蒙皮結構作用原理與現實應用意義

劉凱  田園  張司亞

（陜西省建筑科學研究院 710082 西安）

一、概述

    生產實踐和大量的試驗表明，建筑結構中的壓型鋼板在作用為維護結構的同時,還可以承受維護結構平面內的荷載,即具有平面內的抗剪能力，這種抗剪能力稱為受力蒙皮作用。當采用不能滑動的連接件連接壓型鋼板及其支承構件形成屋面或墻面等圍護體系時，可在單層房屋設計中考慮蒙皮作用。蒙皮效應表現為力的傳遞效應和支撐效應：圍護層面與框架組成一種新構件，承受平行層面方向的水平荷載(如風、地震作用等)，即蒙皮傳力效應；此外，圍護蒙皮增強結構整體性及起側向支撐的作用，即蒙皮支撐效應，二者統稱為蒙皮效應。

二、受力蒙皮結構的作用機理

圖1 蒙皮效應傳遞水平力

    如圖1所示，輕鋼房屋建筑中，圍護鋼板與檁條及板與板之間通過不同的緊固件連接起來形成了以檁條作為其肋的一系列擱板，這種板在平面內具有相當剛度，類似于深梁中的腹板，檁條類似于深梁中的加勁肋，板四周連接的墻梁或檁條類似于深梁中的翼緣。這種構造共同完成蒙皮效應功能，傳遞板平面內的剪力，承受板平面內的各種荷載作用，圍護鋼板蒙皮效應的大小將取決于圍護鋼板的具體構造。

    山形門式剛架坡屋頂具有類似于“拱”的性質，在豎向荷載作用下會造成檐口的水平位移，但蒙皮板有“拉住”檐口不讓其發生水平位移的功效。如圖2所示，屋脊向下移動、屋檐有向外移動的趨勢，這勢必引起屋面板在其自身平面內彎曲。而屋面板和檁條形成一個深板梁來抵抗這種變形，檁條的作用如同梁的翼緣，承受由于彎曲引起的軸向力，屋面板則起梁腹板的作用承受剪力。在一定程度上，屋面板參與了結構的內力重分配，承擔了一部分外荷載，增強了房屋的整體剛度。與彎曲作用相比，剪力和剪切變形居主導地位，因此受力蒙皮效應中一般只考慮板的剪切影響。

圖2 山形門式剛架蒙皮屋面承受豎向荷載作用

    研究表明，坡屋頂蒙皮板抵抗豎向荷載的能力主要取決于相鄰兩榀剛架抵抗豎向荷載的相對剛度，而山墻所起的作用很小。另外，坡屋頂結構當屋頂坡度達到10度以上時，蒙皮效應對減小由豎向荷載引起的兩檐口相對位移開始發揮作用，隨著坡度值進一步增大，蒙皮效應的作用效果就越明顯，檐口相對位移得到大幅度消減。

    當門式剛架承受水平荷載時，屋面板的蒙皮作用能夠把水平荷載傳遞至山墻處，有效減小中間框架的側移和受力，從而大大地降低門式剛架出現有側移失穩的可能性，增強了房屋的整體剛度。可見，山墻得到有效約束對于結構抗側非常重要。

    坡屋頂結構的抗側能力比平屋頂結構差，但是兩者相差不是很大，特別是坡度值在20度以內，兩者差別可以勉強忽略。

三、受力蒙皮結構構造形式

    蒙皮隔板單獨作用

    低層、平屋頂結構是這一類的典型結構，其中梁柱連接名義上是鉸接，且結構穩定性完全依靠屋頂（和中間層樓板）的隔板作用。這類結構不僅取消了屋頂平面內的抗風支撐，而且由于體系的簡化、構件數目的減少和節點構造的簡化，使得這種結構可能比其他結構形式更經濟。

    與剛接框架協同工作

    這種結構形式實際上是一種常規結構，其覆蓋面層與框架共同承擔荷載，與傳統結構相比可以大大節省框架結構的鋼材用量，既可以用于低層結構，也可以用到高層結構中。

四、受力蒙皮結構的構成

    蒙皮結構基本上由蒙皮板、連接件、框架結構三部分組成。

    蒙皮板

    當結構覆蓋材料的蒙皮作用在設計中加以考慮時，該覆蓋材料可稱為蒙皮板。廣義上，蒙皮板應該是結構覆蓋材料和其邊緣構件及兩個相鄰椽子等許多部件組裝而成，在荷載作用下所有這些組成部件共同工作。蒙皮板材料無論           就其強度還是剛度都必須非常可靠。建筑工程中一般采用彩色涂層壓型鋼板，厚度大多在0.5～1.2mm之間，如圖3所示。

圖3 單區格受剪蒙皮板

    彩色涂層壓型鋼板通過加工處理成各種形式的截面以增強其平面外的抗彎剛度。常見的壓型鋼板截面可分為閉口截面和開口截面，如圖4所示。國內壓型鋼板板型及截面可參見《建筑用壓型鋼板》。為保證受力蒙皮結構的強度和延性，像石棉瓦這類脆性材料不得用作蒙皮板使用。

圖4 常見蒙皮板的截面

    連接件及連接形式

    事實上，連接形式和連接件極大地影響著蒙皮結構的抗剪強度和剛度，大多數蒙皮的極限強度都取決于連接件的強度。

連接包括蒙皮板與板之間的接縫連接和板與框架構件的連接兩類。其連接方式可分為焊接和機械連接。接縫連接常見的有電弧焊、卷邊縫焊、自攻螺釘、射釘、單項螺栓等方式。圖5和圖6羅列了一些受力蒙皮結構的連接件和連接方式。需要注意的是，蒙皮結構中不宜采用帶鉤螺栓的連接方式，因為帶鉤螺栓靠摩擦傳力，其連接不可靠。

普通螺釘       自攻螺釘      射釘        電弧電焊

圖5 板與框架構件連接時常用連接件

鉚接           連接螺釘       沖扭連接     卷邊焊縫

圖6 板與板連接時常用連接方式

    框架構件

    框架構件即結構的骨架組成部分，常用各種熱軋型鋼或冷彎薄壁型鋼制作而成。

    受力蒙皮的節點布置和類型

    受力蒙皮板可以認為是一個很深的梁板，其高度為平行于平面內荷載作用方向的尺寸，其跨度為垂直于平面內荷載作用方向的尺寸。在實際構造中，壓型鋼板有兩種布置方式，一種是壓型鋼板板壟方向垂直于蒙皮梁的跨度方向布置，如圖1.7所示；另一種是壓型鋼板板壟方向平行于蒙皮梁跨度方向，如圖1.8所示。而第一種布置方式是屋蓋體系最為常見的布置方式。

圖7 板壟方向與板跨方向垂直        圖8 板壟方向與板跨方向平行

    在進行壓型鋼板抗剪性能的理論與試驗研究時，通常是針對采用第一種布置

    在進行壓型鋼板抗剪性能的理論與試驗研究時，通常是針對采用第一種布置方式

    的所謂蒙皮“懸臂”板進行的。采用懸臂板的方式是因為它便于試驗和計算，而且與蒙皮梁的工作機理最為相似。

    現實意義

    受力蒙皮作用使維護結構成為結構的重要組成部分,參與整個結構體系的共同工作,增加結構的整體剛度,減少結構的側移,為與其相連的受壓和壓彎構件提供有效的約束作用,提高這些構件的穩定承載力和剛度，從而可以減少或取消一部分支撐構件，甚至還能減小框架構件的截面尺寸。

    對若干門式剛架結構的實測結果表明，結構實際的應力和撓度比通常設計計算結果小很多。這些研究的對象大都是工業廠房和倉庫，其中不存在樓梯和隔墻。實測應力和撓度偏小的唯一解釋只能是壓型鋼板的蒙皮作用，即其作為主體框架維護結構的同時對主體框架起承載的輔助作用。

    根據歐洲鋼結構協會TCT委員會對受力蒙皮結構專門進行的經濟性研究表明，輕鋼結構受力蒙皮應用到結構中可節約費用約為屋面板和主體鋼結構總造價的10％。此外，受力蒙皮結構設計的最大貢獻和實際意義在于它反映了建筑物的真實受力情況，充分發揮壓型鋼板蒙皮的潛在承載特性，使結構整體作用的設計更加合理，而不只是考慮理論化的框架作用，最終獲得加強結構空間剛度、降低結構用鋼量等效果。

    在實際工程設計中，存在這樣一個誤區：認為忽略應力蒙皮效應趨于保守，實際結構不考慮應力蒙皮效應是偏于安全的。事實上，應力蒙皮效應存在于大量的工程實際中，而不論工程本身是否是按照應力蒙皮效應設計的。由于壓型鋼板本身要承受一定荷載，這樣就引起框架與蒙皮體之間荷載的重分布，隨著荷載的加大，極有可能使面板首先屈服。

    在某些工程實例中，存在著作為屋面板的壓型鋼板在正常工作荷載下首先破壞的情況。特別是在那些主要承受水平荷載的輕鋼結構中，由于高度大，結構體系存在較大的側向位移。在這種情況下，即使是在工作荷載下，屋面板的提前屈曲甚至破壞都是有可能出現的。如果實際工程中一概不加以考慮，會造成嚴重的后果。從這個意義上講，應力蒙皮效應并不是一個簡單的經濟性問題，更涉及到安全性和適用性的問題。在實際工程中，不能不加以考慮。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會      文徑網絡：呂琳琳 尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)