一、计算模型轻型钢结构功能的形成原理可表示为下图1:图1形成原理忽略实际结构的蒙皮效应后,可以得到由空间梁系组成的空间刚架;忽略空间刚架的空间共同工作效应后,可以得到由平面梁系组成的平面门式刚架;忽略结构柱脚与基础之间连接的弹性刚度后,可以得到理想的铰接或刚接的结构支座条件。
由实际门式刚架结构提取计算模型的过程如下图2所示。
图2轻型结构的计算模型建立计算模型的简化和建立,必须符合实际结构的受力特点;反过来,实际结构的设计也必须考虑到现有的理论能够分析其计算模型。
二、蒙皮效应在垂直荷载作用下,坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。
屋面板将与支承檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。
这时,屋面板承受剪力,起深梁腹板的作用,而边缘条承受轴力起深梁翼缘的作用。
显然,屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。
所以,蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。
对于坡顶门式刚架,抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度,坡度越大则蒙皮效应越显著;而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应,则随着坡度的减小而增加,如下图3所示。
图3蒙皮效应构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元。
蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件、连接件及中间构件组成,如下图4所示。
边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条(屋脊和屋檐檩条),中间构件是指中间部位的檩条。
图4蒙皮单元1.蒙皮单元的强度破坏蒙皮效应的主要性能指标是强度和刚度。
蒙皮单元有以下三种强度破坏的可能性:(1)边缘构件破坏:边缘构件可能产生压弯失稳破坏或强度破坏。
这类破坏属于脆性破坏,在实际工程中应尽量避免。
(2)蒙皮板的剪切屈曲:这也是一种脆性破坏,当荷载较大、钢板较薄或板型较差时可能发生,在实际工程中也应尽量避免。
(3)连接破坏:连接破坏包括板之间的连接破坏,板与边缘构件间的连接破坏。
板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏,其他破坏都属于延性破坏。
2.影响蒙皮单元刚度的主要因素影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个:蒙皮板本身的变形刚度,蒙皮板的变形包括板的拱褶扭曲变形(所谓的"手风琴"效应)和剪切变形;连接件的变形刚度;边缘构件的轴向变形刚度。
一般而言,中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大,但对强度影响较大。
在屋面板型选中后,连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。
由于蒙皮效应,在实际轻型钢结构建筑中,压型钢板在宏观上参与了受力,为刚架构件分担了一部分外荷载,同时在有良好连接的情况下为这些构件提供了很好的侧向约束和扭转约束,改善了结构的受力条件。
特别对于受稳定控制的薄壁刚架构件和檩条构件,蒙皮效应尤为显著。
然而,由于蒙皮效应的机理和作用条件及效果十分复杂,在实际工程设计中定量地应用蒙皮效应还有一定困难。
所以,现行设计规程中没有明确给出利用蒙皮效应的条款,所有设计计算公式都忽略了蒙皮效应,只是规定在有充分依据的条件下可以考虑蒙皮效应。
必须注意的是,设计中无论是否考虑蒙皮效应,蒙皮效应客观上都是存在的。
例如,现行轻型门式刚架结构设计规程对水平位移的限制放得很宽,但实际上结构的实测值总是远小于计算值,实际工程中也发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。
所以,忽略蒙皮效应的设计方法有时能得到偏重于安全的结果,有时又恰恰相反。
考虑蒙皮效应的设计方法并不仅仅具有经济上的意义,更重要的是可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致。