輕鋼結構蒙皮效應探討

呂 同 欣

(天津天大濱海船舶與海洋工程研究院有限公司，天津 300450)

輕鋼結構蒙皮效應探討

呂 同 欣

(天津天大濱海船舶與海洋工程研究院有限公司，天津 300450)

簡述了蒙皮效應在國內外的發(fā)展概況，依據(jù)蒙皮效應的作用機理，分析了應力蒙皮的基本假設及適用限制條件，并探討了有檁條件下考慮蒙皮強度的輕鋼結構構造措施，以達到節(jié)約鋼材的目的。

輕鋼結構，蒙皮效應，壓型鋼板，面板

鋼結構被稱為建筑行業(yè)的朝陽產(chǎn)業(yè)，鋼結構的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個地區(qū)乃至一個國家的經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。我國門式鋼結構體系經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為設計，制作，施工標準規(guī)范相對完善的鋼結構體系。門式剛架輕型房屋鋼結構的屋面與墻面外板一般采用壓型鋼板。輕鋼結構體系具有強度高、自重輕、地基費用省、造型美觀和工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點。壓型鋼板在自身的工作平面內存在抗剪能力，可以承受平面內的載荷，即對承重結構產(chǎn)生應力的蒙皮效應。設計中如考慮了蒙皮效應,不但使計算模型的簡化和建立更符合實際結構的受力特點，同時還可以節(jié)約一部分檁間，柱間支撐,甚至還可以減小主鋼構件的截面尺寸，從而達到節(jié)約鋼材的目的。由此可見,考慮壓型鋼板的應力蒙皮效應能取得良好的經(jīng)濟效益和理論價值。

1 蒙皮效應的研究發(fā)展概況

1955年,Cornell大學的Winter和Nilson研究小組對46個足尺蒙皮體進行受力蒙皮試驗[1],研究了板型、板跨等參數(shù)變化對蒙皮抗剪強度和柔度的影響等內容,開啟了蒙皮研究的新紀元。

隨后，美國鋼鐵協(xié)會在1967年公布了《輕鋼蒙皮設計》，也是世界上第一本有關蒙皮的規(guī)程。

1973年,Bryan出版了著名的《鋼結構蒙皮設計》[2]，同年Nilson和Ammar在研究中引入了有限元法。

1982年英國出版了《受力蒙皮設計手冊》，到目前為止仍是世界各國蒙皮試驗研究的權威資料。

而后，澳大利亞等許多國家在英美研究的基礎上，也進行了相應的研究工作，并出版了一系列的規(guī)范規(guī)程。相對歐美國家而言我國起步較晚，目前尚沒有適合于我國具體國情的蒙皮支撐的檁條實用計算方法和具體公式。

20世紀80年代,張耀春教授組建了我國第一個蒙體研究課題組——鋼結構受力蒙皮研究課題組。課題組對蒙皮支撐的鋼構件靜力性能進行了多次專題試驗研究，并取得了一些有益的成果。

90年代初,冷彎型鋼技術研究委員會準備編制一本針對蒙皮效應的規(guī)范，可是由于種種客觀原因沒有得出具體的設計參數(shù)，規(guī)程也就無從談起。可喜的是對應力蒙皮作用的考慮在隨后出版的CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程中有了專門的規(guī)定。

另外，南京建筑工程學院，重慶大學等高校利用自身的學術優(yōu)勢也加入了蒙皮效應研究的行列。如重慶大學的龍莉萍的《應用自攻螺絲連接受力蒙皮體抗剪性能試驗研究》[3]，并進行了夾芯板蒙皮體抗剪性能的有限元分析。浙江科技學院馬曉董的《輕鋼蒙皮結構墻板支撐鋼柱的側向穩(wěn)定分析》對組合體墻板體蒙皮效應進行了分析，但是收效甚微。從1985年開始，將近30年的時間，仍沒有關于蒙皮的相應規(guī)范出臺，數(shù)次提及的《受力蒙皮設計規(guī)程》卻始終沒有下文。總之，由于我國沒有相應計算的參數(shù)，實際工程設計中，想要利用蒙皮效應優(yōu)化結構，將是一件很冒險的事情。

2 蒙皮效應的機理

在船舶與海洋工程專業(yè)上，蒙皮結構是指縱橫肋上蒙上金屬薄板而形成的帶肋板殼結構。蒙皮與縱橫肋組成了類似工字深梁的結構，因此具有很高的強度在平面內，而且借助于肋的固定，蒙皮不會失穩(wěn)在平面外。

在建筑中，屋面板或墻面板將與支撐檁條通過不同的緊固件連接起來，組成理論意義上的深梁。此時，屋面板或墻面板將起到梁中腹板的作用，有效的抵抗部分側力。例如，山形門式建筑中，屋面板的蒙皮作用的效用與坡度有關，在抵抗豎向力時與屋面坡度成正比，而抵抗水平力時與屋面坡度是成反比的，如圖1所示。

輕鋼結構的一般的計算模型為，不考慮圍護結構的蒙皮效應→空間剛架體系→不考慮各剛架的空間作用→平面剛架體系。

計算模型的簡化和建立必須符合實際結構的受力特點。因此蒙皮效應的考慮應以實際情況為準。

根據(jù)以上論述我們不難發(fā)現(xiàn)，在實際的工程設計中蒙皮作用只適用于部分結構。假設考慮了面板的應力蒙皮作用，那么必須把面板視為結構的一部分進行應力蒙皮設計，而且應遵循以下原則[4]:1)蒙皮板不能用于抵抗永久外部荷載，而應該主要抵抗風荷載和雪荷載等通過圍護作用的荷載；2)除非設計中有明確的說明，某部分板件沒有考慮受力，可以拆除，否則無論是屋面板還是墻面板都不能將其拆除；3)每塊板的開口面積不能超過3%，此時可忽略其對蒙皮強度和剛度的影響；如若超過3%時應該進行更加細致的計算分析；大開孔有兩種類型：a.離散開孔；b.條形開孔；4)應力蒙皮設計主要考慮短期活荷載的作用與徐變作用；5)考慮應力蒙皮的建筑，如果設計時沒有考慮框架承受全部荷載標準值，則需考慮圖1所示平屋頂為鉸接框架，那么蒙皮作用將承擔全部的側向荷載，此時結構在安裝時必須有足夠的支撐；建筑安裝時先安裝樓面或屋面再安裝墻體,以便更好地利用其蒙皮效應。

3 構造措施探討

寶鋼設計院的湯征通過實驗獲得了四種不同板型在蒙皮作用下的抗剪剛度，此實驗采用了面板的小變形理論分析[5]。英國BS5950—9∶1994中規(guī)定蒙皮效應只能用來抵抗通過圍護結構傳遞的荷載或較小的瞬時荷載[4]。因此，我們如果想利用面板的蒙皮作用就得采取一些有效的結構措施，以保證荷載的傳遞路徑：荷載作用到面板，面板內力傳遞到主要承重構件，再傳遞到基礎。

以下是建議使用的主要幾種構造措施，用來保證面板發(fā)揮蒙皮效應，僅供同行參考：1)屋面檁條與屋面梁的連接，采用如圖2所示的形式。采用螺栓和連接件的連接形式，避免現(xiàn)場焊接帶來的不便，同時保證了檁條與屋面梁的整體性，增加了檁條的設計抗力，減小了柔度。同時檁間支撐部分可以采用槽形支撐取代圓鋼支撐或角鋼支撐，如圖3所示，此形式足以保證檁條的平面外穩(wěn)定性，進而加強了檁條的抗扭剛度。2)面板的連接形式如圖4所示。需要特別注意的是，屋面板必須連接成屋面結構以確保屋面的完整性。緊固件必須選擇有足夠強度的材料，以防止它的破壞出現(xiàn)在面板破壞之前。安裝時務必小心使緊固件垂直安裝,以保證緊固件的受力方向，同時防止面板的卷曲或破損。安裝時也應避免緊固件的過度擰緊,從而穿透連接的面板，造成面板的破壞。若檁條上的孔與面板孔無法對齊時,可將螺釘斜著旋入面板孔直到錐形頭部全部穿過結構孔,然后將螺釘與面板表面垂直擰緊。

計算方面，周奎博士通過實驗證明了BS 5950—9∶1994規(guī)范中有檁條情況下板縫連接承載力公式的正確性[6]。由于我國壓型板的抗剪性能和緊固件的性能的數(shù)據(jù)尚不完整，實際工作中我們不能直接引用BS 5950—9∶1994中的公式。

4 結論與討論

所謂的蒙皮效應，就是屋面板，墻面板，屋面檁條，墻筋等次結構對主要承重結構的一種輔助作用，在某種條件下的空間作用。然而，考慮到我國鋼結構市場的現(xiàn)狀：設計方面追求結構優(yōu)化，面板太薄，用鋼量偏低，梁柱等結構斷面過小；材料供應方面，如鋼板等材料呈現(xiàn)負公差的趨勢；安裝方面，施工質量良莠不齊，不能保證各節(jié)點完全達到構造要求，為工程的安全留下了隱患。我國的現(xiàn)行規(guī)范和相關的規(guī)程都沒有對利用蒙皮效應做出具體的規(guī)定，因為實際上工程的用鋼量已經(jīng)很經(jīng)濟了，如果考慮蒙皮效應那么實際工程安全性是堪憂的。蒙皮效應并不是結構偏安全的一種考慮,但蒙皮效應是符合結構實際受力的，因此希望在規(guī)范鋼結構市場的同時，出臺相應的規(guī)范。我國蒙皮效應的計算參數(shù)的確定有待于進一步的實驗研究。

[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] 龍莉萍.自攻螺絲連接受力蒙皮體抗剪性能試驗研究[J]．建筑結構學報，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] 湯 征,張建萍.輕型房屋鋼結構中壓型板應力蒙皮作用的分析[J].工業(yè)建筑，2002(5)：66- 68.

[6] 周 奎,胡孔國.門式鋼架受力蒙皮抗剪性能試驗研究[J].工業(yè)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

呂同欣(1987- )，男，助理工程師，二級建造師

TU391

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