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      基于ANSYS的輕鋼結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)分析

      2019-07-21 07:17:44張亞楠
      建材發(fā)展導(dǎo)向 2019年1期
      關(guān)鍵詞:輕鋼蒙皮框架結(jié)構(gòu)

      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),耐火等級二級,建筑面積為333.61m2,本工程屋面防水等級為二級。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,抗震等級為Ⅱ級,設(shè)計基本地震加速度為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,動力方程直接積分后再逐步的積分來計算地震中每一時刻結(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。采用這個波時,地震加速度次數(shù)設(shè)為750次,每一步的時間間隔為0.02s,總持時則為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力時程分析,后對蒙皮結(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間的變化曲線進(jìn)行對比分析。計算結(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時間(s)

      表1 不同模型位移最大值數(shù)據(jù)對比表(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,在對結(jié)構(gòu)施加El-Centro 波時,無論是框架結(jié)構(gòu)還是蒙皮結(jié)構(gòu),它們位移絕對值的最大值都會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,頂部的變形較底部大;通過數(shù)值的對比,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,頂層位移絕對數(shù)值都是最大的。

      (3)通過觀察和對比兩種模型,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)是對結(jié)構(gòu)的抗震有良好的效果。另外,對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)的蒙皮效果是對結(jié)構(gòu)的抗震有良好的效果。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,不采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法,在設(shè)計時考慮建筑物圍護(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。

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