷載，則需要橫向框架的獨(dú)立承擔(dān)，因此結(jié)構(gòu)整體性偏低。通過分析發(fā)現(xiàn)，考慮蒙皮效應(yīng)結(jié)構(gòu)有助于提升框架的空間整體性，對(duì)于之前單獨(dú)承擔(dān)水平荷載構(gòu)件可以和蒙皮板構(gòu)成整體，共同承擔(dān)水平荷載力，從而減低各個(gè)構(gòu)架的內(nèi)力值。

表 1 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2.2 位移對(duì)比

在荷載一致情況下，考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)柱頂位移和不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)結(jié)構(gòu)相比明顯偏小。在考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)情況下，框架結(jié)構(gòu)整體空間作用會(huì)明顯強(qiáng)化，屋頂?shù)膽?yīng)力蒙皮效應(yīng)能夠有效將柱頂水平荷載向山墻進(jìn)行傳遞。因此可以說和屋頂以及山墻壓型鋼板比較接近的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)具有較大抗側(cè)移能力，一般不用另外添加抗側(cè)移支撐，在中間框架設(shè)計(jì)中只需要重點(diǎn)針對(duì)豎向荷載抵抗展開設(shè)計(jì)即可[7]。通過以上分析可以看出在依照考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)設(shè)計(jì)中，可以依照不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)對(duì)山墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，以能夠讓其承擔(dān)更大側(cè)向荷載。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上分析可以確定蒙皮效應(yīng)對(duì)本次建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移以及抗剪力具有直接影響，有助于顯著提升建筑結(jié)構(gòu)山墻強(qiáng)度和剛度，因此本次建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定設(shè)置圍護(hù)結(jié)合，以提升建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié) 論

（1）在框架結(jié)構(gòu)中水平荷載是通過屋面蒙皮和框架進(jìn)行傳遞，并由山墻蒙皮向基礎(chǔ)進(jìn)行傳遞。因此多層架構(gòu)中，需要注重控制水平位移，其中水平荷載是主要影響因素，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要是提升山墻蒙皮強(qiáng)度以及剛度，從而為蒙皮效應(yīng)可靠應(yīng)用提供基礎(chǔ)；

（2）本次建筑項(xiàng)目多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圍護(hù)體系蒙皮作用對(duì)于山墻框架和中間框架相對(duì)位移具有顯著減少作用。若不考慮圍護(hù)體系蒙皮效應(yīng)，則需要框架體系獨(dú)自承擔(dān)全部荷載，在工作荷載作用下容易導(dǎo)致蒙皮板出現(xiàn)屈服，嚴(yán)重可能會(huì)出現(xiàn)破壞。因此本次建筑框架設(shè)計(jì)中也需要實(shí)現(xiàn)圍護(hù)體系蒙皮效應(yīng)的良好設(shè)計(jì)。

[1] 李晉,湯黎明.大空間張拉膜結(jié)構(gòu)體系的受力特征和構(gòu)造[J].建筑技術(shù),2006,37(8):611-612

[2] 吳麗麗,王芮.板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)及受力性能研究[J].建筑技術(shù),2015,46(8):733-736

[3] 李婷.蒙皮效應(yīng)對(duì)輕鋼加層結(jié)構(gòu)受力性能影響分析[D].青島:山東科技大學(xué),2018

[4] 陳天樂.輕鋼結(jié)構(gòu)在考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)影響下的有限元模擬分析[D].重慶:重慶交通大學(xué),2017

[5] 宋洪志.新型對(duì)扣式復(fù)合墻板受力性能試驗(yàn)研究[D].青島:青島理工大學(xué),2017

[6] 梁慧敏.輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房蒙皮效應(yīng)的靜力分析[D].鄭州:華北水利水電大學(xué),2016

[7] 胡倩.低層無比鋼結(jié)構(gòu)體系的整體受力性能研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2016

[8] 胡赟,胡平平,鄧浩雨.考慮蒙皮效應(yīng)在門式剛架中的影響[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2017(27):2356

Study on Shear Resistance and Stress State of Skin and Integral Light Steel Structure

LI Qiang

710065,

Light steel structure due to low dead weight, the section of the bearing member is relatively small, resulting in a small overall stiffness, after stress is easy to appear large deformation.If the skin body can be well connected to the light steel structure, it will help to improve the integrity of the structure, jointly resist the action of in-plane shear, and improve the overall stiffness of the structure. Skin body in through finite element analysis of building structure design and the overall shear properties of the light steel structure, and found that the situation of internal frame structure in horizontal load by roof skin and implementation framework, and the gables envelope to the foundation, retaining system skin for the gable frame and middle frame significantly reduce the effects of relative displacement, so as to enhance the construction of the shear capacity.

Skin; light steel structure; shear resistance performance; stress state

TU399

A

1000-2324(2020)03-0562-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.037

2018-12-18

2019-03-10

陜西省自然科學(xué)基金資助(2013JQ7026);西安歐亞學(xué)院校級(jí)科研基金資助(2018XJZK02)

李強(qiáng)(1977-),女,博士,講師,主要研究方向?yàn)檩p鋼結(jié)構(gòu). E-mail:liqq1023@163.com