專利名稱：蒙皮局部應(yīng)用于桁架組合結(jié)構(gòu)及其安全性的分析測算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑技術(shù)領(lǐng)域中的蒙皮技術(shù)，特別是涉及一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)及其安全性的分析測算方法。
背景技術(shù)：
“蒙皮”這一概念來自飛機和輪船行業(yè)，蒙皮往往采用金屬薄板，它覆蓋在縱橫肋上構(gòu)成帶肋薄殼結(jié)構(gòu)。由于蒙皮在自身平面內(nèi)具有較強的抗拉、抗壓和剪切強度，而且它與縱橫肋共同工作，使得蒙皮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很強。蒙皮應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中，大都是在建筑主體結(jié)構(gòu)上覆蓋蒙皮作為屋面板或者墻面，蒙皮具有較大的承載力及剛度，可以加強建筑物整體的剛度，而且由于蒙皮的自重很輕，還有利于減少建筑主體結(jié)構(gòu)所承載的重力；對于建筑結(jié)構(gòu)來講，蒙皮結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的蒙皮 效應(yīng)是指由蒙皮構(gòu)成的圍護結(jié)構(gòu)(主要是屋面和墻面)對建筑主體結(jié)構(gòu)的整體加強作用，這種效應(yīng)大大加強了結(jié)構(gòu)的空間整體性。在建筑領(lǐng)域中，并不是所有的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造在設(shè)計時都可以考慮蒙皮效應(yīng)，目前，在滿足一定條件的壓型鋼板以及輕型鋼框架組成的輕鋼住宅和門式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應(yīng)。具體而言，輕鋼住宅和門式剛架體系中的圍護板與檁條之間、圍護板與圍護板之間通過不同的緊固件連接構(gòu)成了以檁條為肋的一系列隔板，這種隔板在平面內(nèi)具有相當(dāng)大的剛度，類似于薄壁深梁中的腹板，檁條類似于薄壁深梁中的加勁肋，隔板的四周與墻梁或檁條連接，可以將隔板平面內(nèi)的剪力傳遞出去，因此隔板能夠承受隔板平面內(nèi)的各種荷載作用。在蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用方面，國外對應(yīng)力蒙皮研究和應(yīng)用的重點在于充分發(fā)揮屋面板(壓型鋼板)蒙皮的潛在承載特性，使結(jié)構(gòu)整體作用的設(shè)計更加合理，從而獲得加強結(jié)構(gòu)空間剛度、降低結(jié)構(gòu)用鋼量等效果。而我國目前建筑行業(yè)仍處于蒙皮效應(yīng)應(yīng)用的概念階段，雖然國內(nèi)建筑行業(yè)大都認同蒙皮效應(yīng)的優(yōu)點與技術(shù)效果，但是卻沒有真正把蒙皮效應(yīng)應(yīng)用于實際工程中，特別是在建筑結(jié)構(gòu)的計算分析中沒有考慮蒙皮效應(yīng)的作用，將其僅僅作為一種結(jié)構(gòu)上的安全儲備?，F(xiàn)有將蒙皮結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的計算分析中，一般需要對蒙皮效應(yīng)從定性到定量進行計算分析，在此過程中，要解決蒙皮與建筑主體結(jié)構(gòu)連接的可靠性及計算手段兩個方面的問題，其一，可靠性是指屋面板與檁條、檁條與建筑主體結(jié)構(gòu)的連接可靠性，如圖I所示，現(xiàn)有門式剛架體系中屋面板8與檁條7連接且位于檁條7的上面，而檁條7則設(shè)置在桁架主體結(jié)構(gòu)2上，整個屋面板8由數(shù)塊單元板搭接構(gòu)成，單元板與檁條之間采用螺栓連接，螺栓孔設(shè)置在檁條與建筑主體結(jié)構(gòu)的連接端上，螺栓孔通常是長條形孔，螺栓安裝在螺栓孔中，依靠螺栓和螺栓孔在一定范圍內(nèi)滑動，使得屋面板與檁條之間產(chǎn)生相對位移，這種結(jié)構(gòu)雖然使得屋面板與檁條的安裝比較方便且可以充分釋放屋面體系的溫度應(yīng)力，而且可以減少主體結(jié)構(gòu)對屋面板及檁條的影響，但是卻削弱了屋面板的蒙皮效應(yīng)，沒有充分發(fā)揮蒙皮的潛在承載特性，蒙皮效應(yīng)存在失效的可能，因此目前未將屋面板的蒙皮效應(yīng)作為計算研究的對象；其二，計算手段往往采用簡化計算，簡化計算是僅考慮屋面板的作用，不考慮檁條的作用，這種計算結(jié)果失真，定量效果差；但是，如果按照實際的檁條與屋面板連接關(guān)系建立整體模型，建模工作量大，需將所有檁條及屋面次結(jié)構(gòu)建入力學(xué)模型，來模擬屋面、檁條及主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，即便如此，模型假定與實際情況也仍不能完全一致，導(dǎo)致費時費力建模所模擬出來的結(jié)果并不能真實地反映蒙皮效應(yīng)及其程度，使得蒙皮結(jié)構(gòu)在我國建筑領(lǐng)域中難以實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的在于提供一種蒙皮局部應(yīng)用于祐1架上的組合結(jié)構(gòu)，以便在祐1架上局部鋪設(shè)的蒙皮能有效地發(fā)揮蒙皮效應(yīng)，利用蒙皮特性加強結(jié)構(gòu)空間剛度、降低結(jié)構(gòu)用鋼量，實現(xiàn)蒙皮與建筑主體結(jié)構(gòu)的可靠性連接。 本發(fā)明的第二個目的在于提供前述的一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)方式之安全性的分析測算方法，為蒙皮技術(shù)得到更廣泛的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持。本發(fā)明的第一個目的通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，包括桁架和檁條，其特征是在所述桁架的上表面上或者在所述桁架的下表面上鋪設(shè)有蒙皮鋼板，所述檁條位于所述蒙皮鋼板的上方。桁架主要由上弦桿、腹桿和下弦桿組成，其中，腹桿位于上弦桿與下弦桿之間，本發(fā)明桁架的上表面即指上弦桿的上翼緣，而桁架的下表面即指下弦桿的下翼緣。本發(fā)明可增強桁架的上弦桿或者下弦桿受力剛度，提高整個桁架抗彎剛度，從而降低桁架撓度和應(yīng)力水平，并可將其作為一種結(jié)構(gòu)抗震性能的儲備。本發(fā)明所述的蒙皮鋼板與桁架的固定方式，可采用角焊縫、熔透焊、螺栓連接等，就該三種連接方式而言各有優(yōu)缺點，其中，螺栓連接在受力時，是承受塑性破壞，因此最為牢固，受力最好，而角焊縫和熔透焊受力時承受脆性破壞，角焊縫的施工質(zhì)量易于控制，施工后無需檢測，對焊縫的要求低，熔透焊往往在受力大的部位使用，但是施工后需要超聲波檢測，施工成本高；因此，在具體施工場合，需要根據(jù)實際情況來選擇適當(dāng)?shù)倪B接方式，只要能夠保證蒙皮鋼板在受力條件下不會與桁架主體結(jié)構(gòu)(即桁架或構(gòu)件)脫離即可。作為本發(fā)明的一種改進，當(dāng)蒙皮鋼板在自重作用下的撓度超過1/500的跨度時，在所述蒙皮鋼板的上表面或者下表面上增設(shè)加勁板，并沿蒙皮鋼板的跨度方向間隔排列，所述加勁板的兩端與桁架相連接，所述加勁板之間的間隔間距按計算確定，以達到控制蒙皮鋼板在自重作用下的撓度不超過1/500跨度的目的。本發(fā)明所述的加勁板既可以設(shè)置在蒙皮鋼板的下表面上，也可以設(shè)置在蒙皮鋼板的上表面上。本發(fā)明推薦的實施方式是將加勁板設(shè)置在蒙皮鋼板的上表面上，因為當(dāng)加勁板設(shè)置在蒙皮鋼板的下表面上時，施工人員需仰臥進行焊接，因此該種設(shè)置方式具有施工不便的缺陷，只有當(dāng)加勁板設(shè)置在蒙皮鋼板的上表面上時，會干擾屋面系統(tǒng)(包括保溫層、隔熱層等)的安裝，即會與屋面系統(tǒng)產(chǎn)生干涉的情況下，才選擇將加勁板設(shè)置在蒙皮鋼板的下表面上。本發(fā)明整體桁架的弦桿構(gòu)成網(wǎng)格狀的框架結(jié)構(gòu)，其中，單個蒙皮鋼板(下述鋼板單元)的外緣輪廓與其固定在桁架體系上相應(yīng)的框架形狀相吻合。本發(fā)明蒙皮鋼板與桁架上的構(gòu)件連接時，采用的連接方式可為自攻、自鉆螺絲或熱熔銷釘、螺栓，而勾頭螺栓、夾子或者其它通過摩擦力傳遞剪力的連接件均不適用。本發(fā)明的第二個目的通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的安全性分析測算方法，其特征在于是在有限元模擬平臺上進行分析計算，具體包括以下步驟(I)原始數(shù)據(jù)采集采集建立桁架體系所需的數(shù)據(jù)；(2)將原始數(shù)據(jù)輸入有限元模擬系統(tǒng)中， 建立起桁架體系的結(jié)構(gòu)有限元模型；(3)對桁架體系進行應(yīng)力測算、分析，當(dāng)桁架體系上的某區(qū)域無法滿足受力及變形要求時，得出需要鋪設(shè)蒙皮鋼板的區(qū)域；(4)在步驟(3)獲得的未滿足受力或變形要求的桁架區(qū)域上設(shè)置蒙皮鋼板，將組成蒙皮鋼板的鋼板單元的厚度、鋼板單元的數(shù)量和區(qū)域大小的初始數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)有限元模型中，其中，蒙皮鋼板采用結(jié)構(gòu)有限元模型中的二維單元進行模擬，建立蒙皮鋼板的計算機三維初始力學(xué)模型；本發(fā)明初始數(shù)據(jù)是根據(jù)桁架受力大的位置來選擇鋪設(shè)部位的，例如懸挑桁架的根部或者簡支桁架的跨中部位等；蒙皮鋼板一般有厚度為2mm、5mm及8mm等規(guī)格，初步選擇蒙皮鋼板厚度的原則是初選蒙皮鋼板的厚度為適中，即可以初選5mm厚的蒙皮鋼板，但是也不排除初選厚度較小或者厚度較大的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)經(jīng)驗進行選擇。(5)在有限元模擬平臺上對蒙皮鋼板的三維初始力學(xué)模型進行分析計算，測算在設(shè)置了所述蒙皮鋼板區(qū)域的桁架體系是否滿足了受力及變形要求；a)如滿足了要求，所選的蒙皮鋼板的厚度即作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)進入步驟(7)；b)如未滿足要求，則進入步驟(6)；(6)調(diào)整鋼板單元的厚度，輸入結(jié)構(gòu)有限元三維力學(xué)模型中，修正三維力學(xué)模型，再次測算在設(shè)置了所述蒙皮鋼板區(qū)域的桁架體系是否滿足了受力及變形要求；a)如滿足了要求，所選的蒙皮鋼板的厚度即作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)進入步驟(7)；b)如未滿足要求，重復(fù)步驟(6)；即在步驟(6)中反復(fù)調(diào)整蒙皮鋼板的厚度可以使桁架體系滿足受力及變形要求為止，最終確定蒙皮鋼板的厚度；(7)計算分析蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力，查看蒙皮鋼板是否滿足受力及變形要求；a)如滿足了要求，進入步驟⑶；b)如未滿足要求，重復(fù)步驟(6)；(8)根據(jù)von-Mises等效應(yīng)力結(jié)果、蒙皮鋼板與桁架主體結(jié)構(gòu)、屋面板結(jié)構(gòu)的關(guān)系來確定不同應(yīng)力區(qū)域的蒙皮鋼板與桁架體系的連接方式。在本發(fā)明中蒙皮鋼板與桁架體系的連接均采用嵌固形式，但是具體操作上是采用焊接、加勁板連接等形式要依據(jù)上述因素來確定。連接形式不能影響屋面板的安裝，而且也要根據(jù)桁架體系的具體情況來確定，一般來說在桁架體系的危險性區(qū)域(應(yīng)力較大的區(qū)域)采用比較牢固的連接形式，而在應(yīng)力較小的區(qū)域采用承受力較小的連接形式。(9)將計算所得的結(jié)果輸出。上述步驟(7)中蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力，是用應(yīng)力等值線來表示蒙皮鋼板的應(yīng)力分布情況，它可以清晰描述出蒙皮鋼板的受力情況，從而可以使分析人員快速確定蒙皮鋼板應(yīng)力最大區(qū)域。von-Mises等效應(yīng)力是材料的一種等效應(yīng)力，當(dāng)材料von-Mises應(yīng)力小于某一允許值時認為材料是安全的，所有直接考察蒙皮鋼板的von-Mises應(yīng)力能判斷蒙皮鋼板的受力情況是否滿足要求。本發(fā)明是在有限元模擬平臺上進行分析測算，建模工作量小、實際操作容易，計算簡單方便準(zhǔn)確，可實現(xiàn)蒙皮效應(yīng)的定量分析，能夠充分發(fā)揮蒙皮鋼板的承載特性，即蒙皮鋼板在自身平面內(nèi)可提供較大的剛度，大大增強與蒙皮鋼板連接的下部構(gòu)件或者桁架的抗彎及抗拉、壓能力，實際增強了構(gòu)件的上翼緣或者桁架上弦的抗拉或者抗壓的強度；使建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，從而獲得加強結(jié)構(gòu)空間剛度、降低結(jié)構(gòu)用鋼量的技術(shù)效果；本發(fā)明是在原有桁架體系結(jié)構(gòu)中，在桁架主體結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)蒙皮鋼板，在實際施工中，可確保蒙皮與檁條、檁條與建筑主體結(jié)構(gòu)之間的連接可靠性。作為本發(fā)明的一種實施方式，所述二維單元可以采用殼單元，也可以采用板單元。作為優(yōu)選的實施方式，二維單元采用殼單元，選擇“殼單元”是為了更加準(zhǔn)確地模擬蒙皮鋼板的實際情況，具體而言，采用“殼單元”模擬，可以對蒙皮鋼板的受力情況分析更為全面， 即不僅考慮蒙皮鋼板平面內(nèi)的剛度，同時也考慮到了蒙皮鋼板的撓度，能夠和實際情況相 —致。作為本發(fā)明的一種改進，本發(fā)明所述鋼板單元的外緣輪廓與其固定在桁架體系上相應(yīng)的框架形狀相吻合。在實際施工過程中，一般是預(yù)先購進整塊現(xiàn)有規(guī)格的鋼板，根據(jù)需要鋪設(shè)鋼板單元的桁架上區(qū)域中框架的形狀將鋼板分割成相應(yīng)的形狀，以便鋼板單元的邊緣都能與框架適配連接，當(dāng)鋼板單元連接在桁架上之后總體構(gòu)成具有力學(xué)意義的蒙皮鋼板，其與桁架體系一起作為整體受力組合結(jié)構(gòu)。作為本分析測算方法的優(yōu)化步驟，還包括復(fù)核步驟，即在完成步驟(8)之后，測算分析蒙皮鋼板的應(yīng)力及蒙皮鋼板與桁架體系的連接強度是否滿足受力要求，其中，測算蒙皮鋼板與桁架體系的連接強度即指測算蒙皮鋼板與桁架體系之間連接結(jié)構(gòu)的強度，例如焊接時，焊縫的強度及加勁板連接時的強度等。a)當(dāng)滿足要求,轉(zhuǎn)入步驟(9)；b)當(dāng)不滿足要求，重復(fù)步驟(6)；作為本發(fā)明的一種實施方式，所述步驟(I)中的原始數(shù)據(jù)采集是指將預(yù)定的或者已經(jīng)建好的桁架體系的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)跨度、截面形式、荷載參數(shù)、材料、邊界條件數(shù)據(jù)輸入有限兀I旲擬系統(tǒng)中。如果蒙皮鋼板的設(shè)置對桁架體系的應(yīng)力、變形幅度影響不大，即設(shè)置蒙皮鋼板后相對與未設(shè)置蒙皮鋼板時，桁架體系的應(yīng)力減小幅度未達到20%以上或變形減小幅度未達到20%，就可以認為在該桁架體系該位置上設(shè)置蒙皮鋼板是不經(jīng)濟且效率不高的，此時，應(yīng)該考慮在桁架體系別的位置上設(shè)置蒙皮鋼板。本發(fā)明上述的受力及變形要求是指設(shè)計規(guī)范中需要滿足的受力及變形要求。規(guī)范主要指國家頒布的設(shè)計規(guī)范，如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，它對結(jié)構(gòu)的受力情況有規(guī)定，不能夠違反，如有違反即為不滿足規(guī)范要求。這些要求可以事先輸入有限元系統(tǒng)中，但是一般來說這些要求往往沒有事先設(shè)定到有限元系統(tǒng)中(因為《設(shè)計規(guī)范》中的設(shè)計要求很多，將其事先輸入有限元系統(tǒng)中操作難度較大)，需要設(shè)計人員自己提取計算結(jié)果后與規(guī)范上的要求進行比較，從而確定計算結(jié)果是否滿足要求。
在實際施工中，桁架高度限制是采用本發(fā)明在桁架上設(shè)置蒙皮鋼板的原因之一，但是，在沒有技術(shù)或者其他限制性條件的情況下，為了獲得性價比比較好的桁架結(jié)構(gòu)，也可以選擇在桁架上設(shè)置蒙皮鋼板；或者當(dāng)桁架體系均滿足受力及變形要求時，可以在桁架受力大的部位，或者應(yīng)力接近臨界值的桁架區(qū)域中設(shè)置蒙皮鋼板，作為安全結(jié)構(gòu)的安全儲備使用，可大大增強桁架受力強度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著的效果(I)本發(fā)明是在有限元模擬平臺上進行蒙皮局部應(yīng)用于桁架上安全性的分析測算，蒙皮鋼板直接采用殼單元來模擬，建模工作量小、實際操作容易，計算簡單方便準(zhǔn)確，可實現(xiàn)蒙皮效應(yīng)的定量分析。(2)本發(fā)明能夠充分發(fā)揮蒙皮鋼板的承載特性，即蒙皮鋼板在自身平面內(nèi)可提供較大的剛度，大大增強與局部蒙皮連接的下部構(gòu)件或者桁架的抗彎及抗拉、壓能力，實際增強了構(gòu)件的上翼緣或者桁架上弦的抗拉或者抗壓的強度。 (3)蒙皮鋼板的區(qū)域大小及厚度均在有限元模擬平臺上計算分析獲得，使建筑主體結(jié)構(gòu)更加合理，獲得加強結(jié)構(gòu)空間剛度、降低結(jié)構(gòu)用鋼量的技術(shù)效果。(4)計算分析蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力，確定蒙皮鋼板與祐1架體系的連接方式，可確保蒙皮與檁條、檁條與建筑主體結(jié)構(gòu)之間的連接可靠性，完成應(yīng)力蒙皮從概念到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。(5)當(dāng)桁架體系滿足了受力及變形要求時，可以在桁架受力大的部位，或者應(yīng)力接近臨界值的桁架區(qū)域中設(shè)置蒙皮鋼板，作為安全結(jié)構(gòu)的安全儲備使用，可大大增強桁架受力強度。


下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖I是現(xiàn)有在桁架主體結(jié)構(gòu)上設(shè)置屋面板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明在廣州亞運會體操館屋面懸臂桁架上設(shè)置蒙皮鋼板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中A局部放大示意圖；圖4是本發(fā)明蒙皮鋼板與桁架連接的結(jié)構(gòu)示意圖(蒙皮鋼板設(shè)置在桁架的上表面上，即桁架上弦桿的上翼緣)；圖5是本發(fā)明一個鋼板單元設(shè)置在桁架上弦桿的上翼緣的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明三個鋼板單元設(shè)置在桁架上弦桿的上翼緣的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明蒙皮鋼板與桁架上弦桿的上翼緣為嵌固連接(采用角焊縫)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖7中C局部放大示意圖；圖9是本發(fā)明蒙皮鋼板與桁架上弦桿的上翼緣為嵌固連接(采用加勁板焊接)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明蒙皮鋼板設(shè)置在桁架下弦桿的下翼緣上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是廣州亞運會體操館屋面懸臂桁架上設(shè)置蒙皮鋼板的俯視立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是圖11中G節(jié)點在不考慮蒙皮效應(yīng)及考慮蒙皮效應(yīng)情況下節(jié)點在X向移時程曲線圖；圖13是圖11中G節(jié)點在不考慮蒙皮效應(yīng)及考慮蒙皮效應(yīng)情況下節(jié)點在Y向位移時程曲線圖；圖14是圖11中G節(jié)點在不考慮蒙皮效應(yīng)及考慮蒙皮效應(yīng)情況下節(jié)點在Z向位移時程曲線圖；圖15是本發(fā)明蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力分布示意圖。
具體實施例方式如圖I 15所不,是本發(fā)明一種蒙皮局部應(yīng)用于祐1架上的組合結(jié)構(gòu),包括祐1架和檁條，如圖2所示，本實施例的桁架是2010年廣州亞運會體操館屋面鋼結(jié)構(gòu)長23m的懸臂桁架，參見圖4，在桁架2的上表面上鋪設(shè)有蒙皮鋼板1，檁條7位于蒙皮鋼板I的 上方，屋面板8設(shè)置在檁條7的上表面上。具體而言，桁架2主要由上弦桿21、腹桿22和下弦桿23組成，桁架2的上表面即指上弦桿21的上翼緣。設(shè)置了蒙皮鋼板后，大大增強了桁架的受力剛度，提高了整個桁架的抗彎剛度，從而降低了桁架撓度和應(yīng)力水平，并可將其作為一種結(jié)構(gòu)抗震性能的儲備。其中，如圖7、8所示，蒙皮鋼板I與桁架2的連接方式采用角焊縫，焊縫E、F受力時承受脆性破壞，角焊縫的施工質(zhì)量易于控制，施工后無需檢測，對焊縫的要求低，因此可優(yōu)先選用；在具體施工場合，也可以根據(jù)實際情況來選擇其它適當(dāng)?shù)倪B接方式，如熔透焊和螺栓連接等，熔透焊往往在受力大的部位使用，但是施工后需要超聲波檢測，施工成本高；而螺栓連接在受力時，是承受塑性破壞，因此最為牢固，受力最好，連接方式的選擇只要能夠保證蒙皮鋼板在受力條件下不會與桁架主體結(jié)構(gòu)(即桁架或構(gòu)件)脫離即可。如圖5及圖6所示，當(dāng)蒙皮鋼板I在自重作用下的撓度超過1/500的跨度時，在蒙皮鋼板I的上表面上增設(shè)加勁板，并沿蒙皮鋼板I的跨度方向間隔排列，加勁板的兩端與桁架相連接，加勁板之間的間隔間距按計算確定，以達到控制蒙皮鋼板I在自重作用下的撓度不超過1/500跨度的目的，在本實施例中，加勁板采用L50X3的角鋼10。角鋼10也可以設(shè)置在蒙皮鋼板I的下表面上，但是設(shè)置在蒙皮鋼板I的下表面上時，施工人員需仰臥進行焊接，因此該種設(shè)置方式具有施工不便的缺陷，只有當(dāng)角鋼10設(shè)置在蒙皮鋼板I的上表面上時，會干擾屋面系統(tǒng)(包括保溫層、隔熱層等)的安裝，即會與屋面系統(tǒng)產(chǎn)生干涉的情況下，才選擇將角鋼10設(shè)置在蒙皮鋼板I的下表面上。如圖11所示，本發(fā)明整體桁架的弦桿構(gòu)成網(wǎng)格狀的框架結(jié)構(gòu)，其中，單個蒙皮鋼板(下述鋼板單元)的外緣輪廓與其固定在桁架2體系上相應(yīng)的框架形狀相吻合，蒙皮鋼板I與桁架2上的構(gòu)件連接時，采用的連接方式可為自攻、自鉆螺絲或熱熔銷釘、螺栓，而勾頭螺栓、夾子或者其它通過摩擦力傳遞剪力的連接件均不適用。如果蒙皮鋼板的設(shè)置對桁架體系的應(yīng)力、變形幅度影響不大，即設(shè)置蒙皮鋼板后相對與未設(shè)置蒙皮鋼板時，桁架體系的應(yīng)力減小幅度未達到20%以上或變形減小幅度未達到20% (即本發(fā)明鋪設(shè)有蒙皮鋼板的桁架的應(yīng)力減小幅度應(yīng)該達到大于或者等于20%或者變形減小幅度大于或者等于20%的目的)，就可以認為在該桁架體系該位置上設(shè)置蒙皮鋼板是不經(jīng)濟且效率不高的，此時，應(yīng)該考慮在桁架體系別的位置上設(shè)置蒙皮鋼板。實現(xiàn)上述蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)而將蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的安全性分析測算方法，是在有限元模擬平臺上進行分析計算，具體包括以下步驟(I)原始數(shù)據(jù)采集采集建立廣州亞運城綜合體育館體操館結(jié)構(gòu)所需的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括預(yù)定的或者已經(jīng)建好的桁架體系的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)跨度、截面形式、荷載參數(shù)、材料、邊界條件數(shù)據(jù)等。(2)將原始數(shù)據(jù)輸入有限元模擬系統(tǒng)中，建立起桁架體系的結(jié)構(gòu)有限元模型，本結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)屋面長23m的懸臂桁架由于建筑高度限制，不能做高；(3)對桁架體系進行應(yīng)力測算、分析，得出懸臂桁架的根部不能滿足受力及變形要求，因此需要在該懸臂桁架根部鋪設(shè)蒙皮鋼板1，(4)在步驟(3)獲得的未滿足受力或變形要求的懸臂桁架的根部區(qū)域上設(shè)置蒙皮鋼板1，將組成蒙皮鋼板I的鋼板單元11的厚度5mm、鋼板單元11的數(shù)量和區(qū)域大小 25mX 15m的初始數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)有限元模型中，其中，蒙皮鋼板采用結(jié)構(gòu)有限元模型中的殼單元進行模擬，建立蒙皮鋼板的計算機三維初始力學(xué)模型；采用“殼單元”模擬，可以對蒙皮鋼板的受力情況分析更為全面，即不僅考慮蒙皮鋼板平面內(nèi)的剛度，同時也考慮到了蒙皮鋼板的撓度，能夠和實際情況相一致。本發(fā)明初始數(shù)據(jù)是根據(jù)桁架受力大的位置來選擇鋪設(shè)部位的，例如懸挑桁架的根部或者簡支桁架的跨中部位等；蒙皮鋼板一般有厚度為2mm、5mm及8mm等規(guī)格，初步選擇蒙皮鋼板厚度的原則是初選蒙皮鋼板的厚度為適中，即可以初選5mm厚的蒙皮鋼板，但是也不排除初選厚度較小或者厚度較大的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)經(jīng)驗進行選擇。(5)在有限元模擬平臺上對蒙皮鋼板的三維初始力學(xué)模型進行分析計算，測算在設(shè)置了所述蒙皮鋼板區(qū)域的桁架體系是否滿足了受力及變形要求；本實施例中選擇蒙皮鋼板的厚度5mm滿足了要求，因此所選的蒙皮鋼板的厚度5mm即作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)進入步驟⑵；如果在其它實施例中，桁架體系未滿足要求，則進入步驟(6)；(6)調(diào)整鋼板單元的厚度，輸入結(jié)構(gòu)有限元三維力學(xué)模型中，修正三維力學(xué)模型，再次測算在設(shè)置了所述蒙皮鋼板區(qū)域的桁架體系是否滿足了受力及變形要求；a)如滿足了要求，所選的蒙皮鋼板的厚度即作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)進入步驟(7)；b)如未滿足要求，重復(fù)步驟(6)；即在步驟(6)中反復(fù)調(diào)整蒙皮鋼板的厚度可以使桁架體系滿足受力及變形要求為止，最終確定蒙皮鋼板的厚度；在本實施例中，鋼板單元的厚度和鋪設(shè)的區(qū)域作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)后，進入步驟
(7)，計算分析蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力，查看蒙皮鋼板是否滿足受力及變形要求；在本實施例中，蒙皮鋼板滿足了受力及變形要求，因此進入步驟(8);而在其它實施例中，如果未滿足要求，則重復(fù)步驟(6)；(8)根據(jù)von-Mises等效應(yīng)力結(jié)果、蒙皮鋼板與桁架主體結(jié)構(gòu)、屋面板結(jié)構(gòu)的關(guān)系來確定不同應(yīng)力區(qū)域的蒙皮鋼板與桁架體系的連接方式。如圖7及8所示，在本實施例中，蒙皮鋼板von-Mises等效應(yīng)力為200Mpa，為了保證蒙皮鋼板與桁架的可靠性連接，同時減少蒙皮鋼板的撓度，蒙皮鋼板與大懸臂桁架的上表面之間采用嵌固結(jié)構(gòu)的剛性連接，嵌固結(jié)構(gòu)使得嵌固部位的強度與蒙皮鋼板本身的強度等強，避免蒙皮鋼板嵌固部位先于蒙皮鋼板破壞而影響蒙皮效果，另外，這種嵌固結(jié)構(gòu)對控制蒙皮鋼板本身的撓度變形很有效。本實施例中，具體采用角焊縫連接，焊縫E、F的焊角尺寸為5mm，焊縫E、F分別位于蒙皮鋼板I與大懸臂桁架2的上表面及其邊緣位置，可確保蒙皮鋼板I不會與桁架2脫離。在本發(fā)明中蒙皮鋼板與桁架體系的連接均采用嵌固形式，但是具體操作上是采用焊接、加勁板連接等形式要依據(jù)上述因素來確定。如圖9所示，加勁板連接是采用角鋼10焊接在蒙皮鋼板I及桁架2上的方式實現(xiàn)桁架2與蒙皮鋼板I的連接，其中，蒙皮鋼板與桁架之間也具有焊縫。另外，連接形式不能影響屋面板的安裝，而且也要根據(jù)桁架體系的具體情況來確定，一般來說在桁架體系的危險性區(qū)域(應(yīng)力較大的區(qū)域)采用比較牢固的連接形式，而在應(yīng)力較小的區(qū)域采用承受力 較小的連接形式。(9)將計算所得的結(jié)果輸出。本實施例還包括復(fù)核步驟，即在完成步驟(8)之后，測算分析蒙皮鋼板的應(yīng)力及蒙皮鋼板與桁架體系的連接強度是否滿足受力要求，其中，測算蒙皮鋼板與桁架體系的連接強度即指測算蒙皮鋼板與桁架體系之間連接結(jié)構(gòu)的強度，例如焊接時，焊縫的強度及加勁板連接時的強度等。在本實施例中，滿足了受力要求，轉(zhuǎn)入步驟(9);如果在其它實施例中不滿足受力要求，則重復(fù)步驟(6)。另外，所鋪設(shè)的蒙皮鋼板不能影響屋面系統(tǒng)的安裝，屋面板荷載也不能直接傳遞給蒙皮鋼板，當(dāng)通過計算分析，蒙皮鋼板的鋪設(shè)區(qū)域影響了屋面系統(tǒng)安裝時，可將蒙皮鋼板分割為數(shù)塊與桁架相連，以避開屋面系統(tǒng)的安裝位置。蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力，是用應(yīng)力等值線來表示蒙皮鋼板的應(yīng)力分布情況，它可以清晰描述出蒙皮鋼板的受力情況，從而可以使分析人員快速確定蒙皮鋼板應(yīng)力最大區(qū)域。von-Mises等效應(yīng)力是材料的一種等效應(yīng)力，當(dāng)材料von-Mises應(yīng)力小于某一允許值時認為材料是安全的，所有直接考察蒙皮鋼板的von-Mises應(yīng)力能判斷蒙皮鋼板的受力情況是否滿足要求。本發(fā)明鋼板單元11的外緣輪廓與其固定在桁架體系上相應(yīng)的框架形狀相吻合。在實際施工過程中，一般是預(yù)先購進整塊現(xiàn)有規(guī)格的鋼板，根據(jù)需要鋪設(shè)鋼板單元的桁架上區(qū)域中框架的形狀將鋼板分割成相應(yīng)的形狀，以便鋼板單元的邊緣都能與框架適配連接，當(dāng)鋼板單元連接在桁架上之后總體構(gòu)成具有力學(xué)意義的蒙皮鋼板，其與桁架體系一起作為整體受力組合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明蒙皮鋼板在恒、活、風(fēng)、地震等荷載作用下均發(fā)生作用，提高整個桁架抗彎剛度和安全儲備，與不鋪設(shè)應(yīng)力蒙皮鋼板的效果相比，對于撓度的控制效果更加明顯，能提高近20%的撓度控制能力，對應(yīng)構(gòu)件應(yīng)力的影響也近10%。如圖12 14所示，以下是蒙皮鋼板在地震作用下的計算結(jié)果。根據(jù)安評報告采用一組人工波對整體結(jié)構(gòu)進行時程分析，人工波加速度峰值為232cm/s2，分析時蒙皮鋼板采用實際厚度的殼單元模擬。參見圖12，是圖11中G節(jié)點8366在不考慮蒙皮效應(yīng)及考慮蒙皮效應(yīng)情況下節(jié)點在X向移時程曲線圖；圖13是圖11中G節(jié)點8366在不考慮蒙皮效應(yīng)及考慮蒙皮效應(yīng)情況下節(jié)點在Y向位移時程曲線圖；圖14是圖11中G節(jié)點8366在不考慮蒙皮效應(yīng)及考慮蒙皮效應(yīng)情況下節(jié)點在Z向位移時程曲線圖；其中，X、Y軸均為水平方向，X軸為沿桁架的延伸方向，Y軸為垂直于桁架延伸方向，Z軸為豎直方向即垂直于大地方向。從計算結(jié)果看出在考慮和不考慮蒙皮效應(yīng)的情況下，蒙皮鋼板對懸臂桁架X軸、Y軸方向位移的影響是十分微弱的，但對Z軸方向位移影響較大大。具體而言，參見圖14，不考慮蒙皮效應(yīng)時，節(jié)點8366在Z軸正負向的位移峰值分別為82. 08mm和-95. 88mm ;而考慮蒙皮效應(yīng)時，節(jié)點8366在Z軸正負向的位移峰值分別為59. 48mm和-77. 22mm，節(jié)點位移峰值比不考慮蒙皮效應(yīng)時的節(jié)點位移峰值分別減小了 27. 53%和19. 46%。另外，參見圖15，是本發(fā)明蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力分布示意圖?？梢钥闯?，從蒙皮鋼板的邊緣至其中心部位應(yīng)力逐步減小，von-Mises應(yīng)力即從小到大,最小為4Mpa,最大為200Mpa。這表明蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力集中有所緩解,懸臂結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力分布更加合理。在其它實施例中，如圖10所示，也可以在桁架2的下表面上鋪設(shè)蒙皮鋼板1，該蒙皮鋼板I位于檁條7的下方，而屋面板8位于檁條7的上方，其中，桁架2的下表面即指下弦桿的下翼緣。在實際施工中，桁架高度限制是采用本發(fā)明在桁架上設(shè)置蒙皮鋼板的原因之一， 但是，在沒有技術(shù)或者其他限制性條件的情況下，為了獲得性價比比較好的桁架結(jié)構(gòu)，也可以選擇在桁架上設(shè)置蒙皮鋼板；或者當(dāng)桁架體系均滿足受力及變形要求時，可以在桁架受力大的部位，或者應(yīng)力接近臨界值的桁架區(qū)域中設(shè)置蒙皮鋼板，作為安全結(jié)構(gòu)的安全儲備使用，可大大增強桁架受力強度。本發(fā)明的實施方式不限于此，根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明蒙皮鋼板除了可以采用殼單元進行模擬，還可以采用板單元來模擬。因此本發(fā)明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發(fā)明權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，包括桁架和檁條，其特征是在所述桁架的上表面上或者在所述桁架的下表面上鋪設(shè)有蒙皮鋼板，所述檁條位于所述蒙皮鋼板的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的蒙皮鋼板通過角焊縫或者熔透焊或者螺栓連接方式連接在所述桁架上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)蒙皮鋼板在自重作用下的撓度超過1/500的跨度時，在所述蒙皮鋼板的上表面或者下表面上增設(shè)加勁板，并沿蒙皮鋼板的跨度方向間隔排列，所述加勁板的兩端與桁架相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于所述蒙皮鋼板通過自攻、自鉆螺絲或熱熔銷釘、螺栓與桁架上的構(gòu)件連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4任一項所述的蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于鋪設(shè)有蒙皮鋼板的桁架的應(yīng)カ減小幅度大于或者等于20%或者變形減小幅度大于或者等于 20%。
6.—種根據(jù)權(quán)利要求I所述蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)方式之安全性的分析測算方法，其特征在于是在有限元模擬平臺上進行分析計算，具體包括以下步驟 (1)原始數(shù)據(jù)采集采集建立桁架體系所需的數(shù)據(jù)； (2)將原始數(shù)據(jù)輸入有限元模擬系統(tǒng)中，建立起桁架體系的結(jié)構(gòu)有限元模型； (3)對桁架體系進行應(yīng)カ測算、分析，當(dāng)桁架體系上的某區(qū)域無法滿足受カ及變形要求時，得出需要鋪設(shè)蒙皮鋼板的區(qū)域； (4)在步驟(3)獲得的未滿足受力或變形要求的桁架區(qū)域上設(shè)置蒙皮鋼板，將組成蒙皮鋼板的鋼板單元的厚度、鋼板單元的數(shù)量和區(qū)域大小的初始數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)有限元模型中，其中，蒙皮鋼板采用結(jié)構(gòu)有限元模型中的ニ維單元進行模擬，建立蒙皮鋼板的計算機三維初始力學(xué)模型； (5)在有限元模擬平臺上對蒙皮鋼板的三維初始力學(xué)模型進行分析計算，測算在設(shè)置了所述蒙皮鋼板區(qū)域的桁架體系是否滿足了受カ及變形要求； a)如滿足了要求，所選的蒙皮鋼板的厚度即作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)進入步驟(7)； b)如未滿足要求，則進入步驟(6)； (6)調(diào)整鋼板単元的厚度，輸入結(jié)構(gòu)有限元三維力學(xué)模型中，修正三維力學(xué)模型，再次測算在設(shè)置了所述蒙皮鋼板區(qū)域的桁架體系是否滿足了受カ及變形要求； a)如滿足了要求，所選的蒙皮鋼板的厚度即作為確定的蒙皮數(shù)據(jù)進入步驟(7)； b)如未滿足要求，重復(fù)步驟(6)； 即在步驟(6)中反復(fù)調(diào)整蒙皮鋼板的厚度可以使桁架體系滿足受力及變形要求為止，最終確定蒙皮鋼板的厚度； (7)計算分析蒙皮鋼板的von-Mises等效應(yīng)力，查看蒙皮鋼板是否滿足受力及變形要求； a)如滿足了要求，進入步驟(8)； b)如未滿足要求，重復(fù)步驟(6)； (8)根據(jù)von-Mises等效應(yīng)カ結(jié)果、蒙皮鋼板與桁架主體結(jié)構(gòu)、屋面板結(jié)構(gòu)的關(guān)系來確定不同應(yīng)カ區(qū)域的蒙皮鋼板與桁架體系的連接方式。(9)將計算所得的結(jié)果輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分析測算方法，其特征在干在所述步驟(4)中，所述ニ維單元為殼單元或者板單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分析測算方法，其特征在于所述鋼板単元的外緣輪廓與其固定在桁架體系上相應(yīng)的框架形狀相吻合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分析測算方法，其特征在于在完成步驟(8)之后，測算分析蒙皮鋼板的應(yīng)カ及蒙皮鋼板與桁架體系的連接強度是否滿足受カ要求，其中，測算蒙皮鋼板與桁架體系的連接強度即指測算蒙皮鋼板與桁架體系之間連接結(jié)構(gòu)的強度； a)當(dāng)滿足要求，轉(zhuǎn)入步驟(9)； b)當(dāng)不滿足要求，重復(fù)步驟(6)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分析測算方法，其特征在干所述步驟(I)中的原始數(shù)據(jù)采集是指將預(yù)定的或者已經(jīng)建好的桁架體系的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)跨度、截面形式、荷載參數(shù)、材料、邊界條件數(shù)據(jù)輸入有限元模擬系統(tǒng)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)，包括桁架和檁條，在桁架的上表面上或者在桁架的下表面上鋪設(shè)有蒙皮鋼板，所述檁條位于所述蒙皮鋼板的上方；還公開了前述的一種蒙皮局部應(yīng)用于桁架上的組合結(jié)構(gòu)方式之安全性的分析測算方法。本發(fā)明建模工作量小、實際操作容易，計算簡單方便準(zhǔn)確，可實現(xiàn)蒙皮效應(yīng)的定量分析，能夠充分發(fā)揮蒙皮鋼板的承載特性，大大增強與蒙皮鋼板連接的下部構(gòu)件或者桁架的抗彎及抗拉、壓能力，實際增強了構(gòu)件的上翼緣或者桁架上弦的抗拉或者抗壓的強度；而且，可使建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，從而獲得加強結(jié)構(gòu)空間剛度、降低結(jié)構(gòu)用鋼量的技術(shù)效果。
文檔編號E04C3/08GK102733543SQ20121003288
公開日2012年10月17日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者關(guān)超, 劉雪兵, 區(qū)彤, 張衛(wèi)東, 王忠秋, 譚堅, 陳星 , 陳雄 申請人:廣東杭蕭鋼構(gòu)有限公司, 廣東省建筑設(shè)計研究院