轻钢结构在考虑应力蒙皮效应影响下的有限元模拟分析

摘要

在传统意义上的轻钢结构中，大量采用了压型钢板来制作建筑的屋面板和墙面板。这些被用于制作屋面板和墙面板的压型钢板通常被称之为“蒙皮板”。在轻型钢结构建筑中，压型钢板在作为围护结构时，当它与框架梁柱构件形成良好连接，可以在一定程度上承受压型钢板平面内的荷载，即拥有了平面内的抗剪能力，并能够参与结构的整体受力，还可以在一定程度上增强结构的整体刚度。与此同时，它还可以使得结构的空间整体性得到大幅度提高，结构侧移减小。研究学者们把蒙皮板的这些影响作用称作“应力蒙皮效应”。大半个世纪以来，海外学者已经完成了大量关于应力蒙皮效应的研究，除此以外还编制了比较完善的蒙皮设计规范。然而在我国，关于应力蒙皮效应的相关研究还尚显薄弱，虽然部分研究学者已经进行了一定量的关于受力蒙皮结构的试验和研究，但是这些研究的研究主体大都是蒙皮体本身。并且在实际工程的设计当中，设计从业人员也大多把蒙皮板的应力蒙皮效应视作安全储备，而缺乏对蒙皮效应对结构的有利作用的考虑。
　　本文在总结和归纳前人研究的基础上，通过分析并总结受力蒙皮结构的主要构成组件、节点的布置方式、应力蒙皮效应的工作机理、在实际设计中可以考虑应力蒙皮效应的前提条件以及关于蒙皮效应研究的常用分析方法。学习并参考现行规范首先建立一个不考虑应力蒙皮效应的传统多层轻钢结构房屋的有限元模型，接着创建一个考虑应力蒙皮效应的多层传统轻钢结构房屋的有限元模型。对这两个模型进行内力分布情况、位移变形情况、强度、刚度以及经济性等各方面的分析比较，总结出蒙皮结构受力分布情况的变形规律，继而通过考虑已经归纳总结的轻钢结构应力蒙皮效应的控制因素，通过改变这些控制因素来探索这些因素对轻钢结构影响规律和影响程度，并总结相关结论。最后在结合当下政策背景下，对应力蒙皮效应进行了简单的SWOT方法分析。接着通过采用造价计量软件，计算出了以柱顶位移值为控制量的传统轻型钢结构与考虑蒙皮轻型钢结构结构两种结构分别的建造成本，将两种结构的成本进行对比。接着结合本文所得到的轻钢结构可以通过考虑应力蒙皮效应可以实现一定程度上的构件截面尺寸的减小和横向约束的减少，提出了轻钢结构在考虑应力蒙皮效应后可以具有更好的经济性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 蒙皮效应在国内外的研究情况

1．2．1 国外的研究

1．2．2 国内的研究

1．3 应力蒙皮结构的工程实例

1．3．1 国外应力蒙皮结构的工程实例

1．3．2 国内应力蒙皮结构的工程实例

1．4 本文研究内容及其意义

1．4．1 本文研究的意义

1．4．2 本文研究的内容和进行的工作

第二章 蒙皮结构的构成、布置类型及作用机理

2．1 蒙皮结构的构成

2．1．1 蒙皮板

2．1．2 框架结构

2．1．3 连接件

2．2 蒙皮结构的布置类型

2．3 蒙皮结构的作用机理

2．4 蒙皮结构的构造要求及设计假定

2．4．1 构造要求

2．4．2 设计假定

2．5 本章小结

第三章 有限元原理和应力蒙皮结构的有限元模型

3．1 有限元原理简述

3．2 蒙皮结构构件的有限元模型

3．2．1 杆件单元刚度方程和有限元模型

3．2．2 连接件的单元刚度矩阵

3．2．3 蒙皮板的单元刚度矩阵

3．3 总体刚度矩阵的集合、总体平衡方程的建立

3．4 本构模型的选择

3．5 本章小结

第四章 应力蒙皮轻钢结构的有限元模型分析

4．1 有限元分析方法的正确性验证

4．1．1 验证目的

4．1．2 验证的有实验原型及有限元模型

4．1．3 测量分析结果

4．2 应力蒙皮结构有限元模型的建立及加载方式的确定

4．2．1 有限元模型的选择与建立

4．2．2 荷载施加方式的确定

4．2．3 荷载取值的确定及依据

4．3 应力蒙皮轻钢结构的性能分析

4．3．1 不考虑应力蒙皮效应的结构的性能分析

4．3．2 考虑应力蒙皮效应的结构的性能分析

4．3．3 两种结构分析结果的性能对比总结

4．4 本章小结

第五章 应力蒙皮轻钢结构的影响因素分析

5．1 本章写作目的及对比方法

5．2 改变蒙皮板厚度的影响

5．3 改变框架柱长细比的影响

5．4 改变蒙皮板布置位置的影响

5．4．1 仅在屋面布置蒙皮板

5．4．2 仅在山墙布置蒙皮板

5．4．3 全围护体系布置蒙皮板

5．5 本章小结

第六章 轻钢结构在考虑应力蒙皮效应下的经济效益

6．1 本章写作目的及目前经济政策环境的简要介绍

6．2 SWOT分析方法结果讨论

6．3 两种结构的经济效益对比

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本文结论

7．2 建议与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间所取得的研究成果