冷弯薄壁型钢应力蒙皮设计规范

W W

W .

Z H

U L

O N

G .C

O M

轻型房屋钢结构中压型板应力蒙皮作用的分析

汤 征 张建萍 李海燕

宝钢设计院 上海

摘 要 基于压型板平面内的试验

讨论和分析了应力蒙皮作用的机理 着重描述了压型板在蒙皮效应中的变形特点

介绍了压型板应力蒙皮变形的计算方法 并就轻型房屋钢结构中的应力蒙皮作用的设计提出了构造措施∀ 关键词 压型板 变形 应力 蒙皮作用

ΑΝΑΛΨΣΙΣΟΦΤΗΕΠΑΝΕΛΣΤΡΕΣΣ∆ΙΑΠΗΡΑΓΜΙΝΜΕΤΑΛΒΥΙΛ∆ΙΝΓ

Αβστραχτ Κεψωορδσ

第一作者 汤 征 男 年 月出生 高级工程师收稿日期

结构体系中抵抗水平力作用的构件通常有

支撑 剪力墙 筒体 框架等等

单层门式刚架轻型房屋建筑中 抗侧力构件主要有

十字支撑 门式支撑 角撑等形式∀轻型房屋建筑中的墙面 屋面压型板

除了承担平面外的风荷载 活荷载外

还可以充分考虑其平面内的刚度 强度 使其成为有效的抗侧力构件∀这就是通常所说的压型板的蒙皮作用∀采用

理论方法计算应力蒙皮作用是非常复杂的

但是了解掌握蒙皮作用的基本概念

配合一些必要的试验 以及正确的构造措施

在轻钢结构设计中有效地利用压型板的蒙皮作用 具有一定的实用价值∀

应力蒙皮作用下压型板变形分析 蒙皮效应的变形组成

轻钢结构体系中的墙面 屋面压型板及檩条包边等共同作用

组成抗侧力体系 当水平力作用于结构体系上 框架 支撑 压型板 檩条等共同承担水平力 此时体系产生的位移与裸刚架承担同样大小的水平力而产生的位移是完全不同的

图 为在同样的风荷载作用下 无围护门式刚架与有压型板围护门式刚架在柱顶的位移比较∀从图 中可以看出 蒙皮效应在某些条件下 对结构体系是非常有利的 其中蒙皮效应的变形主要由如下部分组成

自攻螺丝拉伸变形和剪切变形

压型板肋间翘曲变形和板肋处翘曲变形 压型板剪切变形和压型板搭接处的相对错动 檩条的扭曲变形和檩条与刚架连接处联结变形∀

以上各种变形对于不同的压型板 出现变形的顺序是不同的∀可能出现一种变形后

压型板的应力蒙皮作用即已退出工作 也有可能出现上述的全部变形后 应力蒙皮作用全部失效

∀

图 应力蒙皮位移曲线

注 Θ为有围护刚架柱顶位移与裸刚架柱顶位移之比

Β为建筑物宽度 Η为建筑物檐高 ΒΠΗ ΒΠΗ ΒΠΗ

几种不同压型板蒙皮效应试验过程中的变形分析

试验概况介绍

试验按美国标准试验方法 规定的程序进行

共进行 种板型的试验 板型尺寸如图 ∀试验机构由 ≅ ≅ 的角钢组成一个 ≅ 的可变体系

平行长边方向设有两根檩条∀分级施加水平荷载 每级荷载持续约 然后继续加载 通过荷载仪记录变形∀所有的水平力由压型板平面内的刚度承担∀最终失效有两种情况

压型板边界处联结破坏导致机构失效 压型板翘曲变形后失稳使机构失效∀

试验过程中的变形分析

从荷载 变形曲线上看 图

各种板型相同荷载下对应的变形值差异很大

特别是 号板应力蒙皮作用很小 尤

工业建筑 年第 卷第 期

W W

W .

Z H

U L

O N

G .C

O

M

图 板型几何尺寸

号板型 号板型 号板型 号板型

注 板厚均为 材料屈服强度

图 荷载 变形曲线

其表现在第 个阶段 荷载不增加的情况下 位移大幅度增加

机构已经失效∀表 详细分析了 号板型各种变形的出现阶段∀表中

所示各种变形在理论上都有相应的计算公式∀利用这些公式计算各阶段的变形

叠加后可以计算出总变形 然而理论计算的变形值与试验得出的变形值还是有较大的差异∀

表 号板变形过程描述

序号

加载等级Π

现 象

无变形或板间产生微小缝隙

板所有侧向搭接处自攻螺丝弯折 β

少量与檩条连接的自攻螺丝弯折 β∗ β

少量与檩条连接的自攻螺丝弯折 β∗ β

轻微的翘曲 主要在端部自攻螺丝固定处的压型板 板侧向搭接处自攻螺丝弯折 β 板侧搭接处脱开

时肋间的板翘曲

承载力下降 肋间板翘曲 板侧向搭接处自攻螺丝的孔被拉长 达到极限承载力Π

板端从自攻螺丝处断开

应力蒙皮作用下压型板变形计算

小挠度理论板的微分方程计算应力蒙皮作用下的变形

假设如图 所示均匀受剪的四边简支板段∀根据能量法可列出位移函数的偏微分方程式

Λ Ξ

Ξ ξ Ξ

ξ ψ Ξ ψ

∆ Ξ ξ ψ

图 四边简支受剪板段屈曲

满足几何和自然边界条件的挠曲面函数为

Ξ Α

Πξ Πψ Α Πξ Πψ

利用伽辽金法求解

Θα Θα

Λ Ξ Πξα Πψ

α

ξ ψ

Θα Θ

α

Λ Ξ

Πξα Πψ

α

ξ ψ

将式 代入式 式 可得

Π

α

Α ξψΑ

ξψΑ Π

α

Α 板的屈曲条件

Π α

ξψ

∆ ξψ

∆

Π

α

求解得

ξψ

Π ∆

α

常用试验方法计算变形

通过试验得到极限承载力Π 那么压型板单位长度的极限抗剪强度为

Σ

Π β

抗剪刚度为

Γ

Π

∃χ

α

β

剪切变形为

∃χ ∃ ∃χ

其中 ∃χ为试验过程中 荷载 变形曲线中对应 Π 处的平均变形∀

∃χ Πα

ΕΙ Ι

Αβ

式中 Α为边界构件的截面积∀

以图 中的曲线 为例

轻型房屋钢结构中压型板应力蒙皮作用的分析 汤 征 等