田 丹 張亞楠

（焦作工貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454550）

近幾年來，隨著社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以輕型鋼結(jié)構(gòu)為主要材料的建筑在民用建筑和工業(yè)建筑中得到了廣泛的運(yùn)用，主要是因?yàn)檫@種建筑有著外形美觀，施工進(jìn)度較快，環(huán)保好，以及造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，有限元法逐漸成為模擬建筑結(jié)構(gòu)的有效方法。

1 工程概況

本文采取的計(jì)算模型為三層冷彎薄壁型鋼密肋結(jié)構(gòu)體系住宅，其平面布置如圖1-1 所示。本工程為邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司開發(fā)的別墅工程，建筑物總高度10.650m，室內(nèi)外高差0.45m，二類建筑，輕型鋼結(jié)構(gòu)，耐火等級(jí)二級(jí)，建筑面積為333.61m2，本工程屋面防水等級(jí)為二級(jí)。建筑場地類別為Ⅱ類，地基承載力為120kN/m2。基本風(fēng)壓為0.45kN/m2?；狙簽?.30kN/m2。7 度抗震設(shè)防烈度，抗震等級(jí)為Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。本工程中輕鋼別墅的框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用的是冷彎薄壁型鋼，冷彎薄壁型鋼的鋼材選用Q345B 級(jí)鋼，柱距和梁距分別按照600mm 的模數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2 有限元模型的建立

本論文利用ANSYS 有限元分析軟件建立以上別墅的計(jì)算模型，未考慮蒙皮效應(yīng)的有限元模型如圖2[2]。

在圖2 所示的有限元的模型當(dāng)中，其框架構(gòu)件采用BEAM188 單元模擬，所用連接件采用COMBIN14 單元模仿[3]。在此基礎(chǔ)上，蒙皮板采用SHELL181 單元來假定模擬，考慮蒙皮效應(yīng)的有限元模型如圖3[2]。

3 蒙皮效應(yīng)分析

本文采用時(shí)程分析法，即根據(jù)我們事先選定的地震波、結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力的特征曲線，動(dòng)力方程直接積分后再逐步的積分來計(jì)算地震中每一時(shí)刻結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移、速度以及加速度，結(jié)構(gòu)在此過程中分別經(jīng)歷了彈性、非彈性階段，得出其內(nèi)力是怎樣的變動(dòng)過程及構(gòu)件從有裂縫一直到有損壞以致結(jié)構(gòu)全部坍塌的全過程[4]。

文中所選地震波為EL-Centro 波，原始曲線如圖4 所示。此地震波記錄的是1940 年5 月18 日在美國加利福尼亞地區(qū)發(fā)生的6.7 地震。采用這個(gè)波時(shí)，地震加速度次數(shù)設(shè)為750次，每一步的時(shí)間間隔為0.02s，總持時(shí)則為15s。其在7 度、8 度和9 度多遇地震烈度下的調(diào)幅系數(shù)分別為：0.0001666、0.0003332 和0.0006663[5]。

本文假定結(jié)構(gòu)模型僅受單向水平波作用，故運(yùn)算時(shí)只輸入了El-Centro 波的X 向進(jìn)行求解，并且只進(jìn)行了該結(jié)構(gòu)在8 度多遇地震烈度下動(dòng)力時(shí)程分析，后對(duì)蒙皮結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)在不同地震波的作用下其位移隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6、表1 所示。

40 20(mm)0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15位-20移一層三層-40時(shí)間（s)

表1 不同模型位移最大值數(shù)據(jù)對(duì)比表(mm)

4 結(jié)語

由以上圖表及分析可得如下結(jié)論：

(1)在El-centro 波作用下，框架結(jié)構(gòu)的模型與蒙皮結(jié)構(gòu)的模型相比其位移數(shù)值較大。觀察以上圖表，從一、二層位移最大值的變化規(guī)律中可以看出，在對(duì)結(jié)構(gòu)施加El-Centro 波時(shí)，無論是框架結(jié)構(gòu)還是蒙皮結(jié)構(gòu)，它們位移絕對(duì)值的最大值都會(huì)隨著樓層的增加而增大，這就證實(shí)了結(jié)構(gòu)在受到地震作用時(shí)，頂部的變形較底部大；通過數(shù)值的對(duì)比，我們還可以看出，框架結(jié)構(gòu)的模型其位移最大值在3 層頂部為36.2108mm，而蒙皮結(jié)構(gòu)的模型其最大位移在3 層頂部則降為21.6903mm，且蒙皮結(jié)構(gòu)的頂部位移量明顯小于框架結(jié)構(gòu)，大約為框架結(jié)構(gòu)頂部位移的60%左右。這說明了輕鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)在地震中發(fā)揮了作用，蒙皮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體的剛度及承載力。

(2)地震波作用下，兩種模型位移值都在隨著樓層數(shù)增加而增加，頂層位移絕對(duì)數(shù)值都是最大的。

(3)通過觀察和對(duì)比兩種模型，后者的抗震性能較前者的好，所以在現(xiàn)實(shí)的工程中，當(dāng)整體剛度不夠的情況下，應(yīng)多加考慮結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)是對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震有良好的效果。另外，對(duì)于樓層比較低的輕鋼結(jié)構(gòu)，其各層的的變形差距非常小。

總之，蒙皮結(jié)構(gòu)的的整體結(jié)構(gòu)剛度大于框架結(jié)構(gòu)，其抗震性能優(yōu)于框架框架結(jié)構(gòu)，故在實(shí)際工程中考慮結(jié)構(gòu)的蒙皮效果是對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震有良好的效果。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮建筑物圍護(hù)鋼板產(chǎn)生的蒙皮作用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，使構(gòu)件的截面尺寸變小，從而達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。