空间门式刚架抗地表变形研究现状及发展趋势

李 玥 侯智超

空间门式刚架抗地表变形研究现状及发展趋势

李 玥 侯智超

分析了忽略蒙皮效应的空间门式刚架的研究现状、蒙皮效应的研究现状及门式刚架抗地表变形研究现状,提出空间门式刚架抗地表变形研究存在的问题及发展方向,为采矿区新建门式刚架轻钢房屋结构设计提供了理论指导。

空间门式刚架,蒙皮效应,抗地表变形

我国能源主要以煤炭为主,煤炭开采引起的地表变形引起了对建筑结构领域结构抗变形研究的重视。由于门式刚架轻钢结构在地表变形区的广泛应用,对轻钢结构的抗地表变形性能研究也将是其重要研究方向。但很多情况下,对门式刚架的抗地表变形性能研究只是局限于平面刚架,对空间结构的研究相对较少,更忽视了围护结构对于刚架抗地表变形的影响。实际上檩条与系杆的设置增大了结构的整体刚度,同时围护结构与主体结构可靠连接时,也会增大结构的侧移刚度,对结构抗变形是有利的。所以在地表变形作用下,考虑围护体系蒙皮效应及刚架空间效应对结构抗变形的影响十分重要。

1 不考虑蒙皮效应的空间门式刚架研究现状

由于理论发展和技术上的限制,我们在分析中往往将实际的门式刚架忽略屋面板等的蒙皮效应及刚架间的相互作用简化成平面刚架,大大简化的同时,造成了分析的不完善性。随着结构分析和设计理论的发展以及计算机技术的进步,使我们更加重视对门式刚架的空间整体性能的分析研究。

曹丽萍[1]利用ANSYS对轻钢门式刚架结构进行了空间整体分析。在静力作用下,考虑了多种工况组合,由于门式刚架空间协同作用,算得的内力与平面模型相比较小,且内力分布比较均匀。

吕辉勇[2]通过几何非线性有限元分析的方法,应用有限元程序ANSYS的屈曲分析和静力分析模块,重点研究了门式刚架结构体系中的次要构件,如柱间支撑、屋面水平支撑、系杆及檩条的一些受力性能和对主体门式刚架平面外稳定的影响。

苏妮娜[3]应用SAP2000有限元软件分别建立了轻型门式刚架结构体育馆的三维模型和单层厂房的三维模型,并通过实际结构的现场体育馆静载试验结果验证了模型建立的正确性。定量分析了在竖向和水平荷载作用下轻型门式刚架结构的空间作用性能,并对轻型门式刚架的纵向抗侧力构件对整体结构的空间共同作用的影响进行了分析。

王乾[4]进行了两组四榀门式刚架组成的门式刚架结构振动台试验研究,以最为直观和接近真实的试验方式,证明了该结构具有良好的抗震性能。并通过振动台试验,对门式刚架结构在地震作用下的受力性能、变形特征和破坏机理进行了研究。

2 蒙皮效应的研究现状

国外对蒙皮效应的研究较早,通过对若干门式刚架结构的实测结果表明,实测的应力和挠度比通常设计计算的结果小很多,我国在这方面的研究开展得比较晚。国内外学者主要通过试验方法、理论方法及简化分析等对围护体系蒙皮效应进行了系统、深入的研究,主要体现在如下两方面：1)蒙皮板及连接件抗剪性能的研究;2)对蒙皮效应影响因素的研究。

1)蒙皮板及连接件抗剪性能的研究。

1999年,Gianfranco De Matteis和 Raffaele Landolfo[5]结合工程实际,对夹芯板的常用连接方式进行了分析,并在单调荷载和循环荷载作用下对不同连接方式夹芯板的抗剪性能进行了研究,通过数值分析验证得出,分析结果与试验较为吻合。

张耀春[6]教授研究了蒙皮组合体中自攻螺钉的抗剪性能,建立了连接件布置“非对称”模型,导出计算蒙皮效应的抗剪强度和刚度的简化计算公式。

2004年,龙莉萍等[7]对国内常用的V-840型压型钢板采用自攻螺丝连接的受力蒙皮体进行了抗剪试验研究,分析了三种不同间距自攻螺丝连接的受力蒙皮体的破坏形式及抗剪性能,并提出了不同间距布置的连接件对蒙皮体抗剪性能的影响。

乐延方等[8]对受力蒙皮结构中的自攻螺钉、拉铆钉连接进行了大量试验,分析了连接构件的抗剪强度、抗剪刚度、工作特点、破坏模式以及连接件布置方式、压型钢板跨度对受力蒙皮体性能的影响,并对承受平面内荷载的蒙皮体进行了试验研究。

2)对蒙皮效应影响因素的研究。

1955年,美国康奈尔大学的 Nilson[9]进行了 50个足尺应力蒙皮试验,得到了不同的板形、波高、板厚和板跨对应力蒙皮抗剪强度和柔度的影响,为蒙皮作用的研究和应用奠定了基础。

2003年,燕山大学的陈剑[10]对轻钢结构开洞蒙皮体蒙皮效应进行了一些研究。通过对未开洞蒙皮体试件与开洞蒙皮体试件抗剪性能的试验研究,获得蒙皮洞对蒙皮效应的影响规律。

2005年,王新堂等[11]对开洞蒙皮体及未开洞蒙皮体进行了试验对比,得到了蒙皮开洞对蒙皮效应的影响规律,并通过有限元分析对其进行了验证。

3 门式刚架抗地表变形研究现状

门式刚架抗地表变形性能的研究还主要集中在平面刚架的研究阶段,目前主要进行了抗变形保护措施、加固措施等方面的研究。

王宽如[12]对采动区抗变形轻钢结构厂房结合工程实际进行了数值模拟实验,研究不同形式地表变形条件下,轻钢结构厂房的内力位移反应,提出了增设基础联系梁、基础底面设置滑动层、采用可变铰支座等保护措施。

胡敬礼[13]通过分析轻钢结构门式刚架建筑物在采动地表移动和变形作用下的内力、位移反应,得出了门式刚架各种保护措施抵抗地表变形的效果,对在采动区兴建轻钢门式刚架结构建筑物有一定的指导意义。

夏军武,王守祥,王宽如等[14]根据煤矿老采空区地表移动变形规律,利用 ANSYS软件模拟计算了老采空区“活化”引起的地表变形对门式刚架结构产生的内力影响。通过分析数值计算结果,研究了轻钢结构整体变形的特点及其不同部位受附加内力作用的情况。给出了提高轻钢结构整体抗变形性能的保护措施。

吕恒林,周淑春,胡敬礼[15]利用 ANSYS结构有限元分析软件,计算了一榀 24 m跨轻钢门式刚架结构分别在地表拉伸、压缩、倾斜、正曲率和负曲率变形条件下的内力和位移变化规律,探讨了不同加固保护措施的适用效果和机理,为在地表变形地区采用轻钢门式刚架结构提供了设计依据和工程参数。

4 空间门式刚架抗地表变形研究存在问题及发展趋势

虽然现阶段对空间门式刚架、蒙皮效应都进行了一定的研究,但在地表变形作用下空间门式刚架的研究比较鲜见,尤其是考虑围护蒙皮效应对空间门式刚架抗地表变形影响的研究就更加稀少。由此可见,空间门式刚架抗地表变形的研究还存在如下问题：1)关于门式刚架轻钢结构的研究大部分都局限于节点部位的承载能力及抗震研究,缺乏节点刚度对门式刚架抗地表变形影响的研究;2)缺乏门式刚架围护体系不同板材、不同形式板—板连接、板—檩连接的连接承载力及影响因素研究;3)缺乏各种地表变形作用下带围护体系的空间门式刚架轻钢结构的变形、内力分布规律及破坏形式的研究;4)缺乏地表变形作用下带围护体系空间门式刚架轻钢结构抗地表变形的影响因素的研究;5)缺乏围护体系与门式刚架主体结构在地表变形作用下的协同工作性能的研究;6)缺乏在地表变形作用下空间门式刚架轻钢结构的分析和设计建议。

由此可见,考虑空间相互作用及蒙皮效应是门式刚架抗地表变形研究的发展趋势,应从试验和数值模拟两方面双管齐下,找出影响门式刚架抗地表变形的主要因素,从而为采矿区新建门式刚架轻钢房屋结构设计提供理论指导,并对现有门式刚架轻钢房屋结构提供必要的抗采动变形措施和加固措施。

[1]曹丽萍.轻钢门式刚架结构设计与整体分析[D].太原：太原理工大学,2005.

[2]吕辉勇.轻型门式刚架平面内稳定性能及空间性能分析[D].兰州：兰州理工大学,2006.

[3]苏妮娜.门式刚架轻型结构空间共同作用的分析与应用研究[D].西安：西安建筑科技大学,2007.

[4]王 乾.单层单跨门式刚架轻型钢结构房屋抗震性能振动台试验[D].西安：西安建筑科技大学,2008.

[5]Matteis G D,Landolfo R.Modeling of lightweight sandwich shear diaphragms for dynamic analysis[J].Journal of Constructional Steel Research,2000(5)：33-61.

[6]张耀春,朱景仕,赵纪生.自攻螺钉连接的蒙皮组合体抗剪性能的试验研究(上)[J].钢结构,1993(6)：8-10.

[7]龙莉萍,韦 松,崔 佳.自攻螺丝连接受力蒙皮体抗剪性能的试验研究[J].建筑结构学报,2004,25(2)：39-43.

[8]乐延方,姬广华,柏树新.受力蒙皮连接的抗剪性能试验研究[J].南京建筑工程学院学报,1992,21(2)：50-59.

[9]Nilson A H.Shear Diaphragms of Light Gauge Steel,Proceedings of ASCE[C].Structure Division,1960：11.

[10]陈 剑.轻钢结构开洞蒙皮体蒙皮效应的研究[D].燕山：燕山大学,2003.

[11]陈 剑,王新堂.轻钢结构开洞蒙皮体蒙皮效应的试验研究[J].宁波大学学报,2005(8)：9-14.

[12]王宽如.采动区轻钢结构厂房抗变形保护研究[D].徐州：中国矿业大学,2001.

[13]胡敬礼.轻钢结构门式刚架抗地表变形研究[D].徐州：中国矿业大学,2003.

[14]夏军武,王守祥,王宽如,等.位于老采空区上的门式刚架结构抗变形性能分析研究[J].建筑结构,2004(5)：19-20.

[15]吕恒林,周淑春,胡敬礼.轻钢门式刚架结构抗地表变形措施的研究[J].工业建筑,2006,36(sup)：615-619.

The research situation and development trend on performance resisting ground deformation of the space portal frame structure

LI Yue HOU Zhi-chao

This thesis analyses the research situation of space portal frame structure ignore the effect of skin diaphragms,the effect of skin diaphragms and the performance resistingground deformation of the space portal frame structure,proposed existing problems and developmentdirection of study on performance resisting ground deformation of the space portal frame structure,it has provided theoretical guidance for new door type steel building structure design inm ining area.

space portal frame structure,effect of skin diaphragms,performance resisting ground deformation

TU337

A

1009-6825(2011)03-0024-03

2010-10-09

李 玥(1986-),女,中国矿业大学力学与建筑工程学院硕士研究生,江苏 徐州 221116

侯智超(1985-),男,中国矿业大学力学与建筑工程学院硕士研究生,江苏 徐州 221116