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相对于传统结构而言,受力蒙皮结构是一种高效的结构体系。它能充分利用围护结构在其自身平面的抗剪性能,使围护结构同时也成为受力结构的重要组成部分,参与整个结构体系的工作,增加结构的整体刚度,同时还可提高被支撑构件的稳定性,这不仅能真实反映结构的实际工作性能,还能获得相当的经济效益。 为了满足防水要求,我国大部分轻钢结构的屋面面层在采用自攻螺钉连接压型钢板时,不再采用波谷连接形式,而改用在波峰处与檩条相连的形式。已有的研究证明,这种连接形式也具有相当的受力蒙皮作用可资利用,但缺乏深入的研究。针对我国的工程实际,本文在前人的研究成果基础上,主要进行了以下工作。 目前,国内外有关规范和建议均规定只有连接件在压型钢板的波谷与檩条及周边构件紧密相连才可考虑受力蒙皮作用,这些标准所给出的某些连接件的抗剪强度经验公式,也全部基于波谷连接的试验数据。针对我国目前的工程需要,对自攻螺钉波峰连接的连接件和拉铆钉连接件的抗剪性能进行了试验研究。详细研究了厚板厚度、压型钢板类型、有无压型钢板、厚板截面形式等参数变化对自攻螺钉波峰连接件的抗剪性能的影响,以及薄板厚度变化对拉铆钉连接件的抗剪性能的影响。 通过对自攻螺钉波峰连接件的试验研究,得出如下结论:(1)厚板过薄时,对螺钉根部锚固不足,会导致螺钉在受力过程中倾斜,使试件的抗剪承载力大大增加而刚度降低。但当厚板达到一定厚度后,厚板厚度的变化对试件抗剪承载力影响不大;(2)厚板越薄,试件的抗剪性能对板上预制孔的情况以及一些安装细节越敏感;(3)厚板厚度越大,试件的抗剪刚度越大;(4)无论是抗剪强度还是抗剪刚度,波峰连接都远低于波谷连接。 通过对拉铆钉连接件的抗剪性能试验研究,得出以下结论:(1)拉铆钉连接的破坏是一种脆性破坏,在达到极限荷载之前,其变形都很小;(2)板厚对拉铆钉连接强度影响不大,但对刚度影响非常大,板厚越厚,刚度越大。 采用ANSYS有限元软件对六组自攻螺钉波峰连接件的抗剪性能进行建模分析,分析结果与试验结果吻合较好。据此,开展了自攻螺钉波峰连接抗剪性能的数值模拟参数分析,研究了厚板厚度、自攻螺钉直径、压型钢板厚度等参数对连接件抗剪性能的影响,并通过对比分析各曲线散点的分布,建立了自攻螺钉波峰连接件的抗剪承载力公式,公式计算结果与有限元分析结果吻合较好。 在波峰连接件的抗剪试验研究基础上,采用ANSYS有限元程序对两组波峰连接的受力蒙皮体系的抗剪试验进行了有限元模拟,与试验结果吻合较好,然后选取压型钢板厚度和边部自攻螺钉间距两个参数对受力蒙皮体进行了参数分析。最后推导得到了波峰连接的受力蒙皮体系的简化计算方法,并与SDI方法和ECCS方法进行了比较,本文方法得到的蒙皮体的强度值更接近于试验值。 檩条在风吸力作用下,由于下翼缘受压,极容易发生失稳破坏。很多研究者分别采用了不同的方法进行了模拟。列举了目前几种典型的数值分析模型,并通过试验算例对其进行了比较,然后分别采用三种模型对两组受风吸力的檩条算例进行了分析。最后采用ANSYS程序对风吸力作用下的C型檩条建立了简化模型,进行了大量的参数分析,研究了波峰和波谷连接的蒙皮提供的剪切约束、扭转约束以及腹板高厚比、翼缘宽厚比、长细比等参数对其承载性能的影响,最后回归得到风吸力作用下蒙皮支撑 C型檩条的稳定承载力实用计算公式,与现有的计算方法相比较,该公式能高效准确地获得蒙皮支撑的C型檩条在风吸力作用下的稳定承载力,适合工程设计人员在结构设计中应用。