专利名称：蒙皮局部应用于桁架组合结构及其安全性的分析测算方法
技术领域：
本发明涉及建筑技术领域中的蒙皮技术，特别是涉及一种蒙皮局部应用于桁架上的组合结构及其安全性的分析测算方法。
背景技术：
“蒙皮”这一概念来自飞机和轮船行业，蒙皮往往采用金属薄板，它覆盖在纵横肋上构成带肋薄壳结构。由于蒙皮在自身平面内具有较强的抗拉、抗压和剪切强度，而且它与纵横肋共同工作，使得蒙皮结构的稳定性很强。蒙皮应用于建筑领域中，大都是在建筑主体结构上覆盖蒙皮作为屋面板或者墙面，蒙皮具有较大的承载力及刚度，可以加强建筑物整体的刚度，而且由于蒙皮的自重很轻，还有利于减少建筑主体结构所承载的重力；对于建筑结构来讲，蒙皮结构所产生的蒙皮 效应是指由蒙皮构成的围护结构(主要是屋面和墙面)对建筑主体结构的整体加强作用，这种效应大大加强了结构的空间整体性。在建筑领域中，并不是所有的结构和结构构造在设计时都可以考虑蒙皮效应，目前，在满足一定条件的压型钢板以及轻型钢框架组成的轻钢住宅和门式刚架体系中存在着较大的蒙皮效应。具体而言，轻钢住宅和门式刚架体系中的围护板与檩条之间、围护板与围护板之间通过不同的紧固件连接构成了以檩条为肋的一系列隔板，这种隔板在平面内具有相当大的刚度，类似于薄壁深梁中的腹板，檩条类似于薄壁深梁中的加劲肋，隔板的四周与墙梁或檩条连接，可以将隔板平面内的剪力传递出去，因此隔板能够承受隔板平面内的各种荷载作用。在蒙皮效应的应用方面，国外对应力蒙皮研究和应用的重点在于充分发挥屋面板(压型钢板)蒙皮的潜在承载特性，使结构整体作用的设计更加合理，从而获得加强结构空间刚度、降低结构用钢量等效果。而我国目前建筑行业仍处于蒙皮效应应用的概念阶段，虽然国内建筑行业大都认同蒙皮效应的优点与技术效果，但是却没有真正把蒙皮效应应用于实际工程中，特别是在建筑结构的计算分析中没有考虑蒙皮效应的作用，将其仅仅作为一种结构上的安全储备。现有将蒙皮结构应用于建筑领域的计算分析中，一般需要对蒙皮效应从定性到定量进行计算分析，在此过程中，要解决蒙皮与建筑主体结构连接的可靠性及计算手段两个方面的问题，其一，可靠性是指屋面板与檩条、檩条与建筑主体结构的连接可靠性，如图I所示，现有门式刚架体系中屋面板8与檩条7连接且位于檩条7的上面，而檩条7则设置在桁架主体结构2上，整个屋面板8由数块单元板搭接构成，单元板与檩条之间采用螺栓连接，螺栓孔设置在檩条与建筑主体结构的连接端上，螺栓孔通常是长条形孔，螺栓安装在螺栓孔中，依靠螺栓和螺栓孔在一定范围内滑动，使得屋面板与檩条之间产生相对位移，这种结构虽然使得屋面板与檩条的安装比较方便且可以充分释放屋面体系的温度应力，而且可以减少主体结构对屋面板及檩条的影响，但是却削弱了屋面板的蒙皮效应，没有充分发挥蒙皮的潜在承载特性，蒙皮效应存在失效的可能，因此目前未将屋面板的蒙皮效应作为计算研究的对象；其二，计算手段往往采用简化计算，简化计算是仅考虑屋面板的作用，不考虑檩条的作用，这种计算结果失真，定量效果差；但是，如果按照实际的檩条与屋面板连接关系建立整体模型，建模工作量大，需将所有檩条及屋面次结构建入力学模型，来模拟屋面、檩条及主体结构的关系，即便如此，模型假定与实际情况也仍不能完全一致，导致费时费力建模所模拟出来的结果并不能真实地反映蒙皮效应及其程度，使得蒙皮结构在我国建筑领域中难以实际应用。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种蒙皮局部应用于祐1架上的组合结构，以便在祐1架上局部铺设的蒙皮能有效地发挥蒙皮效应，利用蒙皮特性加强结构空间刚度、降低结构用钢量，实现蒙皮与建筑主体结构的可靠性连接。 本发明的第二个目的在于提供前述的一种蒙皮局部应用于桁架上的组合结构方式之安全性的分析测算方法，为蒙皮技术得到更广泛的实际应用提供技术支持。本发明的第一个目的通过如下的技术方案来实现一种蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，包括桁架和檩条，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铺设有蒙皮钢板，所述檩条位于所述蒙皮钢板的上方。桁架主要由上弦杆、腹杆和下弦杆组成，其中，腹杆位于上弦杆与下弦杆之间，本发明桁架的上表面即指上弦杆的上翼缘，而桁架的下表面即指下弦杆的下翼缘。本发明可增强桁架的上弦杆或者下弦杆受力刚度，提高整个桁架抗弯刚度，从而降低桁架挠度和应力水平，并可将其作为一种结构抗震性能的储备。本发明所述的蒙皮钢板与桁架的固定方式，可采用角焊缝、熔透焊、螺栓连接等，就该三种连接方式而言各有优缺点，其中，螺栓连接在受力时，是承受塑性破坏，因此最为牢固，受力最好，而角焊缝和熔透焊受力时承受脆性破坏，角焊缝的施工质量易于控制，施工后无需检测，对焊缝的要求低，熔透焊往往在受力大的部位使用，但是施工后需要超声波检测，施工成本高；因此，在具体施工场合，需要根据实际情况来选择适当的连接方式，只要能够保证蒙皮钢板在受力条件下不会与桁架主体结构(即桁架或构件)脱离即可。作为本发明的一种改进，当蒙皮钢板在自重作用下的挠度超过1/500的跨度时，在所述蒙皮钢板的上表面或者下表面上增设加劲板，并沿蒙皮钢板的跨度方向间隔排列，所述加劲板的两端与桁架相连接，所述加劲板之间的间隔间距按计算确定，以达到控制蒙皮钢板在自重作用下的挠度不超过1/500跨度的目的。本发明所述的加劲板既可以设置在蒙皮钢板的下表面上，也可以设置在蒙皮钢板的上表面上。本发明推荐的实施方式是将加劲板设置在蒙皮钢板的上表面上，因为当加劲板设置在蒙皮钢板的下表面上时，施工人员需仰卧进行焊接，因此该种设置方式具有施工不便的缺陷，只有当加劲板设置在蒙皮钢板的上表面上时，会干扰屋面系统(包括保温层、隔热层等)的安装，即会与屋面系统产生干涉的情况下，才选择将加劲板设置在蒙皮钢板的下表面上。本发明整体桁架的弦杆构成网格状的框架结构，其中，单个蒙皮钢板(下述钢板单元)的外缘轮廓与其固定在桁架体系上相应的框架形状相吻合。本发明蒙皮钢板与桁架上的构件连接时，采用的连接方式可为自攻、自钻螺丝或热熔销钉、螺栓，而勾头螺栓、夹子或者其它通过摩擦力传递剪力的连接件均不适用。本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现一种蒙皮局部应用于桁架上的安全性分析测算方法，其特征在于是在有限元模拟平台上进行分析计算，具体包括以下步骤(I)原始数据采集采集建立桁架体系所需的数据；(2)将原始数据输入有限元模拟系统中， 建立起桁架体系的结构有限元模型；(3)对桁架体系进行应力测算、分析，当桁架体系上的某区域无法满足受力及变形要求时，得出需要铺设蒙皮钢板的区域；(4)在步骤(3)获得的未满足受力或变形要求的桁架区域上设置蒙皮钢板，将组成蒙皮钢板的钢板单元的厚度、钢板单元的数量和区域大小的初始数据输入结构有限元模型中，其中，蒙皮钢板采用结构有限元模型中的二维单元进行模拟，建立蒙皮钢板的计算机三维初始力学模型；本发明初始数据是根据桁架受力大的位置来选择铺设部位的，例如悬挑桁架的根部或者简支桁架的跨中部位等；蒙皮钢板一般有厚度为2mm、5mm及8mm等规格，初步选择蒙皮钢板厚度的原则是初选蒙皮钢板的厚度为适中，即可以初选5mm厚的蒙皮钢板，但是也不排除初选厚度较小或者厚度较大的情况，本领域技术人员可以根据经验进行选择。(5)在有限元模拟平台上对蒙皮钢板的三维初始力学模型进行分析计算，测算在设置了所述蒙皮钢板区域的桁架体系是否满足了受力及变形要求；a)如满足了要求，所选的蒙皮钢板的厚度即作为确定的蒙皮数据进入步骤(7)；b)如未满足要求，则进入步骤(6)；(6)调整钢板单元的厚度，输入结构有限元三维力学模型中，修正三维力学模型，再次测算在设置了所述蒙皮钢板区域的桁架体系是否满足了受力及变形要求；a)如满足了要求，所选的蒙皮钢板的厚度即作为确定的蒙皮数据进入步骤(7)；b)如未满足要求，重复步骤(6)；即在步骤(6)中反复调整蒙皮钢板的厚度可以使桁架体系满足受力及变形要求为止，最终确定蒙皮钢板的厚度；(7)计算分析蒙皮钢板的von-Mises等效应力，查看蒙皮钢板是否满足受力及变形要求；a)如满足了要求，进入步骤⑶；b)如未满足要求，重复步骤(6)；(8)根据von-Mises等效应力结果、蒙皮钢板与桁架主体结构、屋面板结构的关系来确定不同应力区域的蒙皮钢板与桁架体系的连接方式。在本发明中蒙皮钢板与桁架体系的连接均采用嵌固形式，但是具体操作上是采用焊接、加劲板连接等形式要依据上述因素来确定。连接形式不能影响屋面板的安装，而且也要根据桁架体系的具体情况来确定，一般来说在桁架体系的危险性区域(应力较大的区域)采用比较牢固的连接形式，而在应力较小的区域采用承受力较小的连接形式。(9)将计算所得的结果输出。上述步骤(7)中蒙皮钢板的von-Mises等效应力，是用应力等值线来表示蒙皮钢板的应力分布情况，它可以清晰描述出蒙皮钢板的受力情况，从而可以使分析人员快速确定蒙皮钢板应力最大区域。von-Mises等效应力是材料的一种等效应力，当材料von-Mises应力小于某一允许值时认为材料是安全的，所有直接考察蒙皮钢板的von-Mises应力能判断蒙皮钢板的受力情况是否满足要求。本发明是在有限元模拟平台上进行分析测算，建模工作量小、实际操作容易，计算简单方便准确，可实现蒙皮效应的定量分析，能够充分发挥蒙皮钢板的承载特性，即蒙皮钢板在自身平面内可提供较大的刚度，大大增强与蒙皮钢板连接的下部构件或者桁架的抗弯及抗拉、压能力，实际增强了构件的上翼缘或者桁架上弦的抗拉或者抗压的强度；使建筑主体结构设计更加合理，从而获得加强结构空间刚度、降低结构用钢量的技术效果；本发明是在原有桁架体系结构中，在桁架主体结构上铺设蒙皮钢板，在实际施工中，可确保蒙皮与檩条、檩条与建筑主体结构之间的连接可靠性。作为本发明的一种实施方式，所述二维单元可以采用壳单元，也可以采用板单元。作为优选的实施方式，二维单元采用壳单元，选择“壳单元”是为了更加准确地模拟蒙皮钢板的实际情况，具体而言，采用“壳单元”模拟，可以对蒙皮钢板的受力情况分析更为全面， 即不仅考虑蒙皮钢板平面内的刚度，同时也考虑到了蒙皮钢板的挠度，能够和实际情况相 —致。作为本发明的一种改进，本发明所述钢板单元的外缘轮廓与其固定在桁架体系上相应的框架形状相吻合。在实际施工过程中，一般是预先购进整块现有规格的钢板，根据需要铺设钢板单元的桁架上区域中框架的形状将钢板分割成相应的形状，以便钢板单元的边缘都能与框架适配连接，当钢板单元连接在桁架上之后总体构成具有力学意义的蒙皮钢板，其与桁架体系一起作为整体受力组合结构。作为本分析测算方法的优化步骤，还包括复核步骤，即在完成步骤(8)之后，测算分析蒙皮钢板的应力及蒙皮钢板与桁架体系的连接强度是否满足受力要求，其中，测算蒙皮钢板与桁架体系的连接强度即指测算蒙皮钢板与桁架体系之间连接结构的强度，例如焊接时，焊缝的强度及加劲板连接时的强度等。a)当满足要求,转入步骤(9)；b)当不满足要求，重复步骤(6)；作为本发明的一种实施方式，所述步骤(I)中的原始数据采集是指将预定的或者已经建好的桁架体系的构件、结构跨度、截面形式、荷载参数、材料、边界条件数据输入有限兀I旲拟系统中。如果蒙皮钢板的设置对桁架体系的应力、变形幅度影响不大，即设置蒙皮钢板后相对与未设置蒙皮钢板时，桁架体系的应力减小幅度未达到20%以上或变形减小幅度未达到20%，就可以认为在该桁架体系该位置上设置蒙皮钢板是不经济且效率不高的，此时，应该考虑在桁架体系别的位置上设置蒙皮钢板。本发明上述的受力及变形要求是指设计规范中需要满足的受力及变形要求。规范主要指国家颁布的设计规范，如《钢结构设计规范》，它对结构的受力情况有规定，不能够违反，如有违反即为不满足规范要求。这些要求可以事先输入有限元系统中，但是一般来说这些要求往往没有事先设定到有限元系统中(因为《设计规范》中的设计要求很多，将其事先输入有限元系统中操作难度较大)，需要设计人员自己提取计算结果后与规范上的要求进行比较，从而确定计算结果是否满足要求。
在实际施工中，桁架高度限制是采用本发明在桁架上设置蒙皮钢板的原因之一，但是，在没有技术或者其他限制性条件的情况下，为了获得性价比比较好的桁架结构，也可以选择在桁架上设置蒙皮钢板；或者当桁架体系均满足受力及变形要求时，可以在桁架受力大的部位，或者应力接近临界值的桁架区域中设置蒙皮钢板，作为安全结构的安全储备使用，可大大增强桁架受力强度。与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果(I)本发明是在有限元模拟平台上进行蒙皮局部应用于桁架上安全性的分析测算，蒙皮钢板直接采用壳单元来模拟，建模工作量小、实际操作容易，计算简单方便准确，可实现蒙皮效应的定量分析。(2)本发明能够充分发挥蒙皮钢板的承载特性，即蒙皮钢板在自身平面内可提供较大的刚度，大大增强与局部蒙皮连接的下部构件或者桁架的抗弯及抗拉、压能力，实际增强了构件的上翼缘或者桁架上弦的抗拉或者抗压的强度。 (3)蒙皮钢板的区域大小及厚度均在有限元模拟平台上计算分析获得，使建筑主体结构更加合理，获得加强结构空间刚度、降低结构用钢量的技术效果。(4)计算分析蒙皮钢板的von-Mises等效应力，确定蒙皮钢板与祐1架体系的连接方式，可确保蒙皮与檩条、檩条与建筑主体结构之间的连接可靠性，完成应力蒙皮从概念到实际应用的转变。(5)当桁架体系满足了受力及变形要求时，可以在桁架受力大的部位，或者应力接近临界值的桁架区域中设置蒙皮钢板，作为安全结构的安全储备使用，可大大增强桁架受力强度。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。图I是现有在桁架主体结构上设置屋面板的结构示意图；图2本发明在广州亚运会体操馆屋面悬臂桁架上设置蒙皮钢板的结构示意图；图3是图2中A局部放大示意图；图4是本发明蒙皮钢板与桁架连接的结构示意图(蒙皮钢板设置在桁架的上表面上，即桁架上弦杆的上翼缘)；图5是本发明一个钢板单元设置在桁架上弦杆的上翼缘的结构示意图；图6是本发明三个钢板单元设置在桁架上弦杆的上翼缘的结构示意图；图7是本发明蒙皮钢板与桁架上弦杆的上翼缘为嵌固连接(采用角焊缝)的结构示意图；图8是图7中C局部放大示意图；图9是本发明蒙皮钢板与桁架上弦杆的上翼缘为嵌固连接(采用加劲板焊接)的结构示意图；图10是本发明蒙皮钢板设置在桁架下弦杆的下翼缘上的结构示意图；图11是广州亚运会体操馆屋面悬臂桁架上设置蒙皮钢板的俯视立体结构示意图；图12是图11中G节点在不考虑蒙皮效应及考虑蒙皮效应情况下节点在X向移时程曲线图；图13是图11中G节点在不考虑蒙皮效应及考虑蒙皮效应情况下节点在Y向位移时程曲线图；图14是图11中G节点在不考虑蒙皮效应及考虑蒙皮效应情况下节点在Z向位移时程曲线图；图15是本发明蒙皮钢板的von-Mises等效应力分布示意图。
具体实施例方式如图I 15所不,是本发明一种蒙皮局部应用于祐1架上的组合结构,包括祐1架和檩条，如图2所示，本实施例的桁架是2010年广州亚运会体操馆屋面钢结构长23m的悬臂桁架，参见图4，在桁架2的上表面上铺设有蒙皮钢板1，檩条7位于蒙皮钢板I的 上方，屋面板8设置在檩条7的上表面上。具体而言，桁架2主要由上弦杆21、腹杆22和下弦杆23组成，桁架2的上表面即指上弦杆21的上翼缘。设置了蒙皮钢板后，大大增强了桁架的受力刚度，提高了整个桁架的抗弯刚度，从而降低了桁架挠度和应力水平，并可将其作为一种结构抗震性能的储备。其中，如图7、8所示，蒙皮钢板I与桁架2的连接方式采用角焊缝，焊缝E、F受力时承受脆性破坏，角焊缝的施工质量易于控制，施工后无需检测，对焊缝的要求低，因此可优先选用；在具体施工场合，也可以根据实际情况来选择其它适当的连接方式，如熔透焊和螺栓连接等，熔透焊往往在受力大的部位使用，但是施工后需要超声波检测，施工成本高；而螺栓连接在受力时，是承受塑性破坏，因此最为牢固，受力最好，连接方式的选择只要能够保证蒙皮钢板在受力条件下不会与桁架主体结构(即桁架或构件)脱离即可。如图5及图6所示，当蒙皮钢板I在自重作用下的挠度超过1/500的跨度时，在蒙皮钢板I的上表面上增设加劲板，并沿蒙皮钢板I的跨度方向间隔排列，加劲板的两端与桁架相连接，加劲板之间的间隔间距按计算确定，以达到控制蒙皮钢板I在自重作用下的挠度不超过1/500跨度的目的，在本实施例中，加劲板采用L50X3的角钢10。角钢10也可以设置在蒙皮钢板I的下表面上，但是设置在蒙皮钢板I的下表面上时，施工人员需仰卧进行焊接，因此该种设置方式具有施工不便的缺陷，只有当角钢10设置在蒙皮钢板I的上表面上时，会干扰屋面系统(包括保温层、隔热层等)的安装，即会与屋面系统产生干涉的情况下，才选择将角钢10设置在蒙皮钢板I的下表面上。如图11所示，本发明整体桁架的弦杆构成网格状的框架结构，其中，单个蒙皮钢板(下述钢板单元)的外缘轮廓与其固定在桁架2体系上相应的框架形状相吻合，蒙皮钢板I与桁架2上的构件连接时，采用的连接方式可为自攻、自钻螺丝或热熔销钉、螺栓，而勾头螺栓、夹子或者其它通过摩擦力传递剪力的连接件均不适用。如果蒙皮钢板的设置对桁架体系的应力、变形幅度影响不大，即设置蒙皮钢板后相对与未设置蒙皮钢板时，桁架体系的应力减小幅度未达到20%以上或变形减小幅度未达到20% (即本发明铺设有蒙皮钢板的桁架的应力减小幅度应该达到大于或者等于20%或者变形减小幅度大于或者等于20%的目的)，就可以认为在该桁架体系该位置上设置蒙皮钢板是不经济且效率不高的，此时，应该考虑在桁架体系别的位置上设置蒙皮钢板。实现上述蒙皮局部应用于桁架上的组合结构而将蒙皮局部应用于桁架上的安全性分析测算方法，是在有限元模拟平台上进行分析计算，具体包括以下步骤(I)原始数据采集采集建立广州亚运城综合体育馆体操馆结构所需的数据，这些数据包括预定的或者已经建好的桁架体系的构件、结构跨度、截面形式、荷载参数、材料、边界条件数据等。(2)将原始数据输入有限元模拟系统中，建立起桁架体系的结构有限元模型，本结构中钢结构屋面长23m的悬臂桁架由于建筑高度限制，不能做高；(3)对桁架体系进行应力测算、分析，得出悬臂桁架的根部不能满足受力及变形要求，因此需要在该悬臂桁架根部铺设蒙皮钢板1，(4)在步骤(3)获得的未满足受力或变形要求的悬臂桁架的根部区域上设置蒙皮钢板1，将组成蒙皮钢板I的钢板单元11的厚度5mm、钢板单元11的数量和区域大小 25mX 15m的初始数据输入结构有限元模型中，其中，蒙皮钢板采用结构有限元模型中的壳单元进行模拟，建立蒙皮钢板的计算机三维初始力学模型；采用“壳单元”模拟，可以对蒙皮钢板的受力情况分析更为全面，即不仅考虑蒙皮钢板平面内的刚度，同时也考虑到了蒙皮钢板的挠度，能够和实际情况相一致。本发明初始数据是根据桁架受力大的位置来选择铺设部位的，例如悬挑桁架的根部或者简支桁架的跨中部位等；蒙皮钢板一般有厚度为2mm、5mm及8mm等规格，初步选择蒙皮钢板厚度的原则是初选蒙皮钢板的厚度为适中，即可以初选5mm厚的蒙皮钢板，但是也不排除初选厚度较小或者厚度较大的情况，本领域技术人员可以根据经验进行选择。(5)在有限元模拟平台上对蒙皮钢板的三维初始力学模型进行分析计算，测算在设置了所述蒙皮钢板区域的桁架体系是否满足了受力及变形要求；本实施例中选择蒙皮钢板的厚度5mm满足了要求，因此所选的蒙皮钢板的厚度5mm即作为确定的蒙皮数据进入步骤⑵；如果在其它实施例中，桁架体系未满足要求，则进入步骤(6)；(6)调整钢板单元的厚度，输入结构有限元三维力学模型中，修正三维力学模型，再次测算在设置了所述蒙皮钢板区域的桁架体系是否满足了受力及变形要求；a)如满足了要求，所选的蒙皮钢板的厚度即作为确定的蒙皮数据进入步骤(7)；b)如未满足要求，重复步骤(6)；即在步骤(6)中反复调整蒙皮钢板的厚度可以使桁架体系满足受力及变形要求为止，最终确定蒙皮钢板的厚度；在本实施例中，钢板单元的厚度和铺设的区域作为确定的蒙皮数据后，进入步骤
(7)，计算分析蒙皮钢板的von-Mises等效应力，查看蒙皮钢板是否满足受力及变形要求；在本实施例中，蒙皮钢板满足了受力及变形要求，因此进入步骤(8);而在其它实施例中，如果未满足要求，则重复步骤(6)；(8)根据von-Mises等效应力结果、蒙皮钢板与桁架主体结构、屋面板结构的关系来确定不同应力区域的蒙皮钢板与桁架体系的连接方式。如图7及8所示，在本实施例中，蒙皮钢板von-Mises等效应力为200Mpa，为了保证蒙皮钢板与桁架的可靠性连接，同时减少蒙皮钢板的挠度，蒙皮钢板与大悬臂桁架的上表面之间采用嵌固结构的刚性连接，嵌固结构使得嵌固部位的强度与蒙皮钢板本身的强度等强，避免蒙皮钢板嵌固部位先于蒙皮钢板破坏而影响蒙皮效果，另外，这种嵌固结构对控制蒙皮钢板本身的挠度变形很有效。本实施例中，具体采用角焊缝连接，焊缝E、F的焊角尺寸为5mm，焊缝E、F分别位于蒙皮钢板I与大悬臂桁架2的上表面及其边缘位置，可确保蒙皮钢板I不会与桁架2脱离。在本发明中蒙皮钢板与桁架体系的连接均采用嵌固形式，但是具体操作上是采用焊接、加劲板连接等形式要依据上述因素来确定。如图9所示，加劲板连接是采用角钢10焊接在蒙皮钢板I及桁架2上的方式实现桁架2与蒙皮钢板I的连接，其中，蒙皮钢板与桁架之间也具有焊缝。另外，连接形式不能影响屋面板的安装，而且也要根据桁架体系的具体情况来确定，一般来说在桁架体系的危险性区域(应力较大的区域)采用比较牢固的连接形式，而在应力较小的区域采用承受力 较小的连接形式。(9)将计算所得的结果输出。本实施例还包括复核步骤，即在完成步骤(8)之后，测算分析蒙皮钢板的应力及蒙皮钢板与桁架体系的连接强度是否满足受力要求，其中，测算蒙皮钢板与桁架体系的连接强度即指测算蒙皮钢板与桁架体系之间连接结构的强度，例如焊接时，焊缝的强度及加劲板连接时的强度等。在本实施例中，满足了受力要求，转入步骤(9);如果在其它实施例中不满足受力要求，则重复步骤(6)。另外，所铺设的蒙皮钢板不能影响屋面系统的安装，屋面板荷载也不能直接传递给蒙皮钢板，当通过计算分析，蒙皮钢板的铺设区域影响了屋面系统安装时，可将蒙皮钢板分割为数块与桁架相连，以避开屋面系统的安装位置。蒙皮钢板的von-Mises等效应力，是用应力等值线来表示蒙皮钢板的应力分布情况，它可以清晰描述出蒙皮钢板的受力情况，从而可以使分析人员快速确定蒙皮钢板应力最大区域。von-Mises等效应力是材料的一种等效应力，当材料von-Mises应力小于某一允许值时认为材料是安全的，所有直接考察蒙皮钢板的von-Mises应力能判断蒙皮钢板的受力情况是否满足要求。本发明钢板单元11的外缘轮廓与其固定在桁架体系上相应的框架形状相吻合。在实际施工过程中，一般是预先购进整块现有规格的钢板，根据需要铺设钢板单元的桁架上区域中框架的形状将钢板分割成相应的形状，以便钢板单元的边缘都能与框架适配连接，当钢板单元连接在桁架上之后总体构成具有力学意义的蒙皮钢板，其与桁架体系一起作为整体受力组合结构。本发明蒙皮钢板在恒、活、风、地震等荷载作用下均发生作用，提高整个桁架抗弯刚度和安全储备，与不铺设应力蒙皮钢板的效果相比，对于挠度的控制效果更加明显，能提高近20%的挠度控制能力，对应构件应力的影响也近10%。如图12 14所示，以下是蒙皮钢板在地震作用下的计算结果。根据安评报告采用一组人工波对整体结构进行时程分析，人工波加速度峰值为232cm/s2，分析时蒙皮钢板采用实际厚度的壳单元模拟。参见图12，是图11中G节点8366在不考虑蒙皮效应及考虑蒙皮效应情况下节点在X向移时程曲线图；图13是图11中G节点8366在不考虑蒙皮效应及考虑蒙皮效应情况下节点在Y向位移时程曲线图；图14是图11中G节点8366在不考虑蒙皮效应及考虑蒙皮效应情况下节点在Z向位移时程曲线图；其中，X、Y轴均为水平方向，X轴为沿桁架的延伸方向，Y轴为垂直于桁架延伸方向，Z轴为竖直方向即垂直于大地方向。从计算结果看出在考虑和不考虑蒙皮效应的情况下，蒙皮钢板对悬臂桁架X轴、Y轴方向位移的影响是十分微弱的，但对Z轴方向位移影响较大大。具体而言，参见图14，不考虑蒙皮效应时，节点8366在Z轴正负向的位移峰值分别为82. 08mm和-95. 88mm ;而考虑蒙皮效应时，节点8366在Z轴正负向的位移峰值分别为59. 48mm和-77. 22mm，节点位移峰值比不考虑蒙皮效应时的节点位移峰值分别减小了 27. 53%和19. 46%。另外，参见图15，是本发明蒙皮钢板的von-Mises等效应力分布示意图。可以看出，从蒙皮钢板的边缘至其中心部位应力逐步减小，von-Mises应力即从小到大,最小为4Mpa,最大为200Mpa。这表明蒙皮钢板的von-Mises等效应力集中有所缓解,悬臂结构杆件应力分布更加合理。在其它实施例中，如图10所示，也可以在桁架2的下表面上铺设蒙皮钢板1，该蒙皮钢板I位于檩条7的下方，而屋面板8位于檩条7的上方，其中，桁架2的下表面即指下弦杆的下翼缘。在实际施工中，桁架高度限制是采用本发明在桁架上设置蒙皮钢板的原因之一， 但是，在没有技术或者其他限制性条件的情况下，为了获得性价比比较好的桁架结构，也可以选择在桁架上设置蒙皮钢板；或者当桁架体系均满足受力及变形要求时，可以在桁架受力大的部位，或者应力接近临界值的桁架区域中设置蒙皮钢板，作为安全结构的安全储备使用，可大大增强桁架受力强度。本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明蒙皮钢板除了可以采用壳单元进行模拟，还可以采用板单元来模拟。因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1.一种蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，包括桁架和檩条，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铺设有蒙皮钢板，所述檩条位于所述蒙皮钢板的上方。
2.根据权利要求I所述的蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，其特征在于所述的蒙皮钢板通过角焊缝或者熔透焊或者螺栓连接方式连接在所述桁架上。
3.根据权利要求2所述的蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，其特征在于当蒙皮钢板在自重作用下的挠度超过1/500的跨度时，在所述蒙皮钢板的上表面或者下表面上增设加劲板，并沿蒙皮钢板的跨度方向间隔排列，所述加劲板的两端与桁架相连接。
4.根据权利要求I所述的蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，其特征在于所述蒙皮钢板通过自攻、自钻螺丝或热熔销钉、螺栓与桁架上的构件连接。
5.根据权利要求I 4任一项所述的蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，其特征在于铺设有蒙皮钢板的桁架的应カ减小幅度大于或者等于20%或者变形减小幅度大于或者等于 20%。
6.—种根据权利要求I所述蒙皮局部应用于桁架上的组合结构方式之安全性的分析测算方法，其特征在于是在有限元模拟平台上进行分析计算，具体包括以下步骤 (1)原始数据采集采集建立桁架体系所需的数据； (2)将原始数据输入有限元模拟系统中，建立起桁架体系的结构有限元模型； (3)对桁架体系进行应カ测算、分析，当桁架体系上的某区域无法满足受カ及变形要求时，得出需要铺设蒙皮钢板的区域； (4)在步骤(3)获得的未满足受力或变形要求的桁架区域上设置蒙皮钢板，将组成蒙皮钢板的钢板单元的厚度、钢板单元的数量和区域大小的初始数据输入结构有限元模型中，其中，蒙皮钢板采用结构有限元模型中的ニ维单元进行模拟，建立蒙皮钢板的计算机三维初始力学模型； (5)在有限元模拟平台上对蒙皮钢板的三维初始力学模型进行分析计算，测算在设置了所述蒙皮钢板区域的桁架体系是否满足了受カ及变形要求； a)如满足了要求，所选的蒙皮钢板的厚度即作为确定的蒙皮数据进入步骤(7)； b)如未满足要求，则进入步骤(6)； (6)调整钢板単元的厚度，输入结构有限元三维力学模型中，修正三维力学模型，再次测算在设置了所述蒙皮钢板区域的桁架体系是否满足了受カ及变形要求； a)如满足了要求，所选的蒙皮钢板的厚度即作为确定的蒙皮数据进入步骤(7)； b)如未满足要求，重复步骤(6)； 即在步骤(6)中反复调整蒙皮钢板的厚度可以使桁架体系满足受力及变形要求为止，最終确定蒙皮钢板的厚度； (7)计算分析蒙皮钢板的von-Mises等效应力，查看蒙皮钢板是否满足受力及变形要求； a)如满足了要求，进入步骤(8)； b)如未满足要求，重复步骤(6)； (8)根据von-Mises等效应カ结果、蒙皮钢板与桁架主体结构、屋面板结构的关系来确定不同应カ区域的蒙皮钢板与桁架体系的连接方式。(9)将计算所得的结果输出。
7.根据权利要求6所述的分析测算方法，其特征在干在所述步骤(4)中，所述ニ维单元为壳单元或者板单元。
8.根据权利要求7所述的分析测算方法，其特征在于所述钢板単元的外缘轮廓与其固定在桁架体系上相应的框架形状相吻合。
9.根据权利要求8所述的分析测算方法，其特征在于在完成步骤(8)之后，测算分析蒙皮钢板的应カ及蒙皮钢板与桁架体系的连接强度是否满足受カ要求，其中，测算蒙皮钢板与桁架体系的连接强度即指测算蒙皮钢板与桁架体系之间连接结构的強度； a)当满足要求，转入步骤(9)； b)当不满足要求，重复步骤(6)。
10.根据权利要求6所述的分析测算方法，其特征在干所述步骤(I)中的原始数据采集是指将预定的或者已经建好的桁架体系的构件、结构跨度、截面形式、荷载參数、材料、边界条件数据输入有限元模拟系统中。
全文摘要
本发明公开了一种蒙皮局部应用于桁架上的组合结构，包括桁架和檩条，在桁架的上表面上或者在桁架的下表面上铺设有蒙皮钢板，所述檩条位于所述蒙皮钢板的上方；还公开了前述的一种蒙皮局部应用于桁架上的组合结构方式之安全性的分析测算方法。本发明建模工作量小、实际操作容易，计算简单方便准确，可实现蒙皮效应的定量分析，能够充分发挥蒙皮钢板的承载特性，大大增强与蒙皮钢板连接的下部构件或者桁架的抗弯及抗拉、压能力，实际增强了构件的上翼缘或者桁架上弦的抗拉或者抗压的强度；而且，可使建筑主体结构设计更加合理，从而获得加强结构空间刚度、降低结构用钢量的技术效果。
文档编号E04C3/08GK102733543SQ20121003288
公开日2012年10月17日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者关超, 刘雪兵, 区彤, 张卫东, 王忠秋, 谭坚, 陈星 , 陈雄 申请人:广东杭萧钢构有限公司, 广东省建筑设计研究院