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门式刚架结构框架的三维建模
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Mahen Mahendran 和Costin Moor编著
摘要：
工业和商业门式刚架结构建筑的实际强度和挠度行为只有在包括端框和型钢包层刚度的影响时才能理解。传统的设计忽略了这些效果，并且非常基于理想化的二维（2D）帧行为。在一系列设计负载情况下对12 times; 12 m门式刚架进行全面测试，表明门式框架中观察到的挠度和弯曲力矩与从忽视这些影响的框架2D分析中获得的偏差和弯曲力矩大不相同。进行了同一建筑物的三维（3D）分析，包括端框和包层的影响，结果与全面测试结果良好吻合。结果清楚地表明，需要进行这种分析和测试来研究门式刚架的真实行为。预计由于最大力矩和挠度的减小，这样的3D分析将导致更轻的刚架。
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介绍：
传统的分析和设计实践不考虑门式刚架的三维结构行为。通常情况下，设计师只考虑内部框架（二维分析）、端架、檩条和墙梁系统，和异型钢覆层，所有这些都是基于简单的假设从一个到另一个转移负荷的方法独立设计的。一个符合代码的结构框架可以被设计成二维垂直和水平平面框架的集合。然而，毫无疑问， 结构的3D行为不应该被忽视（Cohen 1994）。在给定载荷条件下，影响门式刚架建筑物的强度和挠度行为的主要参数是
bull;表层变形，端框刚性和支撑
bull;组合变形（基础固定，铰节点/臀部灵活性）
忽略这些元素在门式刚架分析中的影响将不会给出正确的设计作用效果，包括挠度，特别是横向载荷。刚性端框的存在以及异型钢屋顶和墙体包层的隔膜作用（上述第一个参数）会使部分载荷传递到端壁。因此，计算出的最大框架应力和挠度远远小于裸框架。这种通过剪切抵抗面内偏转的包层动作被称为应力表层或隔膜动作，并已被Davies和Bryan（1982）及其同事广泛研究。他们的结果用于英国欧洲和美国的建筑设计。然而，他们的工作仅限于在这些国家根据具体情况常用的山谷固定包层。
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在澳大利亚及其周边国家，屋顶覆盖层是固定的，因此戴维斯和布莱恩的结果（1982年）不能使用。设计师还认为，除了由风动作引起的抬升力之外，顶部固定的包层不具有足够的强度和刚度来承载所需的剪切力。因此，在建筑物的设计中忽略了屋顶和墙壁覆层板或端框架板抵抗由于风引起的横向力的能力。钢门架设计为2D裸机架，假设所有的载荷仅由机架承载。然而，无论设计者是否承认，包层都会承受平面内的剪切力。最近的测试表明，即使是顶部固定的钢包层也可以作为隔膜，同时仍然承受由于风动作用的横向力（Mahendran，1994）。因此，在采用3D建模方法的门式刚架结构建筑设计中，必须考虑包层作用和端框刚度。同样，也应考虑到组合变形。
忽略上述效果的不充分的二维模型将会影响屈服强度标准，而不是极限强度标准。近来，改进的技术（材料，制造和施工方法以及分析和设计工具）在大多数情况下导致了较轻的建筑物，其适用性标准已变得更为关键。但是，分析服务能力模型和限制都没有得到改善，这导致了终端和适用性条件之间设计质量的不平衡。 Bernuzzi和Zandonini（1993）和Saidani和Nethercot（1993）在欧洲最近正在调查与可靠度相关的问题，特别是更逼真的3D分析模型的局限性和需求。
在对具有重力和横向载荷的顶部固定包层的门式刚架构造的调查中，为了包括上述效果并研究真实行为，对整个建筑物的3D计算机建模和全尺寸测试被认为是必要的的门式刚架建筑。本次调查采用了12times;12 m门式刚架结构，采用常规的固定钢包覆系统。本文介绍了3D建模和全尺寸测试及其结果的细节。
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包层的影响：
表层应力变形原理
图1示出了作用在倾斜的屋顶门架上的水平力是如何通过屋顶包层作用承载到更刚性的端框架，其刚性端框架通过作为剪切隔膜的支撑或包层在其自身的平面中加固。包层将展开或摆动力的一部分从内部框架转移到端框架。基于门框的摇摆和传播灵活性以及力的方向，钢包覆板与支撑的檩条或连接件一起倾向于抵抗任何面内位移，其行为类似于在端框架之间跨越的深板梁。边缘构件（檩条）作为翼缘，承受轴向张力或压缩力，并且包层作为腹板，承载剪力，同时端框架进行反应。这意味着框架之间的相对水平位移取决于包层面板。通常，端框架比内框架更刚性，因此它们的偏转与内框架相比相对较小。这导致端框和第一内框之间的面板从强度和挠度两方面都更为关键。此外，由于这种组合作用，内框架的扭转以及因此的弯曲力矩都受到框架摆动/展开的灵活性和包层的剪切灵活性的影响。因此，在计算机分析中，试图建模整个建筑物的真实强度和扭转行为，包层必须像框架，檩条和围梁一样被建模。然而，使用传统的帧分析程序（如SPACEGASS或MICROSTRAN）对包层进行建模是相当困难的。因此，决定使用下一节讨论的等效桁架理论对包层进行建模。
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等效桁架成员理论
Davies和Bryan（1982）和Bernuzzi和Zandonini（1993）将这一理论用于具有谷固定包层的钢框架上。根据该理论，连接两个相邻框架的两个相对角的桁架构件模拟了包覆板在剪切中的作用。
在等效桁架理论中，桁架构件和框架之间的连接被认为是完美的铰节点，并且模拟包层动作的桁架构件仅起紧张力的作用。通过考虑施加的力（F），位移（D）和面板尺寸（atimes;b）（图2）导出等效桁架构件的横截面积A的简单公式。
扩展在等效桁架构件
Drsquo; =F/cos a/EA * a/cos a/EA= D cos a （1）
其中F =面板上的面内剪切力; D =面板的平面内剪切偏转; E =弹性模量; A =等效桁架构件的横截面面积;和a，a =面板几何参数，如图2所示。由于包层面板c的剪切挠度是每单位剪切载荷的剪切挠度，等于D / F，（1）导致如下：
A =a/(c*E *cos3 a) （2）
方程式（2）可以用于确定等效构件横截面积A，条件是已知包层板的剪切挠度c。必须注意的是，c是面板的总剪切柔韧性，包括由于片材变形而产生的柔韧性,以及由于所有的螺钉紧固连接的影响。因此，c取决于面板的片材轮廓（厚度，几何形状和弹性模量），紧固布置和纵横比。
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切割固定夹具的剪切试验
对于谷固定的欧洲/英国包层，戴维斯和布莱恩的设计表达式（1982）可用于计算c。在每个或另一个谷（槽）处用自钻或自攻螺钉固定的这些包层也具有间隔不超过500mm的片材之间的接缝或搭接紧固件。除了檩条紧固件之外，它们还包括片材和椽子之间的剪切连接器。最近的强化表层设计实践规范（BS5950：1994年第9部分）详细介绍了使用光规型钢板和推荐设计程序对应力表层设计的基本要求。
在这项调查中，在没有搭接紧固件和剪切连接器的情况下使用顶部固定的包层，Davies和Bryan（1982）和BS5959：Part 9（1994）中给出的设计表达式不适用。因此，进行全尺寸剪切/支架试验以确定顶部固定钢包覆板的c值。为了对测试建筑中的典型屋顶板进行建模，测试了6times;6米的拱形固定梯形包层，如图1所示。试验包层的贱金属厚度为0.42mm，由高强度钢（G550，最小屈服应力为550MPa）制成。在每个峰顶处固定有14号（6.4 mm直径）times; 50 mm自钻螺丝紧固件，间距为1.1 m的200Z16 檩条。
所使用的测试方法与Davies和Bryan（1982）使用的测试方案类似，由BS5950推荐：第9部分（1994）。它包括两个125 times;125times; 6 SHS椽子连接到七个Z20016 檩条，如全尺寸门槛框架测试中使用的[图。 3（b）]。一个椽子使用30 mm直径的螺栓和钢支架螺栓连接到板坯，而第二个在每个端部都有两个滚子支撑，允许自由纵向运动，但是阻止了垂直运动。椽条通过特殊接头连接到两个椽子上，当其中一个椽子在剪切/摇摆负载下纵向移动时，允许檩条自由旋转。通过这种布置，整个剪切试验台可以自由移动，直到钢包层被固定在檩条上。这确保了包层通过液压千斤顶承受施加到自由椽子的整个剪切载荷。
施加的剪切载荷一直增加，直到剪切变形大而剪切载荷没有任何增加为止。失败是由于沿着搭接节点处的人紧固件孔的撕裂失效。预期这种效应是由于缺乏搭扣紧固件，并且是BS5950：第9部分（1994）中接受的延性失效模式之一。这个调查所需的最重要的参数是从剪切载荷弹性部分与剪切挠度曲线获得的总包层剪切挠度系数c为4.5 mm / KN。还对不同长宽比，型材和紧固系统的板材进行了剪切试验。 6times;4 m墙面板的c值为3 mm / KN。这些值已被用于全尺寸门户框架构建的计算机建模（参见下面的3D分析部分）。
Mahendran和Subaaharan（1995）提出了剪切试验和结果的进一步细节，清楚地表明即使是顶部固定的钢包层系统也具有相当大的剪切强度和刚度，与目前忽视这些包层效应的设计方法不同。必须进行进一步的工作，以开发适用于峰值固定覆层系统的剪切强度和刚度的设计公式。
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钢结构框架建筑全尺寸试验
过去，由于相关的复杂性和成本，整个建筑的全面测试受到限制。然而，只有通过这种调查，才能验证新的和最佳的建筑系统和设计模型和假设，更重要的是要研究真实的建筑行为。最后一次这样的工作是由Bates等人进行的。 （1965）和布莱恩（1971）在英国，但他们的工作仅限于具有谷固定包层和重力加载的门架。最近的工作（Dowling等人，1982; Kirk 1986; Davies等人，1990）主要是为了研究现代门户框架系统的行为以及先进技术和新建筑系统的影响。迄今为止，还没有对包括顶角固定钢板和风抬升荷载的全尺寸门框架建筑进行了少量研究。
全尺寸测试的主要目标是通过在三种不同的设计负载情况下包括包层和端部山形框架的影响来确定真实的三维门户框架建筑行为，如活荷载，横风载荷和纵向风荷载。全面的测试程序包括一系列测试，以研究由此产生的影响
1、嵴固定型钢包层（不包括建筑与复合建筑）
2、最终山墙框架的刚度（无支撑与支撑框架）
3、基础固定（固定与正常基数）
因此，对未包围和覆盖的建筑进行测试，包括无支撑和支撑端框架，以及固定和正常基座的柱。
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测试大楼
为该项目选择的测试建筑是门式刚架构架，由三座钢架构成，其中六座中心的跨度为12米，是典型的中型工业建筑，尺寸约为12times;12米。屋檐上的柱高为4.2米，屋顶间距为57，山脊高4.72米。这三个框架由Palmer Tube Mills Pty.Ltd。（Dempsey 1993b）制造的新的中空翼缘30090HFB33制成。具有由3.3 mm厚的450级钢制成两个三角形中空翼缘和细长网的新的300 mm深梁。顶部围梁宽90mm，侧面翼缘倾斜于307。HFB由独特的冷成型和电阻焊接工艺制成。在另一个调查HFB框架的屈曲性能的项目（Heldt和Mah-endran 1995）中也使用了相同的测试框架作为调查在门架框架建筑中使用HFB的大型研究项目的一部分。测试框架的设计和构造类似于Dempsey和Watkins（1993）的建议。使用了具有Z 檩条和圈梁的梯形板的传统包层系统（图3）。 檩条和圈梁均为200Z16，前者间距为0.9-1.1米，间距为1.7米，屋顶总共有七个檩条，墙上有三个。条。在两个槽中都提供两排常规桥接，包括檩条和圈梁。屋顶和墙壁包层都是固定的，因为决定仅在测试中测试顶部固定的包层，以包括包层效应。图。图4显示了本次调查中使用的未包层测试建筑。
所有三个测试框架使用常规的底座支撑（称为正常底座）固定在强烈的地板上，如图1所示。 5（a）。每个柱基使用四个M20 4.6 / S螺栓和一个350times; 150times;16mm的板。虽然常规的基座支架通常被认为是设计中的固定支撑，但是必须对该假设的准确性进行研究。因此，也使用真实的固定底座支撑进行测试，如图1所示。 5（b），以调查具有固定基座的门架的真实行为。
典型的HFB端板连接邓普西(1993)推荐的用于脊(440 times;130times;16mm端板螺栓8 M16 8.8 / S)和铰节点（600times; 130 times;16 mm端板，8 M16 8.8 / S螺栓）的连接。图6显示了铰节点的细节。 Dempsey（1993b）已经显示出这些连接是刚性的（固定的），基于从这些连接实验获得的力矩与旋转曲线。因此，在这项调查中，假设铰节点和脊部的连接是刚性的。
在不同的负载情况下研究了裸框架建筑和包层建筑的行为（图4）。如图所示，端框不包层，而是使用两个24mm直径的钢棒，这被认为在实验中提供了所需的端框刚度。
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测试负载模拟
共使用16个装载点（每个跨8个）分为五个独立的组（两个作用在侧壁上，三个作用在屋顶上）用于装载测试建筑物（图7）。负载被模拟为集中载荷，伺服控制的液压执行器用于以10个步骤将所需的风隆起和起重和重力载荷施加在檩条和圈梁的中心。在每个隔间中，组合使用六个执行器和六个装载轭将所需的提升载荷施加到12个装载点处的檩条。类似地，在每个隔间中，使用两个致动器和两个加载轭来在四个装载点将所需的载荷施加到衬垫上。由于这种中点加载产生了两倍于檩条和榫头的弯矩，与均匀载荷相比，桁条和檩条与框架构件相比尺寸较大，这也使框架对于调查框架行为的其他项目更
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