蒙皮效应在多层轻钢结构体系中的应用研究★

谭燕秋 张学忠 史三元

0 引言

近年来，随着我国钢结构房屋建设的加快与之相对应的研究也越来越多。钢结构中压型钢板的蒙皮效应也被很多学者重视，同时做了大量的研究。但是，我国的学者针对多层蒙皮结构整体的研究较少，本文研究的重点是对多层蒙皮结构体系在地震力作用下的性能分析。

1 板的单元刚度矩阵

在建立多层蒙皮体系的简化单元中，对蒙皮板应用线弹性假设及小变形假设。

作为蒙皮板的压型钢板简化为正交各向异形平板，简化要满足:在板边缘施加水平力时，压型钢板产生的位移和变形与平板产生的位移与变形相等，且具有相同的尺寸和厚度。蒙皮体系中压型钢板同时受到水平荷载和竖向荷载作用，因此应用壳体单元对其进行简化更为合理。虽然在这里引入壳体单元，但实际上压型钢板简化为一平板。

平面壳体单元的应力状态由平面应力和弯曲应力组合而成。壳体单元共有4个结点，每个结点对应于平面应力单元的结点位移为{δi}p={ui，vi}T，相应的结点力为{Fi}p={Fxi，Fyi};对应于弯曲应力单元的结点位移为{δi}b={wi，θxi，θyi}T，相应的结点力为{Fi}b={Fzi，Mxi，Myi}。

2 算例分析

2.1 建立分析模型

图1 唐山波（南北方向）

应用有限元软件建立横向2跨纵向3跨，高3.6 m的6层的三维钢框架有限元模型。模型的跨度为6000 mm。柱子和梁均为H型钢，柱子的截面尺寸450×250×6×8，梁的截面尺寸为500×220×6×8，地梁为 C型钢，其截面尺寸300×200×6×8。所有的钢材强度为Q345。楼板为100 mm厚的C30混凝土。蒙皮板简化为2 mm的钢板强度为Q345。本文的两个模型一个是纯框架结构，一个是有蒙皮的框架结构。本研究选用的地震波为唐山波(南北方向)，如图1所示。

地震波的加载为x，y，z三个方向同时加载。

2.2 结果分析

图2 位移对比曲线

图3 加速度对比曲线

1)位移对比分析见图2。

2)加速度对比分析见图3。

通过SAP2000的模拟计算，分析结构的位移与加速度结果，可以看出纯框架结构与蒙皮结构相比，考虑蒙皮效应钢架可以改变结构的传力方式，明显提高结构的整体刚度，并提高了整体结构的承载力，减小了结构的变形。

表1 蒙皮框架与纯框架水平侧移对比 mm

从表1可见，蒙皮效应在多层结构中有效地控制了建筑物的侧移，加强结构的整体性能。

3 结语

对比分析结果，蒙皮效应可明显减小结构的变形，并加强多层结构的整体刚度，改变了结构的受力情况。在考虑压型钢板的蒙皮效应时，围护结构同时成为承重结构的一部分，参与整个结构体系的工作并有效控制多层结构的侧移。在多层钢结构设计中考虑蒙皮效应可以达到好的设计效果，减小构件的截面尺寸，同时可以获得良好的经济效益。

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