轻钢结构中应力蒙皮作用的理论分析与简化计算方法研究

摘要

轻型钢结构以其强度高、塑性和韧性好、抗震性能优越、工业化制造和装配程度高、建筑造型美观、适应面广、现代感强、综合经济效益显著等众多优点，深受建筑师、结构工程师的青睐。在我国倡导建立节约型和可持续发展社会的今天，轻钢结构，作为一种绿色建筑，更加符合时代发展的趋势。在国家提出“积极、合理、较快地发展钢结构”等一系列产业政策的鼓励和推动下，我国钢结构迅猛发展的好时机已经到来。在轻钢结构中，大量使用压型金属板作为屋面板和墙板。通常把作为屋面板和墙板的压型金属板称为“蒙皮板”。蒙皮板在其自身平面内具有很大的抗剪能力，并参与结构整体受力，对主体结构有加强作用，大大提高了结构的空间整体性。把蒙皮板的这种作用称为“蒙皮效应”。欧美学者对于蒙皮效应的研究已经进行了半个多世纪，并且编制了较为成熟的设计规程。但目前在我国，由于研究工作不到位，蒙皮板还仅仅被视为围护构件，而不考虑其对整体结构的作用。这是一种极大的浪费，也不符合计算精细化的趋势。随着轻钢结构在我国的普及以及市场竞争的日趋激烈，蒙皮效应也受到了越来越多钢结构学者及厂商的关注。 本文通过蒙皮结构常出现的变形形式和破坏形式，分析蒙皮结构的作用机理和蒙皮板在整体结构中的受力，研究了蒙皮板的强度和刚度。在对蒙皮效应研究的过程中，为了方便有限元建模和分析，把蒙皮板等效为正交异性板，并利用有限元方法对其可行性和合理性进行了分析。通过分析蒙皮板的强度和刚度及蒙皮板在蒙皮结构中的作用机理，分析、研究了蒙皮结构中影响蒙皮效应的因素，通过比较把蒙皮板的厚度、板型和蒙皮板与主体结构的连接状况作为影响蒙皮效应的主要因素。并进一步应用ANSYS有限元分析软件分别就正交异性平板、悬臂蒙皮结构、简支蒙皮结构建模，在板平面内施加剪力，研究了这些影响因素对蒙皮板极限抗剪能力的影响程度和规律。另外针对蒙皮板的厚度、板型和蒙皮板与主体结构的连接状况这三个主要影响因素，对其进行正交试验设计，利用有限元方法对其进行分析并对分析结果进行了回归分析，得到多因素影响下的回归公式，即蒙皮效应的简化计算公式。利用该公式可以方便地在考虑蒙皮效应的设计中量化出蒙皮板的贡献，从而对蒙皮结构的设计进行优化。本文的研究是对多因素影响的回归分析，有一定的局限性，但在目前蒙皮效应研究的基础上，从宏观的角度，提出了一种比较简易的辅助设计思路，它们对当前实际工程的设计具有一定的借鉴作用，并可为今后我国轻钢结构设计规范的修改和补充提供参考。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1应力蒙皮作用

1.2国内外应力蒙皮作用的研究现状

1.3应力蒙皮体的变形和破坏形式

1.4应力蒙皮作用的研究方法及蒙皮效应计算方法

1.5本文研究的目的和内容

第二章蒙皮板的强度和刚度

2.1概述

2.2单块蒙皮板的强度

2.2.1压型钢板间的接缝破坏

2.2.2梁与压型钢板直接连接的抗剪连接件破坏

2.2.3压型钢板与檩条间的连接件的破坏

2.2.4压型钢板的剪切失稳破坏

2.3单块蒙皮板的刚度

第三章蒙皮板的正交各向异性等效和有限元分析

3.1压型钢板的正交各向异性等效简化

3.1.1正交各向异性板

3.1.2压型钢板的正交各向异性等效

3.2压型钢板与等效正交各向异性板的有限元分析比较

第四章蒙皮结构及蒙皮作用影响因素的有限元分析

4.1蒙皮结构有限元模型的创建

4.2蒙皮结构的有限元分析

4.3蒙皮作用影响因素的分析

4.4建立有限元模型过程中应注意的问题

第五章考虑蒙皮作用的简化计算方法

5.1回归正交试验设计简介

5.1.1一次回归正交试验设计的基本方法

5.1.2一次回归方程的建立

5.2蒙皮效应ANSYS分析的正交设计和回归分析

第六章结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

后记