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1、门式刚架结构蒙皮效应的研究门式刚架结构蒙皮效应的研究 摘要：本文在国内外对钢结构围护结构蒙皮效应的研究的基础上，对起蒙皮作用的抗剪单元建立了力学计算模型，并将抗剪单元融入到整体平面单榀门式刚架中进行受力性能分析。通过对各结构最大侧移、内力及耗钢量的比较，可以看到将抗剪单元用于门式刚架结构之后，门式刚架的抗侧移性能满足我们对轻钢结构的要求，同时刚架的内力得到了大大的改善，在耗钢量方面也有很大的优势。 关键词： 抗剪单元 门式刚架结构 蒙皮效应 侧移 Abstract: This study based on the skin effect of steel structure at home a
2、nd abroad, shear unit establishes a model of the mechanics calculation of skin effect, and the shear model is applied to the single steel portal frame for stress analysis. Through the comparison of the maximum lateral force structure, and steel consumption, can see the shear unit for portal frame st
3、ructure, portal frame lateral displacement resistant performance of light-gauge steel structure meet our requirements, and internal force of frame has been greatly improved, in steel consumption. Have a big advantage. Keywords: shear unit of portal frame structure with effect of skin diaphragms side
4、 shift 中图分类号：TU33+7文献标识码：A 1 引言 传统钢结构房屋利用自身刚度或设置支撑来抵抗侧向荷载，应力蒙皮结构则应用飞机和船舶的结构设计概念，利用其外壳（相当于剪力墙）平面内的刚度和强度，抵抗侧向荷载，减小层间位移，充分降低结构自重，减少用钢量，提高经济性1。蒙皮效应受力分为两种情况：一、压型钢板屋面承受垂直荷载使门架檐口节点外扩移动带动屋面板面内受剪；二、门架完全靠压型钢板屋面的面内抗剪使水平力传递到山墙门架。这种调动压型钢板平面内受剪能力的钢门架设计方法，称为应力蒙皮结构设计。 目前国内外对蒙皮效应的研究还主要集中在围护结构上，将该理论应用在多层钢结构中主要用于提高其抗侧
5、移性能方面的研究还不多，本文所研究的内容则是在这一方面作一定的研究和探讨。 2 抗剪单元模型的基本假设 本文首先对起蒙皮作用的抗剪单元进行了研究。对该抗剪单元模型的基本假设2如下： 假设格构是主要承力构件，格构的交叉点是铰接的结点。 组成格构的杆只承受轴向力，镶在格构上的板(受剪板)四边只受剪切。 板的厚度相对长、宽等尺寸很小。因此可近似认为板剖面上的剪应力沿厚度不变。这样， 板单位长度上的剪力为t1,并用表示，称为“剪流”。 板剖面上的剪流的方向总是沿着剖面中线的切线方向。 板每一条边上的剪流沿长度不变（即剪流为常量）。 采用了上述简化假设的抗剪单元计算模型，只包含两类结构组件，即承受轴力的
6、杆和承受剪流的板，杆和板之间只有剪流作用。 3 抗剪单元受力性能分析 3.1 抗剪单元受力模型布置 抗剪单元由格构和蒙皮组成，外框尺寸宽6m，高4m。格构采用方钢管，蒙皮为钢板，均采用Q235钢材，方钢管采用15种截面，规格分别为（100190）（100190）6（共9种）、2002008、2202208、2502508、30030010、35035010、40040010。蒙皮钢板采用2、4、6、8、10、12、共6种板厚。格构在抗剪单元的高度和宽度两个方向以等分的形式布置。等分数的变化范围均取1到10。图1为抗剪单元在高度方向3等份 ，宽度方向4等份的布置示意图。荷载形式为左上角点的单点向
7、右集中荷载。 图1 蒙皮板(抗剪单元)布置示意简图 3.2 抗剪单元的受力性能分析 影响抗剪单元受力性能有四个因素：高度方向等分数、宽度方向等分数、格构规格和抗剪钢板规格。对这些因素进行排列组合，并通过Ansys编程计算每种组合下抗剪单元最大侧移、等效抗侧移刚度、抗剪单元最大节点等效应力、抗剪单元最大剪流和杆件最大压应力，得出如下结果 注：由于4种因素排列组合后的计算结果数据量相当大，此处只给出了部分结果数据和图表。： 从计算结果得出，一、当板厚取2mm、4mm和6mm，格构规格取1001006、1101106、1201206、1301306、1401406、1501506、1601606、1
8、801806和1901906时，抗剪单元最大侧移量减小得较快，故从充分发挥构件的性能考虑，采用以上列出的规格最为合理。二、增加高宽两个方向的等分数对减小侧移能起到一定的作用，但最大侧移减小的幅度并不大，效果不明显。故作者认为其主要作用在于保证抗剪单元面内的稳定性。 综合考虑四种因素的影响，选取板厚4mm、格构1001006、高宽方向等分数都为5的抗剪单元进行进一步的抗剪单元与框架的组合作用的研究。 4抗剪单元与平面刚架共同作用的研究 4.1 结构布置形式 本文对四种结构形式做了比较研究（图2）。其中原结构为一榀单跨门式刚架，层高5米，单跨10米，由H型钢框架梁和框架柱组成，梁柱均采用HN400
9、200 H型钢、腹板厚10mm、翼缘厚20mm。抗剪单元与刚架之间采用方管（1001006）作为连梁进行连接。其中，结构形式1在框架与抗剪单元各边除四个角点之外部分布置水平和竖直方向的连梁；结构形式2与结构形式1不同之处是在四个角点处也布置了水平和竖直方向的连梁；结构形式3在四个角点处布置斜向连梁。所有连梁与框架之间刚接，与抗剪单元之间铰接。底层连梁和框架柱与地面固接，框架除受自身重力作用外，屋面承受200N/m的均布荷载，经计算，各种结构形式在荷载的作用下均未失效 注：限于篇幅，失效判断数据此处没有给出。 图24种结构形式布置和受力简图 4.2 各结构形式框架部分的内力及侧移量的比较 从计算
10、结果可以看出，框架最大轴力随结构形式的变化逐渐增大，主要是由于在中间跨增加了抗剪单元，整个结构自重增加的缘故。框架最大剪力由原结构到结构2是增加的趋势，但在结构3中剪力减小，可见结构形式3中的斜拉梁可以大大降低框架本身的剪力。框架部分的最大弯矩和框架梁柱截面的最大正应力随结构形式的改变都呈下降的趋势，可以说明在抗剪单元与框架连接的三种结构形式中，第三种结构形式的效果最好。 4.3 抗剪单元与框架连接部分的内力比较 从计算可以看出，结构形式1到3最大剪力有所减小，最大轴力和弯矩先变小后增大，可见斜拉梁承受较大的轴力。 4.4 抗剪单元部分的比较 从计算结果可以看出，三种结构相比较，受剪板节点等效
11、应力和连梁最大正应力都呈下降趋势，但前者影响较小而后者较大。对于结构形式3，连梁最大正应力从205.6Mpa降到124.6Mpa，比结构形式1降低了近40，是这三种结构中最小的，此外，其杆件的最大压应力也是三种结构形式中最小的，同样也说明第三种结构形式最好。 4.5 用钢量的比较 根据计算四种结构形式的耗钢量及相应的最大侧移量如下所述： 原结构最大侧移7.52cm，用钢量21.62t；结构一最大侧移2.53cm，用钢量32.40t；结构二最大侧移1.79cm，用钢量32.75t；结构三最大侧移1.73cm,用钢量32.65t。 待添加的隐藏文字内容3在这种情况下，若以纯框架的用钢量为100%，
12、在达到相同侧移时，对于结构形式1，其用钢量约为纯框架的83.2；对于结构形式2，该值比75.6稍小；对于结构形式3，该值为75.4。可见考虑蒙皮效应，经济上是比较可观的，且具有一定的可行性。 5结论 一、对抗剪单元的研究结论如下： （1）增加杆件面积和受剪板厚度都有利于减小抗剪单元最大侧移量，提高抗剪单元的等效抗侧移刚度。但并非受剪板厚度和杆件面积的值取得越大越好。当受剪板厚度取2mm、4mm和6mm，格构规格取1001006、1101106、1201206、1301306、1401406、1501506、1601606、1801806和1901906时，在此范围内受剪板厚度和杆件规格分别变化
13、时，抗剪单元最大侧移量减小的较快，可以认为该范围是受剪板规格和杆件规格取值的一个“有效范围”。 （2）增加高度方向的宽等分数和宽度方向的宽等分数对减小侧移能起到一定的作用，但效果不明显。其主要作用在于保证抗剪单元面内的稳定性。 二、对抗剪单元与平面框架共同作用的研究结论如下： （1）蒙皮效应对加强钢框架结构的抗侧移性能效果显著，适合多层钢结构在侧移控制方面的特点，即侧移并非起主控作用,仅起辅助控制作用。 （2）抗剪单元的四个角点用斜梁与框架连接的结构形式可大大降低框架本身的剪力、弯矩和截面正应力，结构形式最为合理。 （3）蒙皮效应在钢框架结构中的应用，可有效节约用钢量，降低结构造价。 本文所考虑的抗剪单元及其与平面框架的共同作用均是在抗剪板发生屈曲之前的过程，对于抗剪板屈曲及屈曲后的行为将在今后的研究中展开进一步的研究和论述。 参考文献 1 黄君芳、黄国平、童根树应力蒙皮结构的基本概念浙江建筑，1999，（1）：2224 2 王生楠.飞行器结构力学.西北工业大学出版社.1998 作者简介：崔文杰1979.07.25 硕士研究生 2006年参加工作，现职称为工程师-最新【精品】范文
