金属蒙皮结构关键技术问题探讨

摘要

金属蒙皮结构由于其良好的受力性能，自引入建筑领域以来一直备受关注，近年来的应用越来越广泛。由于其特殊的受力特性，在设计、分析时需要解决的技术问题较多。我国对金属蒙皮的研究起步较晚，应力蒙皮设计方法仍处于理论阶段，专门的金属蒙皮设计规范还在编制中，正是在这样的背景下，本文针对金属蒙皮结构中的几个关键技术问题展开了研究分析工作。 本文首先根据应变能公式及卡氏第二定理推导了压型钢板正交异性板的拉伸刚度和剪切刚度，在此基础上求解出等效正交异性板的计算常数，并考虑等效前后的差异对抗弯刚度进行了修正，解决了金属蒙皮结构整体分析中压型钢板的简化问题。 对常见的轻钢厂房蒙皮结构进行了整体静力分析，并对带入连接件的蒙皮结构整体分析作了探讨。考虑实际的结构布置，运用ANSYS有限元程序对不同板型组合的蒙皮结构进行非线性整体有限元模拟分析，蒙皮板的单元划分按压型钢板每波布置连接件的布置方式进行。此外，引入非线性弹簧单元模拟自攻螺钉连接件，按照实际的连接布置，对自攻螺钉连接轻钢蒙皮结构建立了单跨两开间整体模型并进行了分析。通过上述工作得到了如下结论：压型钢板蒙皮板对主体框架的整体应力水平、梁柱变形控制上效果明显；压型钢板蒙皮效应一定程度降低了框架梁、柱的内力，并对内力分布产生影响；非线性弹簧单元COMBINE39可以反应连接件的内力、变形，能够模拟连接件的实际受力状态，引入弹簧单元后蒙皮板对主体框架约束作用减小。 对蒙皮抗剪连接开展了试验研究。对自攻螺钉、电阻点焊2大类22组共计94个试件进行拉伸试验。通过试验，获得了两类连接件的破坏形态、连接强度和连接刚度。破坏形态表明大部分连接呈延性破坏。将试验值与有限元分析值、现有国内外规范公式计算值进行了对比，并分析误差，比较结果表明所有计算值与试验值均存在一定误差；考虑多种非线性因素的有限元分析能够有效模拟金属蒙皮抗剪连接。在上述比较基础上，本文尝试采用最小二乘法原理和数理统计方法拟合了自攻螺钉、电阻点焊两类连接的连接强度、连接刚度计算公式，并用试验数据加以验证，通过比较知：自攻螺钉、电阻点焊强度拟合公式与试验值吻合较好，具有较好的精度，能够反应连接强度分布规律；自攻螺钉连接刚度的多项式拟合公式与试验值误差较小，在刚度分布规律上与试验结果接近；连接强度、刚度拟合公式考虑了更多计算参数，能较好反应连接强度、刚度随不同参数的变化规律。 通过对本文研究进行总结，指出了值得进一步开展的研究工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2蒙皮效应的作用机理

1.3广义的蒙皮效应

1.4近年来金属蒙皮结构的发展

1.5适合采用金属受力蒙皮结构的建筑类型

1.5.1根据金属蒙皮板作用机理进行的受力蒙皮结构分类

1.5.2可考虑采用金属受力蒙皮的结构

1.6金属蒙皮效应发挥作用的条件

1.7金属蒙皮效应的国内外研究现状

1.7.1国外研究现状

1.7.2国内研究现状

1.8研究不足

1.9本文研究目的与研究内容

参考文献

第二章 压型钢板的等效及有限元计算理论

2.1有限元方法概述

2.2压型钢板的有限元计算理论

2.2.1各向异性板的有限元计算理论

2.3压型钢板的简化

2.3.1压型钢板等效理论的研究进展

2.3.2压型钢板的等效思路

2.3.3基于能量法的正交异性板的简化

2.4轻钢厂房蒙皮结构的有限元计算理论

2.4.1压型钢板蒙皮体的有限元模型及单元刚度矩阵

2.4.2连接件的有限元模型及单元刚度矩阵

2.4.3钢构件的有限元模型及单元刚度矩阵

2.4.4总体刚度矩阵的集成及平衡方程的建立

2.5本章小结

参考文献

第三章 轻钢蒙皮结构整体静力分析

3.1引言

3.2无蒙皮实体模型的建立

3.3荷载取值与工况组合

3.4关于P—△效应

3.5无蒙皮模型有限元分析结果

3.6考虑金属蒙皮的有限元分析模型

3.6.1压型钢板的选取

3.6.2有限元模型与单元划分

3.6.3计算设定

3.7计算结果分析

3.7.1主框架杆件应力水平

3.7.2主体框架受力性能分析

3.7.3结构变形特点分析

3.7.4蒙皮板受力分析

3.8引入抗剪连接件的金属蒙皮整体有限元模拟探讨

3.8.1概述

3.8.2连接件的模拟

3.8.3有限元算例模型的建立

3.8.4计算结果分析

3.9本章小结

参考文献

第四章 金属蒙皮连接抗剪试验研究

4.1引言

4.2试验概况

4.2.1试验目的与试验内容

4.2.2试件尺寸

4.2.3试件制作

4.2.4试验过程

4.3自攻螺钉连接试验结果分析

4.3.1连接的破坏形态

4.3.2连接的荷载位移曲线

4.3.3连接强度、连接刚度的计算

4.3.4自攻螺钉连接强度、连接刚度的影响因素分析

4.3.5试验结果的比较分析

4.3.6自攻螺钉连接计算探讨

4.4电阻点焊连接试验结果分析

4.4.1点焊过程中的工艺参数及相互关系

4.4.2连接的破坏形态

4.4.3连接的荷载位移曲线

4.4.4连接强度、刚度的计算

4.4.5电阻点焊连接强度、刚度的影响因素分析

4.4.6试验结果的比较分析

4.4.7电阻点焊连接计算探讨

4.5本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

作者读研期间发表文章及参与科研项目