李婷,周婷,劉蒙,史超男,王婷,董雷
(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 徐州 221116)
在輕鋼加層結(jié)構(gòu)中,加層門式剛架的設計關(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,輕鋼加層設計時考慮蒙皮效應更貼近結(jié)構(gòu)的實際受力狀況,更具經(jīng)濟性。
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前后的結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力情況。
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。
3.2.1 軸力分析
通過有限元分析得出,未考慮蒙皮效應時,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,應力分布更為合理。
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。
運用SAP2000 有限元模擬方法對本章的輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)進行計算分析,設置分析階數(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,所以在進行結(jié)構(gòu)設計時,對蒙皮板的延性分析是十分重要的。
對考慮蒙皮效應前后的兩種結(jié)構(gòu)模型進行反應譜分析,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計要引起足夠的重視。
從圖3反應譜作用下的位移圖可以看出,考慮蒙皮效應以后,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 反應譜作用下的位移圖
本文結(jié)合工程實例,運用SAP2000 有限元分析軟件,對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加層門式剛架進行靜力分析、模態(tài)分析和反應譜分析,得到了以下幾條結(jié)論:
①在風荷載影響下,考慮蒙皮效應前的中間榀框架側(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前后對底層框架影響較小??紤]蒙皮效應前后,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,設計時要給予足夠的重視。