轻钢结构中蒙皮效应的简化计算研究

摘要

在轻钢结构设计中，传统的做法是仅将压型钢板作为屋面、墙面等围护结构，不考虑其对结构承载力和空间整体性的影响。而事实上，若将压型钢板和结构构件可靠相连，其作为围护结构的同时，还成为受力结构的组成部分，能可观的增加结构的整体刚度，与围护体系共同工作，压型钢板的这种作用被称为蒙皮效应。进行轻钢结构设计时若考虑压型钢板的这种蒙皮效应，既能更加符合实际情况地分析结构的受力，还能在经济上获得一定的效益。
　　我国关于蒙皮效应的研究和应用目前还处于起步阶段，在规范中对蒙皮效应的规定相对较少，为此，系统地研究轻钢结构的蒙皮效应，在工程应用和理论层面上都具有重要意义。
　　研究轻钢结构蒙皮效应的方法分为试验法、简化分析法和计算机模拟法，本文结合已有的试验研究成果和简化分析方法，以数值分析方法为主，采用有限元法这一常用的数值模拟法，利用有限元软件ANSYS进行模拟分析。
　　本论文研究了常用的国产压型钢板采用自攻螺钉连接的受力蒙皮单元的剪切性能。分析中将各向异性的压型波纹板等效成为正交各向异性的平板。首先利用ANSYS软件，以单个满足一系列假定的蒙皮单元为例，对其进行内力与变形分析、抗剪强度与刚度分析，引入等效拉压杆理论，建立蒙皮单元的简化计算模型，并用有限元软件进行验证。然后利用有限元软件建立整体轻钢结构模型，并在屋面及墙面布置蒙皮板，在建模时根据压型钢板的正交异性等效原理将压型钢板等效成为同厚度的平板，以简化建模过程。引入上一步中得出的数值结论，分别模拟蒙皮整体结构模型和拉压杆简化计算整体结构模型，对比分析其侧移量，从而对简化计算模型的正确性进行验证，并比较分析了结构的承载力和柱顶端位移值在考虑蒙皮效应和不考虑蒙皮效应两种情况下的差值，以对结构受力性能受蒙皮效应的影响进行量化分析。
　　论文研究表明，根据抗剪刚度等效原则确定的拉压杆简化计算模型来计算不开洞蒙皮单元，虽然有一定的偏差，但是在工程许可范围内。以本文中三跨单层工业厂房为例，对整体结构进行分析计算表明，考虑蒙皮效应对提高结构的承载力具有可观效果，可达21％左右;对提高结构的抗剪刚度增加结构的整体性有更加明显的效果，可达55％左右。采用杆系简化计算模型得出的结果与蒙皮模型结果相差较大，本文算例中在6％左右，产生这一现象的原因主要是计算等效杆件面积时忽略了压杆的作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本课题研究的目的与意义

1．2 国内外关于蒙皮效应的研究现状

1．3 国内外规范对蒙皮效应的相关规定

1．4 本文研究方法和内容

2 蒙皮效应的相关概念

2．1 受力蒙皮结构的作用原理

2．2 蒙皮结构的组成

2．3 本章小结

3 有限元模型的建立

3．1 有限元理论概述

3．2 蒙皮板有限元模型的建立

3．3 连接件有限元模型的建立

3．4 杆件有限元模型的建立

3．5 总体刚度矩阵的集成

3．6 本章小结

4 蒙皮单元受力性能的有限元分析

4．1 单元类型以及材料的选择

4．2 蒙皮单元有限元模型建立及分析前准备

4．3 蒙皮单元有限元分析结果研究

4．4 本章小结

5 考虑蒙皮效应时门式刚架整体受力性能的研究

5．1 轻钢建筑定义及常见结构体系

5．2 模型建立

5．3 结果分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢