考虑蒙皮效应的多层钢框架整体受力性能研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 18.3MB 63 页 15积分

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考虑蒙皮效应的多层钢框架

整体受力性能研究

摘要

在现代轻型钢结构中，压型钢板在其自身平面内具有很大的抗剪能力，由其

组成的围护体系参与结构整体受力，能够大幅提高结构的空间整体刚度。这种有

利作用被称为蒙皮效应或者蒙皮作用。从前人的研究来看，对蒙皮效应一般都集

中在单层刚架结构，因此本文从多层钢框架角度出发，考虑蒙皮效应的影响。

展开来讲，本文作了如下几方面的工作：

1、详细阐述了正交各向异性板的简化计算，特别是压型钢板等效为正交各向

异性板转换计算。

2、通过已有的试验为基础，利用有限元程序 SAP2000 建立同试验试件相近的

有限元模型，验证了有限元方法模拟分析的可靠性和有效性。接着对一般的多层

钢框架和考虑蒙皮效应的多层钢框架分级加载，通过计算结果分析蒙皮效应对多

层钢框架结构的内力影响和对结构抗侧刚度的贡献情况。

3、对蒙皮结构进行参数分析，主要考虑了山墙与屋面蒙皮板各自单独作用时

的影响程度以及蒙皮板开洞两个因素，总结其对结构侧移及内力的影响规律。

经过前面的分析，可得到如下结论：

1、蒙皮作用对于提高多层钢框架结构空间整体性有很大的帮助，原来独立抵

抗外荷载作用的各钢框架通过蒙皮板更加有效地联结形成共同作用的整体，提高

了各钢框架的承载能力。

2、考虑了蒙皮效应要比不考虑蒙皮效应的结构位移值要小，说明蒙皮作用对

结构整体抗侧刚度的贡献很大，能够有效控制结构柱顶侧移。

3、围护体系从蒙皮作用的角度考虑，重要程度排序为：山墙蒙皮板、屋面蒙

皮板和纵墙蒙皮板。山墙蒙皮板是抗剪能力和抗侧移的主要构件，是传递水平集

中荷载的关键点。

4、蒙皮板开洞将减少蒙皮作用对结构抗剪强度和抗侧刚度的贡献。一定程度

下面积越大减弱程度越高，开洞分布位置越靠近端部，影响程度越大。

关键词：有限元蒙皮效应多层钢框架集中荷载参数分析

ABSTRACT

In the light-steel structure, profiled steel sheet consisting of enclosure system can

bear load with the steel frame together, which can greatly improve the overall stiffness

of the steel frame. This beneficial effect is called the effects of skin diaphragms.

Previously, reseaches on skin diaphragms are generally concentrated in the single-storey

frame structure, so the paper starts from the perspective of multi-storey steel frame.

Firstly, the paper introduced the simplified calculation of the orthotropic plate,

especially the process that profiled steel sheet is equivalent to orthotropic plate

calculation.

Secondly, according to the experimental data available, The model of the test

specimen has been established through the finite element program SAP2000. Then the

reliability and validity of the finite element method can be verified. Then it apply

simulation static load step by step on the general multi-storey steel frame and the one

considering the effect of skin diaphragms. Through the calculation results of skin

diaphagms, the paper analyse its influence on internal force of multi-storey steel frame

and the contribution to the lateral stiffness of the structure.

Lastly,

as the parameters about the structure of stressed skin diaphagm, mainly two factors

are choosed, which are the gable skin diaphragms and diaphragms with openings. These

parameters that impact the influence rules of lateral displacement and internal force of

the structure are analyzed.

Skin diaphragm greatly help for improving the spatial structure of multi-story steel

frame. The whole original independent resistance load of the steel frames are connected

together to form a common role, improve the bearing capacity of the steel frame.

Considering the structural displacement diaphragm effect value to one order of

magnitude smaller than that without considering the skin diaphragm structure. It shows

that the effect of skin diaphragms can effectively control the displacement of structure,

and can be the key part on lateral shift contribution.

arts of the general protection system can be oranged by importance: gable roof

diaphragm, diaphragm and longitudinal wall skin plate. Gable diaphragm is main

component of shear capacity and lateral displacement, is the key point to transfer the

horizontal concentrated load.

The holes of

skin diaphragms will reduce the shear strength and the stiffness of the structure.

Under a certain degree, the hole is bigger, the higher level. If the hole beyond a certain

area, it is easy to cause the edge buckling.

Key Word：Finite Element Analysis , Skin Diaphragms ,

Multi-story Steel Frames , Concentrated Loads , Parameter Analysis

目录
摘 要.........................................................................................................................1
ABSTRACT..............................................................................................................2
第一章 绪论...............................................................................................................1
1 引言..................................................................................................................1
2 蒙皮作用的研究概况......................................................................................3
2.1 国外研究发展概况...................................................................................3
2.2 国内研究发展概况...................................................................................6
3 蒙皮作用的工程应用......................................................................................7
3.1 适用的结构类型.......................................................................................7
3.2 蒙皮效应工程应用...................................................................................8
3.3 工程应用注意事项...................................................................................9
4 本文研究意义和内容....................................................................................10
4.1 本文研究的意义.....................................................................................10
4.2 本文研究的内容.....................................................................................11
第二章 蒙皮体系组成和作用原理.........................................................................12
1 蒙皮体系组成部分........................................................................................12
2 蒙皮效应作用原理........................................................................................14
3 蒙皮板的布置................................................................................................16
4 蒙皮体系的破坏形式....................................................................................17
5 本章小结........................................................................................................18
第三章 蒙皮体系组成构件有限元分析.................................................................19
1 有限元原理概述............................................................................................19
2 正交各向异性板的简化原理........................................................................20
2.1 构造上正交各向异性的薄板.................................................................20
2.2 等效为正交各向异性板的转换.............................................................21
3 本章小结........................................................................................................22
第四章 蒙皮结构整体性能有限元分析.................................................................23
1 有限元模拟正确性验证................................................................................23
1.1 参考试验介绍.........................................................................................23
1.2 有限元建模分析.....................................................................................24
1.3 模拟结果与试验结果分析.....................................................................24
2 一般多层钢框架............................................................................................26
2.1 有限元建模分析.....................................................................................26
2.2 荷载取值和加载方式.............................................................................27
2.3 结构破坏准则.........................................................................................29
2.4 结构位移和内力分析.............................................................................30
3 考虑蒙皮效应的多层钢框架........................................................................37
3.1 有限元建模分析.....................................................................................37
3.2 结构位移和内力分析.............................................................................38
4 两种模型蒙皮作用对比分析........................................................................46
4.1 结构杆件内力.........................................................................................46

4.2 结构柱顶位移.........................................................................................47
5 本章小结........................................................................................................48
第五章 蒙皮结构的参数分析.................................................................................50
1 蒙皮板布置部位............................................................................................50
1.1 屋面和纵墙蒙皮板的影响.....................................................................50
1.2 山墙蒙皮板的影响.................................................................................51
1.3 不同位置蒙皮板影响比较.....................................................................53
2 蒙皮板开洞位置............................................................................................54
2.1 山墙蒙皮板开洞的影响.........................................................................54
2.2 屋面蒙皮板开洞的影响.........................................................................55
3 本章小结........................................................................................................57
第六章 结论与建议.................................................................................................59
1 结论................................................................................................................59
2 建议................................................................................................................60
参考文献..................................................................................................................61

第一章绪论

1.1 引言

随着国家各行业的迅猛发展，我国钢结构行业也在快速发展，国内的钢材总

产量在世界范围内一直在排列靠前，应用领域也在不断延伸和扩展。其他相关的

上下游产业，如钢结构机械加工、设备制造、配套的高强度螺栓、连接件生产等也

迅速发展起来了。在建筑工程中，参照国外发达国家的经验，钢结构将会在以后

占据越来越重要的地位和日益递增的市场份额。

而从整个钢结构产业链来看，轻型钢结构又有其独特的一面。商品化程度高、

施工速度快、周期短、经济效益高，这些有别于钢筋混凝土工程的巨大优势使得市

场需求不断加大。简而言之，更加符合工业化流程操作，广泛运用于各种单层大

空间结构（仓库、机场、火车站、大型展馆等）和民用住宅建筑（国外欧美市场三

层以下的钢结构别墅和公寓居多，替代木结构房屋）等工程，发展前景十分广阔。

因此随着市场成熟和行业发展，由于压型钢板是一般钢结构仅次于主体框架

的组成部分，国内建成了许多以压型钢板为围护体系的钢结构建筑。压型钢板具

有单位重量轻、强度高、抗震性能好、安装速度快、外形美观等优点。在国外不仅广

泛应用于工业建筑中，很多民用建筑也用它做屋面、墙面等围护面板甚至是需要

承担荷载的楼板。目前，压型钢板在工业建筑当中的应用为主，但是随着推广和

造价越来越低，民用建筑中尤其是多层住宅和公寓，使用轻钢结构也越来越多，

为压型钢板在这类建筑中打开市场。

压型钢板平面内的抗剪能力要远远大于其抗弯承载力，这是压型钢板应用于

钢结构房屋当中时考虑其蒙皮效应的最重要因素，也是设计首要考虑的问题。另

外作为围护体系的压型钢板还可以承受着平面内的外荷载，即具有平面内的外荷

载传递作用。这种考虑其平面内的抗剪性能对主体钢结构的贡献，从建筑和结构

设计的角度上来讲即蒙皮效应。

从结构和经济角度考虑，压型钢板的这种蒙皮作用有着很大可利用之。但考

虑蒙皮效应的这种抗剪性能，有一个很重要的前提：压型钢板必须同主体结构有

十分可靠的连接，并且连接件必须稳靠有效的工作。如此才可以考虑围护体系同

时作为结构受力体系的组成部分，继而分担结构的承载力，并为结构的整体刚度

提供贡献。

从正常使用状态的设计思路出发，就是压型钢板能对同它相连的构件提供持

续的侧向支撑，提高结构的整体稳定性和抗侧移刚度，从而更有利于结构满足各

项变形要求。从建筑的美观舒适原则来讲，钢结构的一般设计方法都是依靠额外

的支撑系统结合主体结构本身的受力体系，以抵抗风荷载和地震作用引起的水平

荷载，保证结构的整体刚度和稳定。然而很大程度上，这些支撑系统有碍于建筑

外部美观的表达和局部的功能使用。如果考虑压型钢板的蒙皮效应，那么可以减

少甚至取消这些支撑构件，这样很好地解决了建筑需要美观、结构寻求安全甚至

追求较好经济效应这些较难统一协调问题。

国内钢结构设计的传统经验是这样处理蒙皮效应 [1]：认为不考虑蒙皮效是比

较保守的做法，结构的蒙皮效应可以作为结构的安全储备而不考虑其作用。在设

计中总是采用支撑杆件体系，为了形成具有空间刚度的稳定体系，利用支撑杆件

体系将各个平面刚架联接起来。实际上，不论设计中是否考虑压型钢板的蒙皮效

应，它都客观存在于大量的实际结构中，而且达到了一个规模效应。与不考虑蒙

上海理工大学硕士学位论文

皮效应的一般结构相比，结构的传力方式确实因为它的存在而被改变了，因此与

我们现行的设计方法和思路相比较有一定的出入。如果在实际工程中完全不加以

考虑，我们可以预见将造成一定的经济损失。或者换个角度来说，是否考虑结构

的蒙皮效应并不是一个简单的经济问题，同样也涉及到一个更为关键的安全问题。

从结构的整体受力来看，考虑其蒙皮效应不仅使得主体结构得到了围护体系

的加强，而且大幅度的提高了结构的空间稳定性。如果选用高延性、高强度材料作

为房屋围护体系组成构件，那么围护体系将协同主体结构抵抗外部作用，不仅增

加了结构的整体稳定性尤其是抗侧移的能力，还大大提高了结构水平方向的承载

能力。

考虑到对主体结构的有利作用，我们才将考虑钢结构的蒙皮效应引入到结构

设计的指导中。另外从目前的研究情况来看，这也确确实实反映了房屋的真实受

力状态。无论是单层的刚架结构，还是多层的框架结构，钢结构的围护体系一般

都包含屋面围护系统和墙面围护系统。墙面围护体系又包含纵墙面和山墙面围护

体系，其中山墙的重要性比纵墙的要高。

这里主要是想说明，不管是屋面还是墙面围护系统，若考虑结构的蒙皮效应，

可以充分利用压型钢板的潜在力学性能，降低钢材的用量，从而节省钢结构普遍

偏高的工程造价，使得这种基本符合绿色建筑要求的钢结构房屋市场占有率进一

步提高。从压型钢板的发展历程来看，无论学者还是广泛的钢结构设计从业人员

都越来越重视其蒙皮效应在结构当中的作用，并开始于实际设计中应用，在国外

已经有了很多实际工程应用。

实际上，根据欧洲钢结构协会（TCT）委员会对结构蒙皮效应专门展开的经

济效应研究，其中说明了考虑蒙皮效应的房屋，总成本（包含屋面板和主体钢框

架在内）能够降低多达一成，考虑到一般钢结构的成本总量，已经相当可观。另

外从以后的发展趋势——住宅来讲，与传统钢筋混凝土结构相比，低层钢结构别

墅和多层住宅公寓不仅能满足人们对居住条件的需求，又能减小对资源和环境的

破坏，考虑蒙皮效应之后也正好能一定程度上缓解钢结构普遍造价偏高这个难题。

考虑到我国住房土地资源不多而人口数量巨大的国情，并且钢材产量位居世

界前列，钢结构体系又刚好切合可持续发展的绿色节能理念，因此轻钢结构住宅

的发展将不可估量。按照国外的钢结构发展趋势，以及根据国内经济实力的提升

以后越来越多的多层住宅甚至是高层房屋将采用钢结构体系进行设计施工，这将

必然使得蒙皮效应在建筑钢结构的应用当中越来越重要。

1.2 蒙皮作用的研究概况

1.2.1国外研究发展概况

上世纪50 年代，这是人们开始关注钢结构蒙皮效应的最开始时间。当时试验

人员对若干门式刚架结构进行了足尺的试验，而试验所测得的数据当中，应力和

挠度比按照当时的计算方法得到的结果要小很多。他们的测量对象主要包括：厂

房和仓库，这些建筑物的共同特征就是室内没有楼板和分隔墙。那么以上测量结

果偏小的合理解释就聚焦在没有考虑其力学性能的压型钢板身上。正是这个发现

从此对建筑结构压型钢板蒙皮效应长期、自成体系并取得很多成果的理沦研究和

试验研究在世界范围内展开。

经过半个多世纪的试验以及理论研究，参考前人的经验，关于蒙皮效应的研

究方法大致可分为以下三类：试验方法、简化分析方法和计算机数值模拟。

1）试验方法

第一章绪论

试验方法是采用足尺蒙皮板试件进行加载，然后测量应变、位移等数据，从

而分析蒙皮板平面内的抗剪性能，然后通过试验数据的回归分析建立蒙皮板的剪

切强度和刚度计算经验公式。在早期的对蒙皮效应研究中时主要的手段，也是不

可缺少的研究过程。

美国Cornell University 的Winter 等针对蒙皮板的板型、板跨一共做了50 多个

足尺试验[2]，研究了上述两个最为常见的参数对蒙皮板性能的影响，这次的试验

研究产生了大量数据，为以后的研究提供了可比对象，也为蒙皮效应研究奠定了

坚实的基础。

Luttrell 对焊接连接方式和螺钉连接件做了很多试验[3]。包括在反复荷载作用

下蒙皮性能的研究，根据实验数据和当时的计算理论提出了估算蒙皮板刚度的半

经验公式。

英国学者E.R.Byran 最早对开口蒙皮试件包括其抗剪性能进行了试验，但是

最初他只是制作了两个蒙皮试件进行试验，由于试验数量的局限性，没有很大的

可分析性，因此所得结论没有很大参考价值，但是试验的数据非常有价值[4-5]。

Easley 对蒙皮板的连接件抗剪性能进行了很多试验研究，研究结果表明蒙皮

体最常见的破坏模式并非是蒙皮板自身的失效，而是连接件的局部挤压和剪切破

坏，然后得出了这一结论：蒙皮体连接件的位置间距和数量对其剪切刚度起决定

性的作用 [6]。

美国J.M.Davies 和R.M.Lawson 对开口蒙皮性能做了较为详细的足尺试验研

究[7]，研究中考虑了可能影响开口蒙皮性能的各种因素，试验共采用了 8个开洞

的蒙皮板试件。他在一般闭口蒙皮板的设计公式上进行相应的修正，然后给出了

实际工程设计当中可以普遍使用的半经验计算公式。

美国Cornell University 的学者Pekoz 等是最早一批对蒙皮体系重要的支撑杆

件檩条展开了试验和理论研究，他们主要考虑了风荷载作用下的包括C型和 Z型

两种常见冷弯薄壁截面的檩条对应力蒙皮板的影响 [8]。

德国Karlsruhe 大学的Roif Baehre 和Thomas Ladwein 对一种较为特殊的夹芯

板材蒙皮单元进行了抗剪试验研究[9]。他们虽然考虑的是不同板型、不同边界条件

及连接件布置方式对蒙皮效应的影响，但是他们得出的结论却从侧面证明了

Easley 试验研究结果的合理性和正确性。

Gianfraneo DeMatteis 和Raifaele Landolfo（1999）针对对自攻螺钉这种新型

连接的聚氨醋夹芯板在静载和反复荷载作用下的蒙皮性能进行了试验研究[10]，研

究中结合工程实际，他们试验的重点在于同时考虑不同连接方式和不同外荷载作

用下蒙皮单元的抗剪能力，其中外荷载主要是指静荷载和反复荷载的影响试验，

为了对比验证，他们还进行了模拟分析，其结果与试验符合较好。他们研究结果

也表明连接件的布置对蒙皮单元抗剪性能有很大影响。

日本Nobutaka Shimizu 和Ryoichi Kanno （2013）等[11]针对有附加承重墙的低

层轻钢结构进行了单调和循环荷载加载试验研究。由胶合板与石膏板等材料组成

的蒙皮板通过自攻螺丝钉同刚架连接，试验中得到了结构的滞回曲线。结果表明

考虑蒙皮板面内刚度对于承重墙抗震性能的提升有很大帮助。

2）简化分析

简化分析方法是以试验为前提，分析试验数据和结果，建立相对简单易用的

力学模型，并提出各种合理的假设，利用力学理论方法推导出计算蒙皮单元变形

和承载力的简化公式。

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摘要：

考虑蒙皮效应的多层钢框架整体受力性能研究摘要在现代轻型钢结构中，压型钢板在其自身平面内具有很大的抗剪能力，由其组成的围护体系参与结构整体受力，能够大幅提高结构的空间整体刚度。这种有利作用被称为蒙皮效应或者蒙皮作用。从前人的研究来看，对蒙皮效应一般都集中在单层刚架结构，因此本文从多层钢框架角度出发，考虑蒙皮效应的影响。展开来讲，本文作了如下几方面的工作：1、详细阐述了正交各向异性板的简化计算，特别是压型钢板等效为正交各向异性板转换计算。2、通过已有的试验为基础，利用有限元程序SAP2000建立同试验试件相近的有限元模型，验证了有限元方法模拟分析的可靠性和有效性。接着对一般的多层钢框架和考虑蒙皮效...

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