鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)概述

1、蒙皮效應(yīng)概述 蒙皮效應(yīng)是指在建筑物的表面覆蓋材料（屋面板和墻板）利用本身的剛度和強(qiáng)度 對(duì)建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用。 蒙皮效應(yīng)的結(jié)構(gòu)概念來(lái)自于飛機(jī)和輪船行業(yè)。 它是在縱橫肋 上蒙上金屬薄板而形成的帶肋薄殼結(jié)構(gòu)， 蒙皮與肋共同工作， 蒙皮自身在其平面內(nèi)具有很大 的拉、壓和剪切強(qiáng)度， 且由于有肋的作用， 蒙皮不會(huì)失穩(wěn)。 蒙皮結(jié)構(gòu)具有較大承載力及剛度， 而自重卻很輕。原理 其工作原理是：圍護(hù)板與檁條以及板與板之間通過(guò)不同的緊固件連接起來(lái)，形成 了以檁條作為其肋的一系列隔板。 這種板在平面內(nèi)具有相當(dāng)大的剛度， 類似于薄壁深梁中的 腹板，檁條類似于薄壁深梁中的加勁肋， 板的四周連接墻梁或檁條類似于薄壁深梁

2、中的翼緣， 可以用來(lái)傳遞板平面內(nèi)的剪力， 承受板平面內(nèi)的各種荷載作用。 蒙皮效應(yīng)在工程中只將其作 為一種結(jié)構(gòu)上的儲(chǔ)備。 目前在滿足一定條件的壓型鋼板以及輕型鋼框架組成的輕鋼住宅和門 式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應(yīng)。根據(jù)蒙皮效應(yīng)的工作機(jī)理可以看出，并不是所有的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造在設(shè)計(jì)時(shí)都可 以考慮蒙皮效應(yīng)， 目前在滿足一定條件的壓型鋼板以及輕型鋼框架組成的輕鋼住宅和門式剛 架體系中存在著較大的蒙皮效應(yīng)。規(guī)范冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范第 4.1.9 條提到：當(dāng)采用不能滑動(dòng)的緊固件連接壓型鋼 板及其支撐構(gòu)件形成屋面和墻面等維護(hù)體系時(shí)，可在單層房屋的設(shè)計(jì)中考慮受力蒙皮作用， 但應(yīng)同時(shí)滿足一定的條件：1）應(yīng)

3、由實(shí)驗(yàn)或可靠的分析方法獲得蒙皮組合體的強(qiáng)度和剛度參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分 析和設(shè)計(jì)；2）屋脊、檐口和山墻等關(guān)鍵部位的檁條、墻梁、立柱及其連接等，除了考慮直接作用 的荷載產(chǎn)生的內(nèi)力外，還必須考慮整體分析算得的附加內(nèi)力進(jìn)行承載力驗(yàn)算；3）必須在建成的建筑物的顯眼位置設(shè)立永久性標(biāo)牌，標(biāo)明在使用和維護(hù)過(guò)程中，不得 隨意拆卸壓型鋼板，只有設(shè)置了臨時(shí)支撐后方可拆換壓型鋼板，并在設(shè)計(jì)文件中加以規(guī)定。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第 5.1.2 條提到：變截面門式剛架宜按平面結(jié)構(gòu) 分析內(nèi)力，一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。 但有必要且有條件時(shí)， 可考慮屋面板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。 相應(yīng)的條文說(shuō)明解釋： 面板視為承擔(dān)平面內(nèi)橫向

4、剪力的腹板， 四周的邊緣構(gòu)件視為翼緣， 承 擔(dān)軸向拉力和壓力。 應(yīng)力蒙皮隔板應(yīng)主要用于抵抗風(fēng)荷載、 雪荷載和其他通過(guò)面板傳遞的荷 載。它也可用于抵抗較小的瞬時(shí)荷載（如來(lái)自輕軌道式吊車的荷載） ，但不能用于承擔(dān)永久 性外荷載。并強(qiáng)調(diào)要滿足下列條件方能將面板視為結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行應(yīng)力蒙皮設(shè)計(jì)。1）面板除承擔(dān)主要功能外，只能用作為抗剪隔板抵抗其平面內(nèi)的位移；2）這種隔板必須有縱向邊緣構(gòu)件，以承擔(dān)由于隔板作用引起的翼緣力；3）屋面板平面內(nèi)的力，應(yīng)通過(guò)支撐系統(tǒng)、其他蒙皮隔板或抗側(cè)移方法傳至基礎(chǔ)；4）應(yīng)采用適當(dāng)?shù)倪B接將隔板中的力傳至主剛架,隔板應(yīng)與取翼緣作用的邊緣構(gòu)件相連；5）面板作為受力構(gòu)件處理時(shí)，不得將

5、其隨意拆除；6）對(duì)房屋的各項(xiàng)技術(shù)要求，均應(yīng)考慮到該建筑物的設(shè)計(jì)利用了應(yīng)力蒙皮作用。在有可 靠的資料時(shí)， 門剛規(guī)程允許有限制性的利用蒙皮效應(yīng)。 面板僅考慮面板平面內(nèi)的作用， 與實(shí) 際情況比較吻合。作用滿足以上條件， 蒙皮效應(yīng)可以用來(lái)傳遞板平面內(nèi)的水平力， 在設(shè)計(jì)中加以利用， 蒙皮效應(yīng)的作用如下：1）在門式剛架中的屋面板用于抵抗山墻抗風(fēng)柱傳來(lái)的水平荷載，將其傳遞至檐口處， 再通過(guò)墻面蒙皮效應(yīng)或支撐傳至基礎(chǔ)。2）門式剛架中山墻面，利用墻板抗剪蒙皮作用后，可將山墻面框架設(shè)計(jì)成排架且不加 柱間支撐 （墻面開(kāi)洞面積過(guò)大則除外 ）。3）在豎向重力作用下，屋面檁條會(huì)產(chǎn)生側(cè)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，通過(guò)連接在檁條上的板，

6、 將消除此變位， 面板蒙皮效應(yīng)將其剪力傳至檁條與屋面梁連接處， 再通過(guò)檁條與屋面梁連接 件傳至各個(gè)屋面梁上。4）板平面內(nèi)有足夠剛度可對(duì)檁條上翼緣形成側(cè)向約束，減少了檁條的穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度， 大大提高了檁條的穩(wěn)定承載能力。5）屋面蒙皮使各個(gè)平面剛架連成整體空間結(jié)構(gòu)，減少剛架側(cè)移。當(dāng)檐口較高，由柱頂 側(cè)移控制結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。總之，蒙皮效應(yīng)使得各平面的剛架組合在一起，形成了具有空間剛度的和穩(wěn)定的建筑， 可取代或部分取代屋蓋系統(tǒng)支撐間的縱向系桿， 可減少屋面的橫向水平支撐， 有很好的經(jīng)濟(jì) 效益； 將山墻框架設(shè)計(jì)成全部簡(jiǎn)支的小排架， 且不設(shè)柱間支撐，對(duì)于邊墻， 如果門窗開(kāi)洞數(shù) 量多， 使蒙皮效應(yīng)

7、大大減弱，此時(shí)， 可全部由柱間支撐抵抗縱向水平荷載； 可省去檁條上翼 緣拉條系統(tǒng)的設(shè)置， 帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益； 在檐口較高、由剛架側(cè)移控制設(shè)計(jì)時(shí)，可減小剛架 側(cè)移，從而減少用鋼量。在垂直荷載作用下， 坡頂門式剛架的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是屋脊向下、 屋檐向外變形。 屋面板將與 支撐檁條一起以深梁的形式來(lái)抵抗這一變形趨勢(shì)。 這時(shí)， 屋面板承受剪力， 起深梁的腹板的 作用。 而邊緣檁條承受軸力起深梁翼緣的作用。 顯然，屋面板的抗剪切能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗 彎曲能力。 所以， 蒙皮效應(yīng)指的是蒙皮板由于其抗剪切剛度對(duì)于使板平面內(nèi)產(chǎn)生變形的荷載 的抵抗效應(yīng) 262829 。對(duì)于坡頂門式剛架， 抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應(yīng)取決

8、于屋面坡度， 坡度越大蒙皮效應(yīng)越顯著；而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應(yīng)則隨著坡度的減小而增加。 蒙皮單元構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的是蒙皮單元。 蒙皮單元由兩榀剛架之間的蒙皮板、 邊緣構(gòu)件和 連接件及中間構(gòu)件組成，如圖 2-6 所示。邊緣構(gòu)件是指兩相鄰的剛架梁和邊檁條（屋脊和屋 檐檁條），中間構(gòu)件是指中間部位檁條。蒙皮效應(yīng)的主要性能指標(biāo)是強(qiáng)度和剛度。蒙皮單元有以下三種強(qiáng)度破壞的可能性：1邊緣構(gòu)件破壞邊緣構(gòu)件可能產(chǎn)生壓彎失穩(wěn)破壞或強(qiáng)度破壞， 這類破壞屬于脆性破壞， 在實(shí)際工程中應(yīng) 盡量避免。2蒙皮板的剪切屈曲這也是一種脆性破壞， 當(dāng)荷載較大、 鋼板較薄或板型較差時(shí)可能發(fā)生， 在實(shí)際工程中也 應(yīng)盡量避免。3

9、連接破壞連接破壞包括板之間的連接破壞和板與邊緣構(gòu)件間的連接破壞。 板與檁條之間的連接在 平行于檁條方向的破壞屬于脆性破壞，其他破壞都屬于延性破壞。影響蒙皮單元?jiǎng)偠鹊囊蛩刂饕幸韵氯齻€(gè)：1蒙皮板本身的變形剛度 蒙皮板的變形包括板的拱褶扭曲變形（所謂的“手風(fēng)琴”效應(yīng)）和剪切變形。 2連接件的變形剛度3邊緣構(gòu)件的軸向變形剛度一般而言， 中間構(gòu)件對(duì)蒙皮單元的剪切剛度影響不大， 但對(duì)強(qiáng)度影響較大。 在屋面板型 選中后，連接件和邊緣構(gòu)件直接影響了蒙皮單元的抗剪剛度和強(qiáng)度。應(yīng)用問(wèn)題由于蒙皮效應(yīng)，實(shí)際輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑中， 壓型鋼板在宏觀上參與了受力，為剛架構(gòu)件分擔(dān)了一部分外荷載，同時(shí)在有良好連接的情況下為這些構(gòu)件提供了很好的側(cè)向約束和扭轉(zhuǎn)約 束，改善了結(jié)構(gòu)的受力條件。特別對(duì)于受穩(wěn)定控制的薄壁剛架構(gòu)件和檁條構(gòu)件，蒙皮效應(yīng)尤為顯著。然而，由于蒙皮效應(yīng)的機(jī)理和作用條件及效果十分復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中定量地應(yīng)用蒙皮效應(yīng)還有一定困難。所以，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程沒(méi)有明確給出利用蒙皮效應(yīng)的條款，所有設(shè)計(jì)計(jì)算公式都忽略了蒙皮效應(yīng)，只是規(guī)定在有充分依據(jù)的條件下可以考慮蒙皮效應(yīng)。然而，必須注意的是，設(shè)計(jì)中無(wú)論是否考慮蒙皮效應(yīng)，蒙皮效應(yīng)客觀上都是存在的。例如，現(xiàn)行輕 型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)水平位