轻钢加层结构的蒙皮效应分析

李婷，周婷，刘蒙，史超男，王婷，董雷

（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

1 引言

在轻钢加层结构中，加层门式刚架的设计关系着建筑结构的整体稳定，而蒙皮板即压型钢板对门式刚架的整体受力起着至关重要的作用。在轻钢加层结构设计过程中，大多数会忽略压型钢板对结构的影响，事实上，压型钢板本身具有一定的抗剪能力，与主体结构共同作用时能够提高结构的承载能力，使结构趋于安全，这种作用就是蒙皮效应，轻钢加层设计时考虑蒙皮效应更贴近结构的实际受力状况，更具经济性。

2 结构模型建立

3 静力计算及分析

为了便于分析，将模型中顶层的门式刚架从①轴～⑧轴分别命名为GJ1～GJ8，分别讨论考虑蒙皮效应前后的结构位移和内力情况。

3.1 结构位移分析

首先分析结构的水平侧移，将荷载分级施加于考虑蒙皮前后的结构，由于结构为对称结构，这里只分析GJ1～GJ4 的变化趋势，表1是在各级荷载作用下，GJ1～GJ4 在考虑蒙皮效应前后，顶层各榀刚架的最大柱顶侧移值。

由表1可以看出，考虑蒙皮效应前后，柱顶侧移值变化

以某钢筋混凝土框架结构的3 层综合办公楼为例，结构模型情况为：长为54.6 m 共7 跨，宽为14.4 m 共3 个开间，层高为3.3 m，每层楼板的厚度均为100 mm；钢筋混凝土结构上加盖一层轻钢门式刚架，层高3.6 m，坡度为1∶10，双面起坡，梁、柱截面采用等截面H 型钢，GZ、GL采用HN300×180×6×8，纵向两边及屋脊处设置系杆Φ114×4，门式刚架的墙体及屋面均采用彩色涂层压型钢板，厚度0.8 mm。

采用SAP2000 有限元分析软件进行轻钢加层整体结构的模拟分析，模型的柱网尺寸与实体的结构实体模型尺寸保持一致，结构构件之间的连接与实体模型保持一致。十分明显，无蒙皮结构的侧移值中间榀刚架柱顶侧移值大，两端刚架的侧移值小，从中间到两侧的位移值呈现递减趋势，且中间榀框架与两侧框架的差值较大，体现了结构变形的不均匀性，考虑蒙皮效应后，柱顶侧移值大大减小，且中间榀框架与两侧框架侧移值之间的差值明显减小，结构受力更加均匀稳定。综上所述，我们得出一个结论：考虑蒙皮效应以后，结构的抗侧移刚度大大提高，对提高结构的抗侧移能力有较大作用，结构的受力更加均匀，整体受力更加稳定合理。

3.2 内力分析

3.2.1 轴力分析

通过有限元分析得出，未考虑蒙皮效应时，刚架左侧的轴力值为6.50 kN，刚架右侧轴力值为10.75 kN，考虑蒙皮效应以后，刚架左侧轴力值减少到5.11 kN，右侧轴力值减少到9.64 kN，分别减少了21%和10.4%，左右侧轴力差值相差不大。

中间各榀框架轴力最大的为GJ2 与GJ7，未考虑蒙皮效应时，刚架左侧的轴力值为17.08 kN，刚架右侧轴力值为14.09 kN，考虑蒙皮效应以后，刚架左侧轴力值减少到14.31 kN，右侧轴力值减少到13.30 kN，分别减少了16.2%和5.6%，左右侧轴力的差值大大减小。综合来看，考虑蒙皮时，轴力值相对略有减小，刚架左右侧轴力差值明显减小，这与单层门式刚架的研究结论相一致。

3.2.2 剪力分析

边跨GJ1 与GJ8 对称，分析GJ1 得出：未考虑蒙皮效应时，刚架左侧的剪力值为8.72 kN，刚架右侧剪力值为14.35 kN，考虑蒙皮效应以后，刚架左侧剪力值增加到10.21 kN，右侧剪力值减少到12.10 kN，分别减少了-17.1%和15.7%，左右两侧的剪力差值由5.63 kN 减小到了1.89 kN，因此，考虑蒙皮效应时，剪力分布得更加均匀。

中间榀GJ4 与GJ5 对称，分析GJ4 得出：未考虑蒙皮效应时，刚架左侧的剪力值为8.33 kN，刚架右侧剪力值为14.44 kN，考虑蒙皮效应以后，刚架左侧剪力值增加到14.52 kN，右侧剪力值增加到15.50 kN，左右两侧的剪力差值由6.11 kN 减小到了0.98 kN，差值减小的幅度较大。

3.2.3 弯矩分析

分析GJ1 的弯矩图得出：不考虑蒙皮效应时，左右两侧的弯矩值相差较大，刚架左右两侧的弯矩值较大，刚架顶部弯矩相对较小，考虑蒙皮效应时，刚架顶部弯矩值变大，弯矩值差值明显减小，变化趋于均匀。中间各榀框架中，弯矩最大的为GJ4，对比考虑蒙皮效应前后的弯矩图，顶层刚架弯矩值差值明显减小，受力更加均匀。

综上所述，轻钢加层整体结构考虑压型钢板的蒙皮效应时，顶层刚架的剪力、轴力、弯矩都有所减少，且刚架左右两侧的剪力、轴力、弯矩差值明显减小，受力趋于均匀，整体性较强，应力分布更为合理。

3.3 模态分析

由于顶层门式刚架的质量和抗侧移刚度与底层的钢筋混凝土框架结构相比小很多，所以顶层门式刚架对底层框架结构的影响较小，而底层框架结构对顶层门式刚架的影响较大，整个结构在受到振动时，顶层的门式刚架会因底层框架的振动发生二次振动，故门式刚架受到的振动作用比门式刚架置于地面时大，所以，加层结构中顶层门式刚架的动力特性研究尤为重要。

运用SAP2000 有限元模拟方法对本章的轻钢加层整体结构进行计算分析，设置分析阶数为10 阶，经过模拟分析，得到了轻钢加层整体结构考虑蒙皮作用前后的频率和周期，具体如图1、图2所示。

对比图1、图2可以看出，在外部条件相同的情况下，带蒙皮模型的各阶周期要小于无蒙皮模型的各阶周期，这说明蒙皮板能够提高结构的刚度，所以在进行结构设计时，对蒙皮板的延性分析是十分重要的。

3.4 反应谱分析

对考虑蒙皮效应前后的两种结构模型进行反应谱分析，得到两种结构的楼层位移数值和层间位移数值，从得到的数据可以得出：带蒙皮结构的楼层位移与无蒙皮结构相比较小，底层钢筋混凝土框架结构变化不是很大，加层的门式刚架位移变化较为明显，X 方向无蒙皮结构顶层的楼层位移为17.84 mm，而带蒙皮结构为15.15 mm，Y 方向无蒙皮结构顶层的楼层位移为21.69 mm，而带蒙皮结构为19.89 mm，这说明考虑蒙皮效应能够提高结构的侧向刚度和整体稳定性。

考虑蒙皮效应前后，第4 层的层间位移发生了较大改变，X 方向上无蒙皮结构顶层层间位移为5.89 mm，而带蒙皮结构的层间位移只有3.06 mm，考虑蒙皮效应Y 方向上顶层层间位移同样变化较大，无蒙皮结构顶层层间位移为6.10 mm，而带蒙皮结构的层间位移只有4.66 mm，这说明蒙皮板的加入能够大大增加结构的整体稳定性，提高结构的侧向刚度。

同时，通过结构分析可以看到顶层门式刚架的层间位移值较大，这是由于门式刚架与底层钢筋混凝土框架结构的质量和刚度差别较大，因此在门式刚架与既有框架结构连接处形成了薄弱层，所以对加层连接处的设计要引起足够的重视。

从图3反应谱作用下的位移图可以看出，考虑蒙皮效应以后，结构的整体位移减小，顶层门式刚架的层间位移减小幅度最大，这就说明蒙皮板能够提高结构的整体刚度，提高结构整体的稳定性。

图3 反应谱作用下的位移图

4 结论

本文结合工程实例，运用SAP2000 有限元分析软件，对钢筋混凝土框架结构加层门式刚架进行静力分析、模态分析和反应谱分析，得到了以下几条结论：

①在风荷载影响下，考虑蒙皮效应前的中间榀框架侧向位移值大，两侧刚架的位移值较小，且中间榀刚架与两侧刚架侧移值的差值较大；考虑蒙皮效应以后，结构的侧移值明显减小，尤其是中间榀框架，侧移值降低的幅度较大，且中间榀刚架与两侧刚架差值大大减小，抗侧能力明显提高，整体侧向刚度增加，整体性更好。

②既有钢筋混凝土框架结构的内力变化不大，这是由于顶层门式刚架的质量与刚度比底层框架结构小很多，所以门式刚架考虑蒙皮效应前后对底层框架影响较小。考虑蒙皮效应前后，门式刚架的轴力、剪力、弯矩都有不同幅度的减小，但是变化不明显，但是对于各榀框架来说，刚架左右两侧的内力差值明显减小，因此，蒙皮板的加入有利于结构受力的均衡稳定，受力更加连续合理，结构变形更加均匀。

③带蒙皮结构的楼层位移、顶层位移都小于无蒙皮结构，尤其是顶层门式刚架，层间位移变化较大，蒙皮板的加入大大减小了顶层的层间位移。由反应谱分析得出的层间位移变化可知，顶层门式刚架的层间位移值较大，因此门式刚架与底层框架结构的连接处为薄弱层，设计时要给予足够的重视。