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临沂万达钢结构工程有限公司

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钢结构工程设计中如何应用应力蒙皮效应

2020-06-20 13:05:17

最近审查的厂房中发现有很多的门式刚架高度超12m,设计人员继续依据《门规》CECS102:2002进行设计,未采取任何加强措施,施工图审查时应严格把关。对超规程设计,咨询了省上一些结构专家,认为当采取一定的措施后可适当放宽条件。

《门规》适用于符合以下条件的单层房屋钢结构:

(1)主要承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架。

(2)轻型屋盖、轻型外墙。

(3)无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机。

(4)跨度在9~36m范围内。

(5)高度在4.5~9.0m内,当有桥式吊车时不宜大于12m。

(6)多层房屋的顶层采用门式刚架轻型房屋钢结构及其屋盖时,该部分结构的设计、制作和安装可参照《门规》执行,但应进行整体分析,已考虑其下部结构对顶层内力和位移的影响。

(7)门式刚架由于构件截面较薄,因此《门规》不适用于强侵蚀环境下的建筑。

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应力蒙皮效应是怎么一回事?在工程设计中如何应用?

蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料(屋面板和墙板)利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。蒙皮效应的结构概念来自于飞机和轮船行业。它是在纵横肋上蒙上金属薄板而形成的带肋薄壳结构,蒙皮与肋共同工作,蒙皮自身在其平面内具有很大的拉、压和剪切强度,且由于有肋的作用,蒙皮不会失稳。蒙皮结构具有较大承载力及刚度,而自重却很轻。

01 在门式刚架中的屋面板用于抵抗山墙抗风柱传来的水平荷载,将其传递至檐口处,再通过墙面蒙皮效应或支撑传至基础。

02板平面内有足够刚度可对檩条上翼缘形成侧向约束,减少了檩条的稳定计算长度,大大提高了檩条的稳定承载能力。

03门式刚架中山墙面,利用墙板抗剪蒙皮作用后,可将山墙面框架设计成排架且不加柱间支撑(墙面开洞面积过大则除外)。

04屋面蒙皮使各个平面刚架连成整体空间结构,减少刚架侧移。当檐口较高,由柱顶侧移控制结构计算时,可带来经济效益。

05 在竖向重力作用下,屋面檩条会产生侧弯曲和扭转变形,通过连接在檩条上的板,将消除此变位,面板蒙皮效应。

一般认为的蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料(屋面板和墙板)利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。

它是在纵横肋上蒙上金属薄板而形成的带肋薄壳结构,蒙皮与肋共同工作,蒙皮自身在其平面内具有很大的拉、压和剪切强度,且由于有肋的作用,蒙皮不会失稳。蒙皮结构具有较大承载力及刚度,而自重却很轻。

轻钢结构如何体现蒙皮效应

蒙皮效应的结构概念来自于飞机和轮船行业,轻钢结构的蒙皮效应是指把骨架用特定的结构板(OSB板、硅酸钙板等)蒙起来,形成一层蒙皮,所产生的力学效果叫蒙皮效应。

由于屋面与檐槐、脊檩(以及中间模条)牢固连接,墙面与墙梁牢固连接,擦条和墙梁又与刚架构件牢固连接,因而屋面和墙面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板(图1.2-1),将仅能承受平面作用的单个刚架连成整体,从而提高刚架结构的整体刚度,有效减小结构的实际位移;围护板的应力蒙皮作用极大地提高了冷弯薄壁型钢模条/墙梁的整体稳定,亦因此使隅撑-冷弯薄壁型钢擦条/墙梁体系可作为刚架构件受压翼缘的侧向支承点。图1.2-1(a)表示有蒙皮围护的小坡度双坡顶门式刚架体系在水平风荷载作用下的变形情况,整个屋面像平放的深梁一样工作,脊糠、檐口擦条类似上、下弦杆,除受弯外,还承受轴向压、拉作用。

为把风荷载传给基础,山墙处可设置墙梁蒙皮体系,也可设柱间交叉支撑。图1.2-1(b)表示有蒙皮围护的山形门式刚架体系,在竖向屋面荷载作用下的变形情况。两侧屋面类似于斜放的深梁受弯,屋脊受压,檐口模条受拉。为保证受力蒙皮作用,山墙处应在擦条端头设置沿屋面坡度的边缘构件,当承受水平风荷作用时,也有类似于图1.2-1(a)的受力情况。因此,脊檩、檐口擦条和山墙部位是构成屋面整体蒙皮作用的关键部位,设计中应予重视。

要将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计需要对每个实际工程根据其具体条件进行试验,这在事实上不太可能。不过从上述的概念介绍,我们能够了解,面板的蒙皮效应实际上是考虑面板起交又支撑的作用,按照这个概念,设置屋盖支撑同样可以起到“隔板”的作用。设计中通常在房屋的短方向布置刚架,由于刚架的侧向刚度小,属于平面结构,屋盖支撑体系把各福刚架连成整体,有效地提高结构的整体刚度,见图1.2-3。

对于采用咬合式或扣合式压型钢板作屋面板的情况,由于屋面板可随温度自由伸缩,此时其屋面的“隔板”作用非常小或不确定,不能利用屋面蒙皮效应,采用屋盖支撑体系加强屋盖整体刚度是设计中常用的手段。

门式刚架轻型钢结构房屋采用的屋面板有搭接式、扣合式和咬合式,搭接式有螺钉贯穿的和螺钉不贯穿的,它们在水平力作用下的受力各有特点,侧向刚度互不相同。由于咬合式屋面压型钢板可沿垂直于模条的方向移动,因此有人认为此时面板将不存在蒙皮效应,但MBMA的抗震设计指南指出,金属房屋的传统设计方法,是无论房屋的大小或形状,或竖向构件的形式和相对刚度如何,任何构造的压型钢板屋面都可视为柔性横隔。在大多数情况下,此假设是相当正确和适合的。典型的金属房屋在平面上接近方形或矩形,采用搭接式或咬合式屋盖的较多,横向有很多刚架,纵向在若干柱间设置圆钢支撑,可以认为它是符合柔性横隔要求的。


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