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近年来在中国建筑业钢结构得到了飞速的发展。国家经济建设的快速发展,钢产量的提高,给钢结构的发展和应用带来了前所未有的机遇。自改革开放以来,钢结构的应用领域不断拓宽,使用范围不断扩大,结构形式不断更新,现已发展成高层重型钢结构、空间大跨度钢结构、轻型钢结构、钢—混凝土组合结构、住宅钢结构五大类。尤其是上世纪九十年代至今,广泛应用于工业厂房的门式刚架轻钢结构得到了迅速的发展。
门式刚架轻钢结构主要以轻型钢构件作为主框架,以压型钢板作为围护体系。研究结果表明,压型钢板在作为围护体系的同时,还可以承受围护体系平面内的荷载。只要将它们与主体结构进行可靠的连接,这些压型钢板就会成为受力结构的重要组成部分,参与整个结构体系工作,为与之相连的受压、受弯、压弯构件提供侧向支撑和扭转约束,并对房屋结构的空间整体刚度做出一定的贡献。这种围护体系平面内的承载能力称为“应力蒙皮效应”。
中外学者对蒙皮效应进行了广泛的研究,但较少涉及蒙皮效应对结构的整体影响。如果采用试验的方法研究蒙皮效应的整体作用,要耗费大量的人力、时间、财力,这对于大部分研究人员来说是难以承受的;由于影响应力蒙皮效应的因素很多,所以简化分析方法对于分析蒙皮效应对门式刚架厂房整体影响并不合适;所以有部分学者采用有限单元法进行整体研究。重庆大学的研究生赵国采用等效正交各向异性平板模拟压型钢板,运用有限元软件SAP建立有限元模型,作蒙皮效应的整体分析。由于现在的计算机性能有了大幅度提高,本文作者决定采用实物板型模拟压型钢板,运用有限元软件ANSYS建立有限元模型,进行蒙皮效应的整体分析。
基于这个研究目的,本文主要进行以下研究工作:
(1)采用壳单元分别模拟压型钢板和檩条,采用耦合方程建立压型钢板和檩条间的连接,建立单个蒙皮组合体的模型,计算蒙皮体系的剪切柔度。
(2)采用变截面单元模拟刚架梁、柱构件,采用实物板型模拟压型钢板,采用约束方程模拟檩条与刚架的连接,屋面板与檩条的连接,建立整个门式刚架厂房的模型。
(3)比较考虑与不考虑蒙皮效应时各榀刚架的柱顶侧移,分析屋顶压型钢板通过平面内抗剪能力限制各中间榀刚架侧移的原理。
(4)在考虑屋顶压型钢板的蒙皮效应的前提下,比较山墙设与不设平面内支撑时各榀刚架的柱顶侧移,证明山墙的抗侧移刚度对屋顶压型钢板蒙皮效应的发挥有重要影响。
(5)在考虑屋顶压型钢板蒙皮效应的前提下,分析各榀刚架柱顶侧移随总刚架数变化的规律。
(6)当考虑与不考虑屋顶压型钢板的蒙皮效应时,分别分析中间榀刚架、山墙刚架的轴力、弯矩、剪力分布特点,并对两种情况下的刚架内力分别进行比较。
(7)采用等效正交各向异性平板单元模拟压型钢板建立门式刚架厂房模型,将柱顶侧移、内力的计算结果与实物模型的计算结果进行比较。