浅谈钢结构建筑蒙皮效应

　　摘要：对钢结构建筑蒙皮效应的机理、作用进行论述，可供有关技术人员借鉴参考。
　　关键词：蒙皮效应，钢结构，门式刚架
　　一、 蒙皮效应的机理
　　蒙皮效应是指建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板）利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。蒙皮效应的结构概念来自于飞机和轮船行业。其工作机理是：围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成以檩条为肋的一系列隔板。这种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翼缘。这种构造具有蒙皮效应功能，可以用来传递平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用。
　　二、 考虑蒙皮效应的结构应该满足的条件
　　根据蒙皮效应的工作机理可以看出，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，通常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。
　　《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（以下简称“冷弯规范”）第4。1。9条提到：当采用不能滑动地紧固件连接压型钢板及其支承构件形成屋面和墙面等围护体系时，可在单层房屋的设计中考虑蒙皮作用，但应同时满足一定的条件：
　　1） 应由实验或可靠的分析方法获得蒙皮组合体的强度和刚度参数，对结构进行整体分析和设计；
　　2） 屋脊、檐口和山墙等关键部位的檩条、墙梁、立柱及其连接等，除了考虑直接作用的荷载产生的内力外，还必须考虑整体分析算得的附加内力并进行承载力验算；
　　3） 必须在建成的建筑物的醒目位置设立永久性标牌，标明在使用和围护过程中，不得随意拆卸压型钢板，只有设置了临时支撑后方可拆卸压型钢板，并在设计文件中加以规定。
　　〈〈门式刚架轻型房屋钢结构技术规程〉〉（CECS102：2002）（以下简称门刚规程）第5、1、2条提到：变截面门式刚架宜按平面结构分析内力，一般不应力蒙皮效应。但有必要且有条件时，可考虑屋面板的蒙皮效应。相应的条文说明解释：面板视为承担平面内横向剪力的腹板，四周的边缘构件视为翼缘，承担轴向拉力和压力。应力蒙皮隔板应主要用于抵抗风荷载、雪荷载和其他通过面板传递的荷载。它也可用于抵抗较小的瞬间荷载（如来自轻规道式吊车的荷载），但不能承担永久性外荷载。并强调要满足下列条件方能将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计：
　　1） 面板除具有主要功能外，只能用作抗剪隔板抵抗其平面内的位移；
　　2） 这种隔板必须有纵向边缘构件，以承担由于隔板作用引起的翼缘力；
　　3） 屋面板平面内的力，应通过支撑体系、其他蒙皮隔板或抗侧移方法传至基础；
　　4） 应采用适当的连接将隔板中的力传至主钢架，隔板应与起翼缘作用的边缘构件相连；
　　5） 面板作为受力构件处理时，不得将其随意拆除；
　　6） 对房屋的各种技术要求，均应考虑到该建筑物物的设计利用了应力蒙皮效应。
　　在有可靠的资料时，“门刚规程”允许有限制性的利用蒙皮效应。面板仅考虑面板平面内的作用，与实际情况比较吻合。
　　三、 蒙皮效应的作用
　　满足了一定的条件，蒙皮效应可以用来传递板平面内的水平力，在设计中加以利用，其作用如下：
　　1） 门式刚架中的屋面板用于抵抗山墙抗风柱传来的水平荷载，将其传递至檐口处，再通过墙面蒙皮效应或支撑传至基础；
　　2） 门式刚架中的山墙面，利用墙板抗剪蒙皮作用后，可将山墙面框架设计成排架且不加柱间支撑（墙面开洞过大者除外）；
　　3） 在竖向重力作用下，屋面檩条会产生侧向弯曲和扭转变形，通过连接在檩条上的板，将消除此变形，面板蒙皮效应将其剪力传至檩条与屋面梁连接处，在通过檩条与屋面梁连接件传至各个屋面梁上；
　　4） 板平面内。有足够的刚度可对檩条上翼缘形成侧向约束，减少了檩条的稳定计算长度，大大提高了檩条的稳定承载能力；
　　5） 屋面蒙皮使各个平面刚架连接成整体空间结构减少刚度侧移。当檐口较高，由柱顶侧移控制结构计算时，可带来经济效益。
　　总之，蒙皮效应使得各平面的刚架组合在一起，形成了具有空间刚度的和稳定的建筑，可取代或部分取代屋盖系统支间撑的纵向系杆，可减少屋面的横向水平支撑，有很好的经济效益；将山墙框架设计成全部简支的小排架，且不设柱间支撑，对于边墙，如果门窗开洞数量较多，使蒙皮效应大大减弱，此时，可全部由柱间支撑抵抗纵向水平荷载；可省去檩条上翼缘拉条系统的设置，带来一定的经济效益；在檐口较高、由刚架侧移控制设计时，可减少刚架侧移，从而减少用钢量。
　　四、 蒙皮效应的应用现状
　　随着我国钢结构的发展和国外钢结构技术的引进，我国在钢结构的理论和设计方面都有了十足的进步，尤其进年来在轻钢结构方面的发展令人振奋。轻钢结构受力蒙皮效应应用于建筑业是受航天和造船技术的影响，引入到建筑业中主要考虑了受力蒙皮结构对主体结构的有利作用，如此可以节省钢材，根据统计，在考虑受力蒙皮效应时可以节省10%左右钢材。国外在受力蒙皮有很多实验和理论研究，而且在规范中明确提出按考虑该效应时的设计方法。例如英国钢结构设计规范第九部分是应力蒙皮效应的设计条文，美国则实行开放式管理，很早就允许根据实验并结合经验或半经验的方法进行应里蒙皮效应的结构设计，设计规范已于1981年制定完成。目前澳大利亚、加拿大、捷克、徳国、瑞典等国已有应力蒙皮结构设计规范和标准。例如，美国OneMellon银行大厦外围结构使用了蒙皮效应，法国S.Ettienne体育场使用了Temcor应力蒙皮铝球面网壳。
　　我国在20世纪90年代由冷弯薄壁型钢结构技术委员会组织力量对国外的应力蒙皮结构进行资料翻译介绍的同时，做了少量的实验，未能提出具体的设计参数，尽管如此，在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）和《门式刚架轻型房屋技术规程》（CECS102：2002）中增加了考虑应力蒙皮效应的规定，专门的应力蒙皮设计规程也正在编制。但是，由于缺乏实验资料，采用应力蒙皮方法进行设计，尚须通过实验获得有关参数，仍处于理论研究阶段。另外由于施工企业良莠不齐，连接构造和工艺不能保证十分可靠，导致绝大多数设计中只是作为一种刚度储备，没有应力的蒙皮效应。但是在国内也有少量的结构考虑了蒙皮效应，例如鞍钢的1700工程等钢结构厂房中利用了蒙皮效应。随着应力蒙皮效应的实验和理论研究的进一步深入，轻钢住宅和门式刚架厂房的迅速发展，考虑蒙皮效应的建筑物也越来越多。

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