木结构组合板蒙皮效应研究

王卫锋，崔楠楠，颜全胜，黄仕平，朱竞翔，夏珩

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州510640;2.香港中文大学建筑学院，香港)

木结构具有资源再生、绿色环保、建造方便、自重较小、抗震及耐久性能好等众多优点，在北美、欧洲等地大量应用于住宅建筑和公用建筑中。木材在我国古代曾是一种主要的建筑材料，近现代以来逐渐被混凝土、钢材等取代。与其他材料结构相比，木结构质量较轻，具有较好的抗震性能，其多次超静定结构体系在侧向力作用下具有极好的延性［1-2］。近年来，木材因其优秀的抗震性能，重新引起研究者的关注。

木材是受保护能源，如何在保证强度和刚度的前提下节省材料是值得研究的问题。蒙皮这一结构概念来源于汽车、飞机及船舶行业，蒙皮效应是指在主体结构物表面覆盖壳面，使结构的刚度和强度加强，设计中考虑蒙皮效应能减少用材量［3-8］。在建筑业中，我国仅对轻钢结构蒙皮效应进行了初步探讨［3，6］，对于木结构蒙皮效应的研究还是空白。本文将对一种新型木结构组合板进行试验研究，分析蒙皮对结构力学性能的影响，为节约用材、减轻自重拓展新思路，并对实际工程中蒙皮的设计提供有益的参考。

1 试验方案

1.1 试件概况

试验所用新型木结构组合板如图1所示。组合板尺寸为1 800 mm×1 245 mm，主体结构由3根纵梁(40 mm ×25 mm)、10 根横梁(50 mm ×20 mm)、3根横梁(100 mm×20 mm)组成。3根纵梁之间填充轻质泡沫，上层横梁之上覆盖3 mm厚的蒙皮木板，下层横梁之下覆盖9 mm厚的石膏板和3 mm厚的蒙皮木板。纵梁、横梁和蒙皮板之间为铆钉连接。

图1 组合板结构Fig.1 The layout of the composite timber structure

为研究蒙皮效应对结构力学性能的影响，试验试件分为2组:A组为如图1所示的标准组合板，B组为去掉蒙皮板和石膏板之后的主体结构(仅有横梁纵梁和填充泡沫)。2组试件结构如图2所示。

图2 试件结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the test structures

用重10 kg标准加载块进行加载，近似模拟组合板所受的均布荷载，如图3所示。正式试验前，先进行预载，以检查各仪表、传感器工作情况，消除各种非线性初始影响。A组带蒙皮组合板试验最大设计荷载为3 kN(均布荷载约1.35 kN/m2)，分20%、40%、60%、80%、100%共5级加载，加至最大荷载后，以同样的荷载级分5级卸载至0，然后做破坏试验。B组未蒙皮组合板试验最大设计荷载为1.6 kN(均布荷载约为0.71 kN/m2)，分25%、50%、75%、100% 共4级加载，以同样的荷载级分4级卸载至0，然后做破坏试验。为测试结构的强度和刚度，在关键部位进行竖向挠度和应变的测量，测点布置如图4所示。试件的竖向挠度由百分表测量，应变由钢弦传感器测量，用TDS303静态应变仪采集数据。

图3 带蒙皮组合板结构加载图Fig.3 The loading test for composite timber structure with skin plate

图4 测点布置图Fig.4 The location of the measure points

2 有限元模型数值结果

有限元计算的结果可以作为试验设计的依据，同时通过试验数据亦可反观其可靠性，因此有限元计算对试验与分析都具有重要意义［9-12］。本文采用通用有限元分析软件ANSYS对试验过程进行数值模拟。模型采用三维8节点实体单元SOLID 45模拟纵横梁和蒙皮板，因石膏板和填充泡沫弹性模量远小于木材，其刚度贡献有限，因此忽略二者的影响。纵横梁和蒙皮板主要在纵纹方向受力，将木材等效为各向同性的匀质材料，根据文献［10］，取顺纹方向的弹性模量10 000 MPa，泊松比0.03。横梁与蒙皮板的钉连接采用矩阵单元MATRIX27模拟，根据文献［13］，钉连接的竖向刚度取1 000 kN/m，横向刚度200 kN/m。模型支撑方式为单向简支，本文仅进行弹性分析。为确保分析准确，结构网格进行了精细划分:其中带蒙皮组合板模型共147 903节点，471 814单元;未带蒙皮板模型共50 677节点，181 814单元。最大荷载下A、B组挠度和应力云图如图5所示。

图5 最大荷载下A、B组挠度和应力云图Fig.5 The finite element analysis results for A and B groups under maximum loads

3 试验与有限元计算结果对比分析

3.1 试验结果与分析

根据试验数据画出荷载-挠度曲线以及荷载-应力曲线，如图6所示。从图中可以看到，带蒙皮组合板具有较好的刚度和强度。《木结构设计规范》［14］对强度和刚度的取值如下:对强度取值为(TC15等级)15 MPa，刚度取值为L/250(L为板的跨径，按照试验支撑方式，除去支座，计算跨径取1 700 mm，即对组合板的允许挠度为6.8 mm)。挠度测点(A～E)和应力测点(1～4)均随荷载增大而增大。对照试验所得的荷载-挠度曲线，带蒙皮组合板设计均布荷载可取为0.62 kN/m2左右(图6(a)跨中挠度E点挠度达到6.8 mm所对应的均布荷载值);未蒙皮组合板设计均布荷载可取为0.24 kN/m2左右(图6(c)跨中挠度E点挠度达到6.8 mm所对应的均布荷载值)。根据荷载-应力曲线，带蒙皮组合板设计均布荷载可以取为0.9 kN/m2左右(图6(b)近跨中2、4测点应力达到15 MPa所对应的均布荷载值);未蒙皮组合板设计均布荷载可以取为0.55 kN/m2左右(图6(d)近跨中2、4测点应力达到15 MPa所对应的均布荷载值)。由此可见，带蒙皮组合板的刚度和强度比未蒙皮组合板均有较大的提高，分别提高了167%和64%。图6(e)～(f)分别对2组构件挠度(E点)和应力(4测点)做了对比，同样可以看出带蒙皮组合板有较大的增强作用。

图6 试验结果曲线图Fig.6 The curves of the experimental results

此外，对比蒙皮组合板和未蒙皮组合板的荷载-挠度曲线和荷载-应力曲线，可以发现未蒙皮组合板测点的挠度和应力在卸载后基本回到加载前的零点，而带蒙皮组合板的挠度和应力在卸载后并未回到零点，有所剩余。原因可能有2个:1)蒙皮板和主体结构铆钉连接不够牢固，在加载过程中出现松动从而引起错位;2)蒙皮板处于上下层边缘，容易进入塑性状态。

组合板在破坏时出现较大变形，为避免测量仪器损坏，破坏试验时未测量应力和挠度，仅获得其极限荷载。A组在加至2倍试验荷载6 kN(均布荷载约2.7 kN/m2)时仍未发生破坏，但已出现较大挠度，考虑试验人员安全，终止试验。B组在3.8 kN(均布荷载约1.7 kN/m2)发生破坏，板在跨中被拉断。因此带蒙皮组合板的极限荷载至少为未蒙皮板组合板的1.6倍。

3.2 试验结果与有限元计算对比

有限元计算结果与试验结果对比如图7。

图7 试验数据与计算结果比较图Fig.7 The comparison between the experiment and the simulation

图7(a)、(b)分别对A组跨中(E测点)挠度和近跨中(4测点)的应力与有限元结果进行对比，吻合度较好。同样，图7(c)、(d)分别对B组跨中(E测点)挠度及近跨中(4测点)的应力和有限元结果进行对比，亦有较好的吻合度。由此可见，建立的有限元模型可以较为准确地反映组合板的受力性能，可用于这类组合板的进一步参数分析。

4 材料节约量计算

为了计算蒙皮效应所带来的材料节约量，本文利用有限元计算软件，将蒙皮组合板等效为面积相同的单一材料木板。等效分2种方式进行:

1)刚度等效:在试验最大荷载下(1.35 kN/m2)，相同面积的单一材料木板具有和带蒙皮组合板相同的跨中挠度，等效的木板厚度为22 mm。

2)强度等效:在试验最大荷载下，相同面积的单一材料木板具有和带蒙皮组合板相同的跨中最大应力，等效的木板厚度为12 mm。

等效的结果表明，当同时满足刚度和强度要求时，带蒙皮组合板的木材使用量为0.039 m3，单一材料木板的用量为0.049 m3。由此可见，此种新型的木结构组合板可以节约20%的材料。

5 结论

1)根据试验得出的带蒙皮组合板的设计荷载，对照荷载-挠度曲线，设计均布荷载可取为0.62 kN/m2左右;根据荷载-应力曲线，设计均布荷载可以取为0.9 kN/m2左右，因此，设计荷载可取0.62 kN/m2。极限强度(破坏荷载)可达2.7 kN/m2以上。

2)带蒙皮组合板比未蒙皮组合板在刚度和强度均有较大的增强作用，分别提高了167%和64%。此外，试验表明，带蒙皮组合板的极限荷载为未蒙皮板组合板的1.6 倍。

3)有限元分析结果与试验结果较为吻合，说明建立的有限元模型可以较准确地反映组合板的受力性能，因此，有限元模型可用于这类组合板的进一步参数分析。

4)有限元计算表明，在同时满足刚度和强度要求的情况下，相较单一材料木板，带蒙皮组合板可以节约20%的材料。

［1］程海江.轻型木结构房屋抗震性能研究［D］.上海:同济大学，2007:12.CHENG Haijiang.Study on the seismic performance of light wood-framed hous［D］.Shanghai:Tongji University，2007:12.

［2］曹祖川.当代木结构建筑的广泛适用性研究［D］.青岛:青岛理工大学，2012:3.CAO Zuchuan.The research on the widespread adaptability of contemporary timber buildings［D］.Qingdao:Qingdao Technological University，2012:3.

［3］季渊，童根树.轻钢结构应力蒙皮设计研究综述［J］.工业建筑，2002，32(12):61-63.JI Yuan，TONG Genshu.Research and design of stressed skin diaphragm in light-weighed structure［J］.Industrial Construction，2002，32(12):61-63.

［4］KLIGER R.Stressed-skin panels of mixed construction-using wood-based materials，especially chipboard［D］.Sweden:Chalmers University of Technology，1993:28-29.

［5］柴昶.受力蒙皮技术研究、应用及发展概况［J］.工业建筑，1994，12:1-3.CHAI Chang.The development，research，and application of skin technology［J］.Industrial Construction，1994，12:1-3.

［6］刘洋.轻钢结构蒙皮效应的理论与试验研究［D］.上海:同济大学，2007:3-5.LIU Yang.Theoretical and experimenatl research on the stressed skin diaphragm of light-gauge steel structures［D］.Shanghai:Tongji University，2007:3-5.

［7］DAVIES J.Developments in stressed skin design ［J］.Thin-Walled Structures，2006，44(12):1250-1260.

［8］DAVIES J.Recent research advances in cold-formed steel structures［J］.Journal of Constructional Steel Research，2000，55(1):267-288.

［9］Del Coz DÍAZ J J，GARCÍA Nieto P J，ÁLVAREZ Rabanal F P，et al.Finite element analysis of thin-walled composite two-span wood-based loadbearing stressed skin roof panels and experimental validation ［J］.Thin-Walled Structures，2008，4(3):276-289.

［10］李雪梅.基于有限元法木材力学性能模拟及优化设计研究［D］.呼和浩特:内蒙古农业大学，2009:21-22.LI Xuemei.Research on mechanical property simulation of timber with finite element method and optimization of timber［D］.Hohehot:Inner Mongolia Agricultural University，2009:21-22.

［11］周楠楠，何敏娟.轻型木结构剪力墙有限元软件的分析对比［J］.特种结构，2010，27(1):102-116.ZHOU Nannan，HE Minjuan.Study on the finite element analysis of wood shear walls［J］.Special Structures，2010，27(1):102-116.

［12］柏树新，姬广华，林醒山.受力蒙皮的有限元分析［J］.南京建筑工程学院学报，1992，21(2):73-81.BAI Shuxin，JI Guanghua，LIN Xingshan.Finite element analysis on stressed skin［J］.Journal of Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute，1992，21(2):73-81.

［13］陈松来，陈志勇，樊承谋，等.木结构剪力墙中钉连接的实验研究［J］.中山大学学报:自然科学版，2008，47(4):133-138.CHEN Songlai，CHEN Zhiyong，FAN Chengmou，et al.Experimental study on nail fasteners in wood shear walls［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2008，47(4):133-138.

［14］中国建筑西南建筑设计研究院，等.GB 50005-2003木结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社出版社，2004:35-39.