李婷，周婷，劉蒙，史超男，王婷，董雷

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

1 引言

在輕鋼加層結(jié)構(gòu)中，加層門式剛架的設(shè)計關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，而蒙皮板即壓型鋼板對門式剛架的整體受力起著至關(guān)重要的作用。在輕鋼加層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，大多數(shù)會忽略壓型鋼板對結(jié)構(gòu)的影響，事實上，壓型鋼板本身具有一定的抗剪能力，與主體結(jié)構(gòu)共同作用時能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力，使結(jié)構(gòu)趨于安全，這種作用就是蒙皮效應(yīng)，輕鋼加層設(shè)計時考慮蒙皮效應(yīng)更貼近結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，更具經(jīng)濟(jì)性。

2 結(jié)構(gòu)模型建立

3 靜力計算及分析

為了便于分析，將模型中頂層的門式剛架從①軸～⑧軸分別命名為GJ1～GJ8，分別討論考慮蒙皮效應(yīng)前后的結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力情況。

3.1 結(jié)構(gòu)位移分析

首先分析結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移，將荷載分級施加于考慮蒙皮前后的結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，這里只分析GJ1～GJ4 的變化趨勢，表1是在各級荷載作用下，GJ1～GJ4 在考慮蒙皮效應(yīng)前后，頂層各榀剛架的最大柱頂側(cè)移值。

由表1可以看出，考慮蒙皮效應(yīng)前后，柱頂側(cè)移值變化

以某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的3 層綜合辦公樓為例，結(jié)構(gòu)模型情況為：長為54.6 m 共7 跨，寬為14.4 m 共3 個開間，層高為3.3 m，每層樓板的厚度均為100 mm；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上加蓋一層輕鋼門式剛架，層高3.6 m，坡度為1∶10，雙面起坡，梁、柱截面采用等截面H 型鋼，GZ、GL采用HN300×180×6×8，縱向兩邊及屋脊處設(shè)置系桿Φ114×4，門式剛架的墻體及屋面均采用彩色涂層壓型鋼板，厚度0.8 mm。

采用SAP2000 有限元分析軟件進(jìn)行輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)的模擬分析，模型的柱網(wǎng)尺寸與實體的結(jié)構(gòu)實體模型尺寸保持一致，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接與實體模型保持一致。十分明顯，無蒙皮結(jié)構(gòu)的側(cè)移值中間榀剛架柱頂側(cè)移值大，兩端剛架的側(cè)移值小，從中間到兩側(cè)的位移值呈現(xiàn)遞減趨勢，且中間榀框架與兩側(cè)框架的差值較大，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形的不均勻性，考慮蒙皮效應(yīng)后，柱頂側(cè)移值大大減小，且中間榀框架與兩側(cè)框架側(cè)移值之間的差值明顯減小，結(jié)構(gòu)受力更加均勻穩(wěn)定。綜上所述，我們得出一個結(jié)論：考慮蒙皮效應(yīng)以后，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度大大提高，對提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力有較大作用，結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，整體受力更加穩(wěn)定合理。

3.2 內(nèi)力分析

3.2.1 軸力分析

通過有限元分析得出，未考慮蒙皮效應(yīng)時，剛架左側(cè)的軸力值為6.50 kN，剛架右側(cè)軸力值為10.75 kN，考慮蒙皮效應(yīng)以后，剛架左側(cè)軸力值減少到5.11 kN，右側(cè)軸力值減少到9.64 kN，分別減少了21%和10.4%，左右側(cè)軸力差值相差不大。

中間各榀框架軸力最大的為GJ2 與GJ7，未考慮蒙皮效應(yīng)時，剛架左側(cè)的軸力值為17.08 kN，剛架右側(cè)軸力值為14.09 kN，考慮蒙皮效應(yīng)以后，剛架左側(cè)軸力值減少到14.31 kN，右側(cè)軸力值減少到13.30 kN，分別減少了16.2%和5.6%，左右側(cè)軸力的差值大大減小。綜合來看，考慮蒙皮時，軸力值相對略有減小，剛架左右側(cè)軸力差值明顯減小，這與單層門式剛架的研究結(jié)論相一致。

3.2.2 剪力分析

邊跨GJ1 與GJ8 對稱，分析GJ1 得出：未考慮蒙皮效應(yīng)時，剛架左側(cè)的剪力值為8.72 kN，剛架右側(cè)剪力值為14.35 kN，考慮蒙皮效應(yīng)以后，剛架左側(cè)剪力值增加到10.21 kN，右側(cè)剪力值減少到12.10 kN，分別減少了-17.1%和15.7%，左右兩側(cè)的剪力差值由5.63 kN 減小到了1.89 kN，因此，考慮蒙皮效應(yīng)時，剪力分布得更加均勻。

中間榀GJ4 與GJ5 對稱，分析GJ4 得出：未考慮蒙皮效應(yīng)時，剛架左側(cè)的剪力值為8.33 kN，剛架右側(cè)剪力值為14.44 kN，考慮蒙皮效應(yīng)以后，剛架左側(cè)剪力值增加到14.52 kN，右側(cè)剪力值增加到15.50 kN，左右兩側(cè)的剪力差值由6.11 kN 減小到了0.98 kN，差值減小的幅度較大。

3.2.3 彎矩分析

分析GJ1 的彎矩圖得出：不考慮蒙皮效應(yīng)時，左右兩側(cè)的彎矩值相差較大，剛架左右兩側(cè)的彎矩值較大，剛架頂部彎矩相對較小，考慮蒙皮效應(yīng)時，剛架頂部彎矩值變大，彎矩值差值明顯減小，變化趨于均勻。中間各榀框架中，彎矩最大的為GJ4，對比考慮蒙皮效應(yīng)前后的彎矩圖，頂層剛架彎矩值差值明顯減小，受力更加均勻。

綜上所述，輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)考慮壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)時，頂層剛架的剪力、軸力、彎矩都有所減少，且剛架左右兩側(cè)的剪力、軸力、彎矩差值明顯減小，受力趨于均勻，整體性較強(qiáng)，應(yīng)力分布更為合理。

3.3 模態(tài)分析

由于頂層門式剛架的質(zhì)量和抗側(cè)移剛度與底層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比小很多，所以頂層門式剛架對底層框架結(jié)構(gòu)的影響較小，而底層框架結(jié)構(gòu)對頂層門式剛架的影響較大，整個結(jié)構(gòu)在受到振動時，頂層的門式剛架會因底層框架的振動發(fā)生二次振動，故門式剛架受到的振動作用比門式剛架置于地面時大，所以，加層結(jié)構(gòu)中頂層門式剛架的動力特性研究尤為重要。

運(yùn)用SAP2000 有限元模擬方法對本章的輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，設(shè)置分析階數(shù)為10 階，經(jīng)過模擬分析，得到了輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)考慮蒙皮作用前后的頻率和周期，具體如圖1、圖2所示。

對比圖1、圖2可以看出，在外部條件相同的情況下，帶蒙皮模型的各階周期要小于無蒙皮模型的各階周期，這說明蒙皮板能夠提高結(jié)構(gòu)的剛度，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對蒙皮板的延性分析是十分重要的。

3.4 反應(yīng)譜分析

對考慮蒙皮效應(yīng)前后的兩種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到兩種結(jié)構(gòu)的樓層位移數(shù)值和層間位移數(shù)值，從得到的數(shù)據(jù)可以得出：帶蒙皮結(jié)構(gòu)的樓層位移與無蒙皮結(jié)構(gòu)相比較小，底層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)變化不是很大，加層的門式剛架位移變化較為明顯，X 方向無蒙皮結(jié)構(gòu)頂層的樓層位移為17.84 mm，而帶蒙皮結(jié)構(gòu)為15.15 mm，Y 方向無蒙皮結(jié)構(gòu)頂層的樓層位移為21.69 mm，而帶蒙皮結(jié)構(gòu)為19.89 mm，這說明考慮蒙皮效應(yīng)能夠提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和整體穩(wěn)定性。

考慮蒙皮效應(yīng)前后，第4 層的層間位移發(fā)生了較大改變，X 方向上無蒙皮結(jié)構(gòu)頂層層間位移為5.89 mm，而帶蒙皮結(jié)構(gòu)的層間位移只有3.06 mm，考慮蒙皮效應(yīng)Y 方向上頂層層間位移同樣變化較大，無蒙皮結(jié)構(gòu)頂層層間位移為6.10 mm，而帶蒙皮結(jié)構(gòu)的層間位移只有4.66 mm，這說明蒙皮板的加入能夠大大增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

同時，通過結(jié)構(gòu)分析可以看到頂層門式剛架的層間位移值較大，這是由于門式剛架與底層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度差別較大，因此在門式剛架與既有框架結(jié)構(gòu)連接處形成了薄弱層，所以對加層連接處的設(shè)計要引起足夠的重視。

從圖3反應(yīng)譜作用下的位移圖可以看出，考慮蒙皮效應(yīng)以后，結(jié)構(gòu)的整體位移減小，頂層門式剛架的層間位移減小幅度最大，這就說明蒙皮板能夠提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

圖3 反應(yīng)譜作用下的位移圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，運(yùn)用SAP2000 有限元分析軟件，對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加層門式剛架進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析，得到了以下幾條結(jié)論：

①在風(fēng)荷載影響下，考慮蒙皮效應(yīng)前的中間榀框架側(cè)向位移值大，兩側(cè)剛架的位移值較小，且中間榀剛架與兩側(cè)剛架側(cè)移值的差值較大；考慮蒙皮效應(yīng)以后，結(jié)構(gòu)的側(cè)移值明顯減小，尤其是中間榀框架，側(cè)移值降低的幅度較大，且中間榀剛架與兩側(cè)剛架差值大大減小，抗側(cè)能力明顯提高，整體側(cè)向剛度增加，整體性更好。

②既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化不大，這是由于頂層門式剛架的質(zhì)量與剛度比底層框架結(jié)構(gòu)小很多，所以門式剛架考慮蒙皮效應(yīng)前后對底層框架影響較小?？紤]蒙皮效應(yīng)前后，門式剛架的軸力、剪力、彎矩都有不同幅度的減小，但是變化不明顯，但是對于各榀框架來說，剛架左右兩側(cè)的內(nèi)力差值明顯減小，因此，蒙皮板的加入有利于結(jié)構(gòu)受力的均衡穩(wěn)定，受力更加連續(xù)合理，結(jié)構(gòu)變形更加均勻。

③帶蒙皮結(jié)構(gòu)的樓層位移、頂層位移都小于無蒙皮結(jié)構(gòu)，尤其是頂層門式剛架，層間位移變化較大，蒙皮板的加入大大減小了頂層的層間位移。由反應(yīng)譜分析得出的層間位移變化可知，頂層門式剛架的層間位移值較大，因此門式剛架與底層框架結(jié)構(gòu)的連接處為薄弱層，設(shè)計時要給予足夠的重視。