考虑蒙皮效应的檩条极限承载力的有限元分析和试验研究

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会考虑蒙皮效应的檩条极限承载力的有限元分析和试验研究周学军张之峰曹现雷(山东建筑大学·济南2501011摘要，本文对蒙皮支撑c型檩条在竖向荷载作用下的稳定承载力进行了理论分析和试验研究。探讨囊皮扳对檩条的侧向支撑和扭转约束作用机理，应用有限元定量分析了有、无蒙皮支撑两种情况下榇条的极限承载力，并与现行国家标准作以比较，得出檩条在有蒙皮情况下，受力后侧移、扭转角和内部应力均比无蒙皮支撑时减小．承载力大幅提高。关键词：蒙皮效应，萤皮支撑，有限元目前．国内对蒙皮支撑钢构件性能的理论和试验研究还很欠缺，为了使应力蒙皮效应在我国尽快得到广泛应用，

2、就有必要对国内常用材料进行系列试验，分析研究符合我国实际情况的应力蒙皮体及其支撑构件的受力性能，以获得必需的实验数据和理论分析依据。本文对蒙皮支撑c型檩条在竖向荷载作用下的稳定承载力进行了理论分折和试验研究。探讨蒙皮扳对檩条的侧向支撑和扭转约束作用机理，通过有限元定量分析了有、无蒙皮支撑两种情况下檩条的极限承载力。并与现行国家标准作以比较。得出檩条再有蒙皮情况下，受力后侧移、扭转角和内部应力均比无蒙皮支撑时减小，承载力大幅提高。一、轻钢结构中的檬条在我国的规范计算方法我国在蒙皮支撑的构件性能方面的研究不多，设计规范中尚未考虑蒙皮对构件支撑的有利作用。在《冷晚薄壁型钢

3、结构设计规范》(GB50018—2002)中有檩条的计算公式，未考虑屋面板对檩条下翼缘失稳的约束扭转作用，只是分为屋面材料能够阻止檩条侧向失稳及扭转和不能够阻止檩条侧向失稳及扭转两种情况。对屋面材料能够阻止檩条侧向失稳及扭转的情况只按(8．1．卜1)进行强度验算，而对屋面材科不能够阻止檩条侧向失稳及扭转的情况按式(8．L卜2)进行稳定性验算。材M口=土+』≤，(卜1)，％％，。2L+生sr(1—2)纡呢％7据国内外研究．当压型钢板与檩条之间连接件牢固连接后，压型钢板会给檩条的上翼缘强大的侧向支撑作用，即蒙皮作用，此时在竖向荷载作用下，一般可按强度计算檩条的承载力。而

4、用挂钩螺栓连接时。压型钢板和檩条之间可以在一个方向滑动，侧向支撑作用较小，出于安全可按稳定经验公式进行稳定承载。力验算。二、有、无蒙皮支撑檩条的ANSYs分析首先．要建立有限元模型。有蒙皮支撑檩条模型：按实际形状和尺寸建立．整个试件模型为z三根跨度3000m，间距1500m的工业建筑2007增刊13酪第七届全围现代结构工程学术研讨会c形卷边檩条，截面尺寸为loox50x2．5InIⅡ。卷边为15IIⅡI【，见图l；其上覆盖压型钢板作为蒙皮支撑，压型钢板规格}f、，205A．板厚为0．5lll『日，见图2。檩条的两端为转动约束简支端，可限制檩条在端部的侧向扭转及水平位

5、移和竖向位移；檩条与压型钢板于波谷用自攻螺钉逐波连接。檩条选用8节点高阶粱单元BEAMl89，压型钢板采用8节点高阶板壳单元sHELL93，檩条与压型钢板的连接通过在自攻螺钉位置将二者相对应节点的自由度耦合来实现。檩条与压型钢板均采用Q235钢，弹性模量E为2．06xlO。，泊松比∥取O．3。划分网格后的有限元模型如图3所示：50P-———-1图l檩条截面图a丌l】B3771乱∞t205图2压型钢板截图3蒙皮结构图图4檩条变形图对模型进行特征值屈曲分析，选择subspace即子空间迭代法，设定模态数目和扩展模态数日．对构件施加均布面荷载分析计算。取中间一根檩条，其变

6、形如图4所示：。'查看一·阶模态，一‘阶频率结果为一0，12719E一02(负号表示蒙皮扳所受力为压力)，即本体系的屈曲面荷载的上限为0．12719xlO一2N／Ⅲ2，按照单向板的传力路径，三根檩条中，中间一根的受力最大，换算到其上的均布线荷载为O．12719×10—2×1500：1．9079N／m，此值即为有蒙皮扳支撑檩条届曲荷载的上限值。单根檩条模型：两端仍为转动约束简支端，受均布荷载作用。为使分析结果具有可比性，檩条截面尺寸、跨度、单元类型、材料属性、各选项设定、分析方法等均与有蒙皮支撑的檩条分析相同。划分网格后的有限元模型如图8所示。图5檩条模型图‘·图6檩

7、条变形图仍采用特征值屈曲分析，选择subspace即子空间迭代法，设定模态数目和扩展模态数目，对构件施加均布线荷载。工业建筑2007增刊1矧J』寸第七届全国现代结构工程学术研讨会查看一阶模态，一阶频率结果为1．5693，即本试件的屈f}}

8、荷载的上限为1．5693N／m，这也即为无蒙皮支撑的单根简支檩条的屈曲荷载的上限值。按一中提到的《冷弯薄壁型钢结构设计规范》第一款，屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转的实腹式榇条的稳定承载力计算，得到的屈曲荷载为1．62N／mm，与ANsYs分析结果基本一致。通过对有、无蒙皮支撑两种情况F檩条承载能力性能的对比分析可以看出tl、蒙