轻钢结构蒙皮效应探讨

吕 同 欣

(天津天大滨海船舶与海洋工程研究院有限公司，天津 300450)

轻钢结构蒙皮效应探讨

吕 同 欣

(天津天大滨海船舶与海洋工程研究院有限公司，天津 300450)

简述了蒙皮效应在国内外的发展概况，依据蒙皮效应的作用机理，分析了应力蒙皮的基本假设及适用限制条件，并探讨了有檩条件下考虑蒙皮强度的轻钢结构构造措施，以达到节约钢材的目的。

轻钢结构，蒙皮效应，压型钢板，面板

钢结构被称为建筑行业的朝阳产业，钢结构的发展水平已经成为衡量一个地区乃至一个国家的经济发展水平的重要标志。我国门式钢结构体系经过多年的发展，已成为设计，制作，施工标准规范相对完善的钢结构体系。门式刚架轻型房屋钢结构的屋面与墙面外板一般采用压型钢板。轻钢结构体系具有强度高、自重轻、地基费用省、造型美观和工业化程度高等一系列优点。压型钢板在自身的工作平面内存在抗剪能力，可以承受平面内的载荷，即对承重结构产生应力的蒙皮效应。设计中如考虑了蒙皮效应,不但使计算模型的简化和建立更符合实际结构的受力特点，同时还可以节约一部分檩间，柱间支撑,甚至还可以减小主钢构件的截面尺寸，从而达到节约钢材的目的。由此可见,考虑压型钢板的应力蒙皮效应能取得良好的经济效益和理论价值。

1 蒙皮效应的研究发展概况

1955年,Cornell大学的Winter和Nilson研究小组对46个足尺蒙皮体进行受力蒙皮试验[1],研究了板型、板跨等参数变化对蒙皮抗剪强度和柔度的影响等内容,开启了蒙皮研究的新纪元。

随后，美国钢铁协会在1967年公布了《轻钢蒙皮设计》，也是世界上第一本有关蒙皮的规程。

1973年,Bryan出版了著名的《钢结构蒙皮设计》[2]，同年Nilson和Ammar在研究中引入了有限元法。

1982年英国出版了《受力蒙皮设计手册》，到目前为止仍是世界各国蒙皮试验研究的权威资料。

而后，澳大利亚等许多国家在英美研究的基础上，也进行了相应的研究工作，并出版了一系列的规范规程。相对欧美国家而言我国起步较晚，目前尚没有适合于我国具体国情的蒙皮支撑的檩条实用计算方法和具体公式。

20世纪80年代,张耀春教授组建了我国第一个蒙体研究课题组——钢结构受力蒙皮研究课题组。课题组对蒙皮支撑的钢构件静力性能进行了多次专题试验研究，并取得了一些有益的成果。

90年代初,冷弯型钢技术研究委员会准备编制一本针对蒙皮效应的规范，可是由于种种客观原因没有得出具体的设计参数，规程也就无从谈起。可喜的是对应力蒙皮作用的考虑在随后出版的CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中有了专门的规定。

另外，南京建筑工程学院，重庆大学等高校利用自身的学术优势也加入了蒙皮效应研究的行列。如重庆大学的龙莉萍的《应用自攻螺丝连接受力蒙皮体抗剪性能试验研究》[3]，并进行了夹芯板蒙皮体抗剪性能的有限元分析。浙江科技学院马晓董的《轻钢蒙皮结构墙板支撑钢柱的侧向稳定分析》对组合体墙板体蒙皮效应进行了分析，但是收效甚微。从1985年开始，将近30年的时间，仍没有关于蒙皮的相应规范出台，数次提及的《受力蒙皮设计规程》却始终没有下文。总之，由于我国没有相应计算的参数，实际工程设计中，想要利用蒙皮效应优化结构，将是一件很冒险的事情。

2 蒙皮效应的机理

在船舶与海洋工程专业上，蒙皮结构是指纵横肋上蒙上金属薄板而形成的带肋板壳结构。蒙皮与纵横肋组成了类似工字深梁的结构，因此具有很高的强度在平面内，而且借助于肋的固定，蒙皮不会失稳在平面外。

在建筑中，屋面板或墙面板将与支撑檩条通过不同的紧固件连接起来，组成理论意义上的深梁。此时，屋面板或墙面板将起到梁中腹板的作用，有效的抵抗部分侧力。例如，山形门式建筑中，屋面板的蒙皮作用的效用与坡度有关，在抵抗竖向力时与屋面坡度成正比，而抵抗水平力时与屋面坡度是成反比的，如图1所示。

轻钢结构的一般的计算模型为，不考虑围护结构的蒙皮效应→空间刚架体系→不考虑各刚架的空间作用→平面刚架体系。

计算模型的简化和建立必须符合实际结构的受力特点。因此蒙皮效应的考虑应以实际情况为准。

根据以上论述我们不难发现，在实际的工程设计中蒙皮作用只适用于部分结构。假设考虑了面板的应力蒙皮作用，那么必须把面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计，而且应遵循以下原则[4]:1)蒙皮板不能用于抵抗永久外部荷载，而应该主要抵抗风荷载和雪荷载等通过围护作用的荷载；2)除非设计中有明确的说明，某部分板件没有考虑受力，可以拆除，否则无论是屋面板还是墙面板都不能将其拆除；3)每块板的开口面积不能超过3%，此时可忽略其对蒙皮强度和刚度的影响；如若超过3%时应该进行更加细致的计算分析；大开孔有两种类型：a.离散开孔；b.条形开孔；4)应力蒙皮设计主要考虑短期活荷载的作用与徐变作用；5)考虑应力蒙皮的建筑，如果设计时没有考虑框架承受全部荷载标准值，则需考虑图1所示平屋顶为铰接框架，那么蒙皮作用将承担全部的侧向荷载，此时结构在安装时必须有足够的支撑；建筑安装时先安装楼面或屋面再安装墙体,以便更好地利用其蒙皮效应。

3 构造措施探讨

宝钢设计院的汤征通过实验获得了四种不同板型在蒙皮作用下的抗剪刚度，此实验采用了面板的小变形理论分析[5]。英国BS5950—9∶1994中规定蒙皮效应只能用来抵抗通过围护结构传递的荷载或较小的瞬时荷载[4]。因此，我们如果想利用面板的蒙皮作用就得采取一些有效的结构措施，以保证荷载的传递路径：荷载作用到面板，面板内力传递到主要承重构件，再传递到基础。

以下是建议使用的主要几种构造措施，用来保证面板发挥蒙皮效应，仅供同行参考：1)屋面檩条与屋面梁的连接，采用如图2所示的形式。采用螺栓和连接件的连接形式，避免现场焊接带来的不便，同时保证了檩条与屋面梁的整体性，增加了檩条的设计抗力，减小了柔度。同时檩间支撑部分可以采用槽形支撑取代圆钢支撑或角钢支撑，如图3所示，此形式足以保证檩条的平面外稳定性，进而加强了檩条的抗扭刚度。2)面板的连接形式如图4所示。需要特别注意的是，屋面板必须连接成屋面结构以确保屋面的完整性。紧固件必须选择有足够强度的材料，以防止它的破坏出现在面板破坏之前。安装时务必小心使紧固件垂直安装,以保证紧固件的受力方向，同时防止面板的卷曲或破损。安装时也应避免紧固件的过度拧紧,从而穿透连接的面板，造成面板的破坏。若檩条上的孔与面板孔无法对齐时,可将螺钉斜着旋入面板孔直到锥形头部全部穿过结构孔,然后将螺钉与面板表面垂直拧紧。

计算方面，周奎博士通过实验证明了BS 5950—9∶1994规范中有檩条情况下板缝连接承载力公式的正确性[6]。由于我国压型板的抗剪性能和紧固件的性能的数据尚不完整，实际工作中我们不能直接引用BS 5950—9∶1994中的公式。

4 结论与讨论

所谓的蒙皮效应，就是屋面板，墙面板，屋面檩条，墙筋等次结构对主要承重结构的一种辅助作用，在某种条件下的空间作用。然而，考虑到我国钢结构市场的现状：设计方面追求结构优化，面板太薄，用钢量偏低，梁柱等结构断面过小；材料供应方面，如钢板等材料呈现负公差的趋势；安装方面，施工质量良莠不齐，不能保证各节点完全达到构造要求，为工程的安全留下了隐患。我国的现行规范和相关的规程都没有对利用蒙皮效应做出具体的规定，因为实际上工程的用钢量已经很经济了，如果考虑蒙皮效应那么实际工程安全性是堪忧的。蒙皮效应并不是结构偏安全的一种考虑,但蒙皮效应是符合结构实际受力的，因此希望在规范钢结构市场的同时，出台相应的规范。我国蒙皮效应的计算参数的确定有待于进一步的实验研究。

[1] Nilson A H.Shear diaphragms of light gauge steel structure[J].ASCE, Journal of Structure Division,1960,86(11):111-139.

[2] Davies J M,Bryan E R.Manual of stressed skin diaphragm design[M].London, Granada Publishing,1982.

[3] 龙莉萍.自攻螺丝连接受力蒙皮体抗剪性能试验研究[J]．建筑结构学报，2004(1)：39- 43.

[4] British standard 5950—9∶1994，Structural use of steelwork in building-part 9:Code of practice forst ressed skin design[S].

[5] 汤 征,张建萍.轻型房屋钢结构中压型板应力蒙皮作用的分析[J].工业建筑，2002(5)：66- 68.

[6] 周 奎,胡孔国.门式钢架受力蒙皮抗剪性能试验研究[J].工业建筑,2006(11):80- 82.

Inquiry on stressed-skin effect of steel structure

Lv Tongxin

(TianjinTiandaCoastalVesselsandOceanEngineeringInstituteCo.,Ltd,Tianjin300450,China)

The paper introduces development conditions of stressed-skin effect at home and abroad. According to its working mechanism, it analyzes its basic hypothesis and applicable limits, and explores steel structure measures by considering stressed-skin strength with purlin, with a view to save steel.

light steel, stressed-skin effect, profiled steel sheet, panel board

1009-6825(2015)07- 0027- 02

2014-12-29

吕同欣(1987- )，男，助理工程师，二级建造师

TU391

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