李 玥 侯智超

空間門式剛架抗地表變形研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李 玥 侯智超

分析了忽略蒙皮效應(yīng)的空間門式剛架的研究現(xiàn)狀、蒙皮效應(yīng)的研究現(xiàn)狀及門式剛架抗地表變形研究現(xiàn)狀,提出空間門式剛架抗地表變形研究存在的問題及發(fā)展方向,為采礦區(qū)新建門式剛架輕鋼房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

空間門式剛架,蒙皮效應(yīng),抗地表變形

我國能源主要以煤炭為主,煤炭開采引起的地表變形引起了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)抗變形研究的重視。由于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)在地表變形區(qū)的廣泛應(yīng)用,對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)的抗地表變形性能研究也將是其重要研究方向。但很多情況下,對(duì)門式剛架的抗地表變形性能研究只是局限于平面剛架,對(duì)空間結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少,更忽視了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于剛架抗地表變形的影響。實(shí)際上檁條與系桿的設(shè)置增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度,同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)可靠連接時(shí),也會(huì)增大結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度,對(duì)結(jié)構(gòu)抗變形是有利的。所以在地表變形作用下,考慮圍護(hù)體系蒙皮效應(yīng)及剛架空間效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)抗變形的影響十分重要。

1 不考慮蒙皮效應(yīng)的空間門式剛架研究現(xiàn)狀

由于理論發(fā)展和技術(shù)上的限制,我們?cè)诜治鲋型鶎?shí)際的門式剛架忽略屋面板等的蒙皮效應(yīng)及剛架間的相互作用簡化成平面剛架,大大簡化的同時(shí),造成了分析的不完善性。隨著結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)理論的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,使我們更加重視對(duì)門式剛架的空間整體性能的分析研究。

曹麗萍[1]利用ANSYS對(duì)輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間整體分析。在靜力作用下,考慮了多種工況組合,由于門式剛架空間協(xié)同作用,算得的內(nèi)力與平面模型相比較小,且內(nèi)力分布比較均勻。

呂輝勇[2]通過幾何非線性有限元分析的方法,應(yīng)用有限元程序ANSYS的屈曲分析和靜力分析模塊,重點(diǎn)研究了門式剛架結(jié)構(gòu)體系中的次要構(gòu)件,如柱間支撐、屋面水平支撐、系桿及檁條的一些受力性能和對(duì)主體門式剛架平面外穩(wěn)定的影響。

蘇妮娜[3]應(yīng)用SAP2000有限元軟件分別建立了輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體育館的三維模型和單層廠房的三維模型,并通過實(shí)際結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場體育館靜載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型建立的正確性。定量分析了在豎向和水平荷載作用下輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的空間作用性能,并對(duì)輕型門式剛架的縱向抗側(cè)力構(gòu)件對(duì)整體結(jié)構(gòu)的空間共同作用的影響進(jìn)行了分析。

王乾[4]進(jìn)行了兩組四榀門式剛架組成的門式剛架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,以最為直觀和接近真實(shí)的試驗(yàn)方式,證明了該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。并通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能、變形特征和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。

2 蒙皮效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

國外對(duì)蒙皮效應(yīng)的研究較早,通過對(duì)若干門式剛架結(jié)構(gòu)的實(shí)測結(jié)果表明,實(shí)測的應(yīng)力和撓度比通常設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果小很多,我國在這方面的研究開展得比較晚。國內(nèi)外學(xué)者主要通過試驗(yàn)方法、理論方法及簡化分析等對(duì)圍護(hù)體系蒙皮效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究,主要體現(xiàn)在如下兩方面：1)蒙皮板及連接件抗剪性能的研究;2)對(duì)蒙皮效應(yīng)影響因素的研究。

1)蒙皮板及連接件抗剪性能的研究。

1999年,Gianfranco De Matteis和 Raffaele Landolfo[5]結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)夾芯板的常用連接方式進(jìn)行了分析,并在單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下對(duì)不同連接方式夾芯板的抗剪性能進(jìn)行了研究,通過數(shù)值分析驗(yàn)證得出,分析結(jié)果與試驗(yàn)較為吻合。

張耀春[6]教授研究了蒙皮組合體中自攻螺釘?shù)目辜粜阅?建立了連接件布置“非對(duì)稱”模型,導(dǎo)出計(jì)算蒙皮效應(yīng)的抗剪強(qiáng)度和剛度的簡化計(jì)算公式。

2004年,龍莉萍等[7]對(duì)國內(nèi)常用的V-840型壓型鋼板采用自攻螺絲連接的受力蒙皮體進(jìn)行了抗剪試驗(yàn)研究,分析了三種不同間距自攻螺絲連接的受力蒙皮體的破壞形式及抗剪性能,并提出了不同間距布置的連接件對(duì)蒙皮體抗剪性能的影響。

樂延方等[8]對(duì)受力蒙皮結(jié)構(gòu)中的自攻螺釘、拉鉚釘連接進(jìn)行了大量試驗(yàn),分析了連接構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度、抗剪剛度、工作特點(diǎn)、破壞模式以及連接件布置方式、壓型鋼板跨度對(duì)受力蒙皮體性能的影響,并對(duì)承受平面內(nèi)荷載的蒙皮體進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2)對(duì)蒙皮效應(yīng)影響因素的研究。

1955年,美國康奈爾大學(xué)的 Nilson[9]進(jìn)行了 50個(gè)足尺應(yīng)力蒙皮試驗(yàn),得到了不同的板形、波高、板厚和板跨對(duì)應(yīng)力蒙皮抗剪強(qiáng)度和柔度的影響,為蒙皮作用的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2003年,燕山大學(xué)的陳劍[10]對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)開洞蒙皮體蒙皮效應(yīng)進(jìn)行了一些研究。通過對(duì)未開洞蒙皮體試件與開洞蒙皮體試件抗剪性能的試驗(yàn)研究,獲得蒙皮洞對(duì)蒙皮效應(yīng)的影響規(guī)律。

2005年,王新堂等[11]對(duì)開洞蒙皮體及未開洞蒙皮體進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比,得到了蒙皮開洞對(duì)蒙皮效應(yīng)的影響規(guī)律,并通過有限元分析對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

3 門式剛架抗地表變形研究現(xiàn)狀

門式剛架抗地表變形性能的研究還主要集中在平面剛架的研究階段,目前主要進(jìn)行了抗變形保護(hù)措施、加固措施等方面的研究。

王寬如[12]對(duì)采動(dòng)區(qū)抗變形輕鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),研究不同形式地表變形條件下,輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的內(nèi)力位移反應(yīng),提出了增設(shè)基礎(chǔ)聯(lián)系梁、基礎(chǔ)底面設(shè)置滑動(dòng)層、采用可變鉸支座等保護(hù)措施。

胡敬禮[13]通過分析輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架建筑物在采動(dòng)地表移動(dòng)和變形作用下的內(nèi)力、位移反應(yīng),得出了門式剛架各種保護(hù)措施抵抗地表變形的效果,對(duì)在采動(dòng)區(qū)興建輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)建筑物有一定的指導(dǎo)意義。

夏軍武,王守祥,王寬如等[14]根據(jù)煤礦老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律,利用 ANSYS軟件模擬計(jì)算了老采空區(qū)“活化”引起的地表變形對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力影響。通過分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果,研究了輕鋼結(jié)構(gòu)整體變形的特點(diǎn)及其不同部位受附加內(nèi)力作用的情況。給出了提高輕鋼結(jié)構(gòu)整體抗變形性能的保護(hù)措施。

呂恒林,周淑春,胡敬禮[15]利用 ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,計(jì)算了一榀 24 m跨輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)分別在地表拉伸、壓縮、傾斜、正曲率和負(fù)曲率變形條件下的內(nèi)力和位移變化規(guī)律,探討了不同加固保護(hù)措施的適用效果和機(jī)理,為在地表變形地區(qū)采用輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和工程參數(shù)。

4 空間門式剛架抗地表變形研究存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

雖然現(xiàn)階段對(duì)空間門式剛架、蒙皮效應(yīng)都進(jìn)行了一定的研究,但在地表變形作用下空間門式剛架的研究比較鮮見,尤其是考慮圍護(hù)蒙皮效應(yīng)對(duì)空間門式剛架抗地表變形影響的研究就更加稀少。由此可見,空間門式剛架抗地表變形的研究還存在如下問題：1)關(guān)于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的研究大部分都局限于節(jié)點(diǎn)部位的承載能力及抗震研究,缺乏節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)門式剛架抗地表變形影響的研究;2)缺乏門式剛架圍護(hù)體系不同板材、不同形式板—板連接、板—檁連接的連接承載力及影響因素研究;3)缺乏各種地表變形作用下帶圍護(hù)體系的空間門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力分布規(guī)律及破壞形式的研究;4)缺乏地表變形作用下帶圍護(hù)體系空間門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)抗地表變形的影響因素的研究;5)缺乏圍護(hù)體系與門式剛架主體結(jié)構(gòu)在地表變形作用下的協(xié)同工作性能的研究;6)缺乏在地表變形作用下空間門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)建議。

由此可見,考慮空間相互作用及蒙皮效應(yīng)是門式剛架抗地表變形研究的發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)從試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面雙管齊下,找出影響門式剛架抗地表變形的主要因素,從而為采礦區(qū)新建門式剛架輕鋼房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),并對(duì)現(xiàn)有門式剛架輕鋼房屋結(jié)構(gòu)提供必要的抗采動(dòng)變形措施和加固措施。

[1]曹麗萍.輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整體分析[D].太原：太原理工大學(xué),2005.

[2]呂輝勇.輕型門式剛架平面內(nèi)穩(wěn)定性能及空間性能分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué),2006.

[3]蘇妮娜.門式剛架輕型結(jié)構(gòu)空間共同作用的分析與應(yīng)用研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2007.

[4]王 乾.單層單跨門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2008.

[5]Matteis G D,Landolfo R.Modeling of lightweight sandwich shear diaphragms for dynamic analysis[J].Journal of Constructional Steel Research,2000(5)：33-61.

[6]張耀春,朱景仕,趙紀(jì)生.自攻螺釘連接的蒙皮組合體抗剪性能的試驗(yàn)研究(上)[J].鋼結(jié)構(gòu),1993(6)：8-10.

[7]龍莉萍,韋 松,崔 佳.自攻螺絲連接受力蒙皮體抗剪性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,25(2)：39-43.

[8]樂延方,姬廣華,柏樹新.受力蒙皮連接的抗剪性能試驗(yàn)研究[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1992,21(2)：50-59.

[9]Nilson A H.Shear Diaphragms of Light Gauge Steel,Proceedings of ASCE[C].Structure Division,1960：11.

[10]陳 劍.輕鋼結(jié)構(gòu)開洞蒙皮體蒙皮效應(yīng)的研究[D].燕山：燕山大學(xué),2003.

[11]陳 劍,王新堂.輕鋼結(jié)構(gòu)開洞蒙皮體蒙皮效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào),2005(8)：9-14.

[12]王寬如.采動(dòng)區(qū)輕鋼結(jié)構(gòu)廠房抗變形保護(hù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2001.

[13]胡敬禮.輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架抗地表變形研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2003.

[14]夏軍武,王守祥,王寬如,等.位于老采空區(qū)上的門式剛架結(jié)構(gòu)抗變形性能分析研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2004(5)：19-20.

[15]呂恒林,周淑春,胡敬禮.輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)抗地表變形措施的研究[J].工業(yè)建筑,2006,36(sup)：615-619.

The research situation and development trend on performance resisting ground deformation of the space portal frame structure

LI Yue HOU Zhi-chao

This thesis analyses the research situation of space portal frame structure ignore the effect of skin diaphragms,the effect of skin diaphragms and the performance resistingground deformation of the space portal frame structure,proposed existing problems and developmentdirection of study on performance resisting ground deformation of the space portal frame structure,it has provided theoretical guidance for new door type steel building structure design inm ining area.

space portal frame structure,effect of skin diaphragms,performance resisting ground deformation

TU337

A

1009-6825(2011)03-0024-03

2010-10-09

李 玥(1986-),女,中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院碩士研究生,江蘇 徐州 221116

侯智超(1985-),男,中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院碩士研究生,江蘇 徐州 221116