田 丹 张亚楠

（焦作工贸职业学院，河南 焦作 454550）

近几年来，随着社会和国民经济的快速发展，以轻型钢结构为主要材料的建筑在民用建筑和工业建筑中得到了广泛的运用，主要是因为这种建筑有着外形美观，施工进度较快，环保好，以及造价较低等优点[1]。随着信息技术的发展，有限元法逐渐成为模拟建筑结构的有效方法。

1 工程概况

本文采取的计算模型为三层冷弯薄壁型钢密肋结构体系住宅，其平面布置如图1-1 所示。本工程为邢台路桥建设总公司开发的别墅工程，建筑物总高度10.650m，室内外高差0.45m，二类建筑，轻型钢结构，耐火等级二级，建筑面积为333.61m2，本工程屋面防水等级为二级。建筑场地类别为Ⅱ类，地基承载力为120kN/m2。基本风压为0.45kN/m2。基本雪压为0.30kN/m2。7 度抗震设防烈度，抗震等级为Ⅱ级，设计基本地震加速度为0.10g。本工程中轻钢别墅的框架结构构件采用的是冷弯薄壁型钢，冷弯薄壁型钢的钢材选用Q345B 级钢，柱距和梁距分别按照600mm 的模数进行设置。

2 有限元模型的建立

本论文利用ANSYS 有限元分析软件建立以上别墅的计算模型，未考虑蒙皮效应的有限元模型如图2[2]。

在图2 所示的有限元的模型当中，其框架构件采用BEAM188 单元模拟，所用连接件采用COMBIN14 单元模仿[3]。在此基础上，蒙皮板采用SHELL181 单元来假定模拟，考虑蒙皮效应的有限元模型如图3[2]。

3 蒙皮效应分析

本文采用时程分析法，即根据我们事先选定的地震波、结构的恢复力的特征曲线，动力方程直接积分后再逐步的积分来计算地震中每一时刻结构所产生的位移、速度以及加速度，结构在此过程中分别经历了弹性、非弹性阶段，得出其内力是怎样的变动过程及构件从有裂缝一直到有损坏以致结构全部坍塌的全过程[4]。

文中所选地震波为EL-Centro 波，原始曲线如图4 所示。此地震波记录的是1940 年5 月18 日在美国加利福尼亚地区发生的6.7 地震。采用这个波时，地震加速度次数设为750次，每一步的时间间隔为0.02s，总持时则为15s。其在7 度、8 度和9 度多遇地震烈度下的调幅系数分别为：0.0001666、0.0003332 和0.0006663[5]。

本文假定结构模型仅受单向水平波作用，故运算时只输入了El-Centro 波的X 向进行求解，并且只进行了该结构在8 度多遇地震烈度下动力时程分析，后对蒙皮结构和框架结构在不同地震波的作用下其位移随时间的变化曲线进行对比分析。计算结果如图5、图6、表1 所示。

40 20(mm)0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15位-20移一层三层-40时间（s)

表1 不同模型位移最大值数据对比表(mm)

4 结语

由以上图表及分析可得如下结论：

(1)在El-centro 波作用下，框架结构的模型与蒙皮结构的模型相比其位移数值较大。观察以上图表，从一、二层位移最大值的变化规律中可以看出，在对结构施加El-Centro 波时，无论是框架结构还是蒙皮结构，它们位移绝对值的最大值都会随着楼层的增加而增大，这就证实了结构在受到地震作用时，顶部的变形较底部大；通过数值的对比，我们还可以看出，框架结构的模型其位移最大值在3 层顶部为36.2108mm，而蒙皮结构的模型其最大位移在3 层顶部则降为21.6903mm，且蒙皮结构的顶部位移量明显小于框架结构，大约为框架结构顶部位移的60%左右。这说明了轻钢结构中的应力蒙皮效应在地震中发挥了作用，蒙皮结构加强了结构整体的刚度及承载力。

(2)地震波作用下，两种模型位移值都在随着楼层数增加而增加，顶层位移绝对数值都是最大的。

(3)通过观察和对比两种模型，后者的抗震性能较前者的好，所以在现实的工程中，当整体刚度不够的情况下，应多加考虑结构的蒙皮效应是对结构的抗震有良好的效果。另外，对于楼层比较低的轻钢结构，其各层的的变形差距非常小。

总之，蒙皮结构的的整体结构刚度大于框架结构，其抗震性能优于框架框架结构，故在实际工程中考虑结构的蒙皮效果是对结构的抗震有良好的效果。在钢结构设计中，不采用传统的设计方法，在设计时考虑建筑物围护钢板产生的蒙皮作用，增强结构的整体刚度和稳定性，使构件的截面尺寸变小，从而达到良好的经济效益。