蒙皮体及整体轻钢结构的抗剪性能及受力状态研究

李强

蒙皮体及整体轻钢结构的抗剪性能及受力状态研究

李强

西安欧亚学院, 陕西 西安 710065

轻钢结构因为自重小，受力构件截面比较小，从而导致整体刚度偏小，受力后容易出现较大变形。蒙皮体如果可以实现和轻钢结构的良好连接，则有助于提升结构的整体性，共同抵抗平面内剪力作用，提升结构的整体刚度。在通过有限元分析建筑结构设计中蒙皮体和轻钢结构的整体抗剪性能以及受力情况发现，框架结构中水平荷载可经屋面蒙皮和框架实施传递，并由山墙蒙皮向基础传递，围护体系蒙皮对于山墙框架和中间框架相对位移具有显著减少作用，从而增强建筑的抗剪能力。

蒙皮体; 轻钢结构; 抗剪力性能; 受力状态

围护材料钢板若可以实现和钢结构的良好连接，则有助于提升结构整体性能，实现对外部荷载作用的共同抵抗，提升钢结构整体刚性。其中结构外表皮的覆盖维护材料，通过自身安全储备提升结构整体受力性能的作用即为蒙皮效应。

我国目前在建筑结构设计及其蒙皮效应研究中已经取得一定的成果，李晋、吴丽丽等[1,2]在研究中，重点针对工程项目不同结构体系设计问题分析，提出了不同结构的受力性能特点，认识到建筑结构对其受力性能的影响。李婷[3]在蒙皮效应对轻质加层结构受力性能影响分析中发现，蒙皮板厚度和框架柱的长细比两者为蒙皮效应的主要影响因素，均直接影响结构内力问题。陈天乐[4]在研究中发现蒙皮效应可以降低构件截面尺寸以及横向约束，有助于显著提升建筑结构经济性。宋洪志、梁慧敏[4,5]在研究中针对蒙皮效应下的钢结构厂房结构的受力情况，均得出结论钢结构体系在建筑结构中的蒙皮效用，有助于提升建筑结构整体稳定性，值得扩应用。但是在建筑结构实际设计中，则需要结合实际情况考虑蒙皮效应的作用，以此提升建筑结构设计的合理性、经济性以及安全性。因此本次研究结合实例案例探讨蒙皮体及轻型钢结构的抗剪性能和受力情况。

1 蒙皮结构模型

本次研究针对某建筑工程结构设计分析，这一工程项目位于我国西北区域，其中结构模型建构情况具体为：整体建筑设置为4层，平屋面，纵向三个开间，层高3.6 m，柱距6.0 m以及跨度6 m。房屋框架柱截面均为H600x250x6x8，框架梁截面均为H550x220x6x8，蒙皮板厚度采用0.8 mm，柱底与基础刚接，柱顶与屋面梁刚接。为实现对其结构蒙皮效应的分析，本次采用有限元模型分析轻钢结构的蒙皮效应位移以及应力情况。

1.1 有限元模型的建构

本次在研究则对蒙皮效应的影响作用分析，基于结构设计软件PKPM，模拟和实际工程类似的轻钢多层房屋，探讨考虑和不考虑蒙皮效应下的结构位移和应力情况。结构模型见图1。

1.2 蒙皮结构抗剪性能和受力状态分析

1.2.1 不考虑应力蒙皮结构情况分析（1）剪力分析。其中结构端部框架剪力图见图2。通过图中可以看出最大剪力是在柱底，水平荷载作用下，距离较近一端的边框架柱底层剪力值为41.099 kN，其余三层剪力值分别为30.91 kN、19.885 kN以及7.495 kN；距离较远一端的边框架柱底层剪力值为40.827 kN，为最大值，其余三层剪力值分别为31.003 kN、19.821 kN以及7.576 kN。结构中间框架剪力图见图3.从图中可以看出边框加量和中间框架梁剪力值相比明显偏小，减小幅度将近50%，分析原因则为边柱荷载知识中柱荷载的一半，因为对于结构中框架柱各层受到的作用只有柱顶水平力，沿柱高方向没有其他荷载作用，所以不同层框架的剪力分布要求也趋近于直线。

图 1 框架结构模型设计

图 2 端部框架剪力图

图 3 结构中间框架剪力图

（2）整体内力分析。其中结构整体内力情况见图4-6，从图中可以看出，房屋纵向视域下，从端部开始向中部内力在不断加大，房屋横向框架梁分析中发现内力值则相比偏小，可以忽略不计。分析原因即为房屋结构中只有纵梁连接在一起，四榀框架的联系性不强，所以在受到柱顶水平集中荷载影响下，对于平面内荷载横向框架可以实现趋近于独立承担，内力图显示结果也和单榀框架受力情况较为接近，对于结构柱顶荷载承担者主要是荷载平面中的框架，也就是框架中的横向框架，由此可见架构中不具备较高的空间整体性[6]。

图 4 整体框架轴力图

图 5 整体框架剪力图

图 6 整体框架弯矩图

1.2.2 考虑应力蒙皮结构情况分析（1）剪力分析。其中结构框架剪力图见图7和图8。从图中可以看出，如果对应力蒙皮效应进行考虑，不管是框架梁部还是柱底剪力值均很小，其中端部框架柱剪力值最大的为18.729 kN，柱底出了最大值；框架梁、中间框架柱以及中间框架梁的最大剪力值分别显示为1.949 kN、33.128 kN以及1903 kN。

图 7 端部框架剪力图

图 8 结构中间框架剪力图

（2）整体内力分析。蒙皮结构框架端部和中部位移情况存在显著差异，端部位置存在有蒙皮板山墙，因此位移情况的发生呈现出从下而上的线性增加趋势，中部框架的中间两层位移比较大，但是相对来讲顶层位置则偏小。且呈现出来的结果也不是从下而上的线性增加。中间两层不会受到蒙皮效应的影响，框架则需要单独承担水平荷载，所以通过以上分析可以发现多层房屋结构中楼板施工材料和连接方式对结构位移具有直接影响，因此在建造中需要对应力蒙皮效应进行综合分析，以能够在楼板上设计和材料选择上提升合理性。

2 不同结构对比分析

2.1 内力对比

两种不同结构的内力对比结果见表1。从表中可以发现不同结构下内力分布存在较大不同，表中所示结果柱顶水平的极限荷载则为第10步内力最大值。其中剪力和弯矩所存在的差异最大，端部框架梁柱建立形状和大小变化非常显著。不考虑蒙皮效应情况下，只有框架纵梁实现了框架横向框架连接，其余框架并没有太大联系性，所以一旦出现柱顶集中荷载，则需要横向框架的独立承担，因此结构整体性偏低。通过分析发现，考虑蒙皮效应结构有助于提升框架的空间整体性，对于之前单独承担水平荷载构件可以和蒙皮板构成整体，共同承担水平荷载力，从而减低各个构架的内力值。

表 1 框架结构内力

2.2 位移对比

在荷载一致情况下，考虑应力蒙皮效应柱顶位移和不考虑应力蒙皮效应结构相比明显偏小。在考虑应力蒙皮效应情况下，框架结构整体空间作用会明显强化，屋顶的应力蒙皮效应能够有效将柱顶水平荷载向山墙进行传递。因此可以说和屋顶以及山墙压型钢板比较接近的应力蒙皮效应具有较大抗侧移能力，一般不用另外添加抗侧移支撑，在中间框架设计中只需要重点针对竖向荷载抵抗展开设计即可[7]。通过以上分析可以看出在依照考虑应力蒙皮效应设计中，可以依照不考虑应力蒙皮效应对山墙进行设计，以能够让其承担更大侧向荷载。

2.3 实验结果

通过以上分析可以确定蒙皮效应对本次建筑结构侧移以及抗剪力具有直接影响，有助于显著提升建筑结构山墙强度和刚度，因此本次建筑结构设计确定设置围护结合，以提升建筑结构整体稳定性和可靠性。

3 结 论

（1）在框架结构中水平荷载是通过屋面蒙皮和框架进行传递，并由山墙蒙皮向基础进行传递。因此多层架构中，需要注重控制水平位移，其中水平荷载是主要影响因素，在框架结构设计中主要是提升山墙蒙皮强度以及刚度，从而为蒙皮效应可靠应用提供基础；

（2）本次建筑项目多层框架结构设计中，围护体系蒙皮作用对于山墙框架和中间框架相对位移具有显著减少作用。若不考虑围护体系蒙皮效应，则需要框架体系独自承担全部荷载，在工作荷载作用下容易导致蒙皮板出现屈服，严重可能会出现破坏。因此本次建筑框架设计中也需要实现围护体系蒙皮效应的良好设计。

[1] 李晋,汤黎明.大空间张拉膜结构体系的受力特征和构造[J].建筑技术,2006,37(8):611-612

[2] 吴丽丽,王芮.板柱结构节点破坏形态及受力性能研究[J].建筑技术,2015,46(8):733-736

[3] 李婷.蒙皮效应对轻钢加层结构受力性能影响分析[D].青岛:山东科技大学,2018

[4] 陈天乐.轻钢结构在考虑应力蒙皮效应影响下的有限元模拟分析[D].重庆:重庆交通大学,2017

[5] 宋洪志.新型对扣式复合墙板受力性能试验研究[D].青岛:青岛理工大学,2017

[6] 梁慧敏.轻型钢结构厂房蒙皮效应的静力分析[D].郑州:华北水利水电大学,2016

[7] 胡倩.低层无比钢结构体系的整体受力性能研究[D].安徽:合肥工业大学,2016

[8] 胡赟,胡平平,邓浩雨.考虑蒙皮效应在门式刚架中的影响[J].建筑工程技术与设计,2017(27):2356

Study on Shear Resistance and Stress State of Skin and Integral Light Steel Structure

LI Qiang

710065,

Light steel structure due to low dead weight, the section of the bearing member is relatively small, resulting in a small overall stiffness, after stress is easy to appear large deformation.If the skin body can be well connected to the light steel structure, it will help to improve the integrity of the structure, jointly resist the action of in-plane shear, and improve the overall stiffness of the structure. Skin body in through finite element analysis of building structure design and the overall shear properties of the light steel structure, and found that the situation of internal frame structure in horizontal load by roof skin and implementation framework, and the gables envelope to the foundation, retaining system skin for the gable frame and middle frame significantly reduce the effects of relative displacement, so as to enhance the construction of the shear capacity.

Skin; light steel structure; shear resistance performance; stress state

TU399

A

1000-2324(2020)03-0562-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.037

2018-12-18

2019-03-10

陕西省自然科学基金资助(2013JQ7026);西安欧亚学院校级科研基金资助(2018XJZK02)

李强(1977-),女,博士,讲师,主要研究方向为轻钢结构. E-mail:liqq1023@163.com