輕鋼結構房屋蒙皮效應及其應用探討

吳啟霖

摘要：隨著科學技術與經濟的不斷發展與推進，輕鋼結構房屋在建筑行業的應用越來越廣泛，作為圍護結構的壓型鋼板具有增大抗剪的能力，可以提高輕鋼結構結構的整體性與延展性，適當應用該效果可以減少材料用量，帶來經濟效益。當然，這項技術在輕鋼應用中還存在一定問題，還需要相關企業不斷進行技術創新與突破。文章從多個角度就輕鋼結構蒙皮效應的應用進行探究討論。

關鍵詞：輕鋼結構；蒙皮效應；應用

一、輕鋼結構蒙皮效應的基本原理

蒙皮效應是指在建筑物的表面覆蓋材料（屋面板和墻板）利用本身的剛度和強度對建筑物整體剛度的加強作用。蒙皮效應的結構概念來自于飛機和輪船行業。它是在縱橫肋上蒙上金屬薄板而形成的帶肋薄殼結構，蒙皮與肋共同工作，蒙皮自身在其平面內具有很大的拉、壓和剪切強度，且由于有肋的作用，蒙皮不會失穩。蒙皮結構具有較大承載力及剛度，而自重卻很輕。隨著建筑的規模以及數量在不斷的擴大與增加，大量應用于輕鋼結構廠房、倉儲、高鐵站及機場等場所，其中的屋面及墻面廣泛采用壓型鋼板，而輕型鋼結構中的壓型鋼板具有強度高、方便施工以及質量輕等優點，因此被廣泛應用到圍護結構當中。輕鋼結構蒙皮效應的基本原理就是依據輕型鋼結構中平面內的承載能力，借助平向作用荷載迫使熔融金屬產生平穩移動，減少外界因素對圍護結構的影響。

二、輕鋼結構蒙皮效應的應用分析

根據蒙皮效應工作原理，結合生產實際情況與生產需求，可以使用不同的圍護結構形式。實際輕型鋼結構建筑中，壓型鋼板在宏觀上參與了受力，為剛架構件分擔了一部分外荷載，同時在有良好連接的情況下為這些構件提供了很好的側向約束和扭轉約束，改善了結構的受力條件。特別對于受穩定控制的薄壁剛架構件和檁條構件，蒙皮效應尤為顯著。

由蒙皮效應的工作機理可以看出，并不是所有的結構和結構構造在設計時都可以考慮蒙皮效應，目前在滿足一定條件的壓型鋼板以及輕型鋼框架組成的輕鋼住宅和門式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應。下面列舉我國的相關規范對輕鋼結構房屋“蒙皮效應”方面的應用及要求。

《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》第4.1.9條提到：當采用不能滑動的緊固件連接壓型鋼板及其支撐構件形成屋面和墻面等維護體系時，可在單層房屋的設計中考慮受力蒙皮作用，但應同時滿足一定的條件：

1）應由實驗或可靠的分析方法獲得蒙皮組合體的強度和剛度參數，對結構進行整體分析和設計；

2）屋脊、檐口和山墻等關鍵部位的檁條、墻梁、立柱及其連接等，除了考慮直接作用的荷載產生的內力外，還必須考慮整體分析算得的附加內力進行承載力驗算；

3）必須在建成的建筑物的顯眼位置設立永久性標牌，標明在使用和維護過程中，不得隨意拆卸壓型鋼板，只有設置了臨時支撐后方可拆換壓型鋼板，并在設計文件中加以規定。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》第5.1.2條提到：變截面門式剛架宜按平面結構分析內力，一般不考慮應力蒙皮效應。但有必要且有條件時，可考慮屋面板的應力蒙皮效應。相應的條文說明解釋：面板視為承擔平面內橫向剪力的腹板，四周的邊緣構件視為翼緣，承擔軸向拉力和壓力。應力蒙皮隔板應主要用于抵抗風荷載、雪荷載和其他通過面板傳遞的荷載。它也可用于抵抗較小的瞬時荷載（如來自輕軌道式吊車的荷載），但不能用于承擔永久性外荷載。并強調要滿足下列條件方能將面板視為結構的一部分進行應力蒙皮設計。

1）面板除承擔主要功能外，只能用作為抗剪隔板抵抗其平面內的位移；

2）這種隔板必須有縱向邊緣構件，以承擔由于隔板作用引起的翼緣力；

3）屋面板平面內的力，應通過支撐系統、其他蒙皮隔板或抗側移方法傳至基礎；

4）應采用適當的連接將隔板中的力傳至主剛架，隔板應與取翼緣作用的邊緣構件相連；

5）面板作為受力構件處理時，不得將其隨意拆除；

6）對房屋的各項技術要求，均應考慮到該建筑物的設計利用了應力蒙皮作用。在有可靠的資料時，門剛規程允許有限制性的利用蒙皮效應。面板僅考慮面板平面內的作用，與實際情況比較吻合。

滿足以上條件，蒙皮效應可以用來傳遞板平面內的水平力，在設計中加以利用。蒙皮效應的作用如下：

1）在門式剛架中的屋面板用于抵抗山墻抗風柱傳來的水平荷載，將其傳遞至檐口處，再通過墻面蒙皮效應或支撐傳至基礎。

2）門式剛架中山墻面，利用墻板抗剪蒙皮作用后，可將山墻面框架設計成排架且不加柱間支撐（墻面開洞面積過大則除外）。

3）在豎向重力作用下，屋面檁條會產生側彎曲和扭轉變形，通過連接在檁條上的板，將消除此變位，面板蒙皮效應將其剪力傳至檁條與屋面梁連接處，再通過檁條與屋面梁連接件傳至各個屋面梁上。

4）板平面內有足夠剛度可對檁條上翼緣形成側向約束，減少了檁條的穩定計算長度，大大提高了檁條的穩定承載能力。

5）屋面蒙皮使各個平面剛架連成整體空間結構，減少剛架側移。當檐口較高，由柱頂側移控制結構計算時，可帶來經濟效益。

總之，蒙皮效應使得各平面的剛架組合在一起，形成了具有空間剛度的和穩定的建筑，可取代或部分取代屋蓋系統支撐間的縱向系桿，可減少屋面的橫向水平支撐，有很好的經濟效益；將山墻框架設計成全部簡支的小排架，且不設柱間支撐，對于邊墻，如果門窗開洞數量多，使蒙皮效應大大減弱，此時，可全部由柱間支撐抵抗縱向水平荷載；可省去檁條上翼緣拉條系統的設置，帶來一定經濟效益；在檐口較高、由剛架側移控制設計時，可減小剛架側移，從而減少用鋼量。

在垂直荷載作用下，坡頂門式剛架的運動趨勢是屋脊向下、屋檐向外變形。屋面板將與支撐檁條一起以深梁的形式來抵抗這一變形趨勢。這時，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而邊緣檁條承受軸力起深梁翼緣的作用。顯然，屋面板的抗剪切能力要遠遠大于其抗彎曲能力。所以，蒙皮效應指的是蒙皮板由于其抗剪切剛度對于使板平面內產生變形的荷載的抵抗效應。對于坡頂門式剛架，抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應取決于屋面坡度，坡度越大蒙皮效應越顯著；而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應則隨著坡度的減小而增加。

由于蒙皮效應的機理和作用條件及效果十分復雜，在實際工程設計中定量地應用蒙皮效應還有一定困難。輕鋼結構房屋在受到外界力的影響下，其受力機理十分復雜，起到蒙效應的外圍護結構受到強大壓力或拉力，其鋼板會向內擠壓或向外拉伸，輕型鋼結構的內在重力會發生變化，也就是說必須保證鋼結構內在水平承受力與外部負荷重力必須符合房屋受荷的相關要求，才能保證建筑結構的整體性與統一性。

三、對蒙皮效應的影響因素分析

蒙皮效應對應用環境具有極高的要求，也就是說只有在特定的環境下才可以操作，并且保證生產效果，對所依附的建筑結構形體、框架結構等有著很高的要求。另外，并不是所有的結構和結構構造在設計時都可以考慮蒙皮效應，比如咬合式屋面板對主體結構無法產生蒙皮效應。

首先，蒙皮板厚度的影響。從應用實踐來分析，增加蒙皮板厚度，可以提高建筑結構的承載力。但是由于我國對蒙皮效應的研究力度不足、專業人才缺乏等原因，要想實現工業應用還需要進一步探究，攻克一些技術性問題。所以，現行設計規程沒有明確給出利用蒙皮效應的條款，所有設計計算公式都忽略了蒙皮效應，只是規定在有充分依據的條件下可以考慮蒙皮效應。所以，忽略蒙皮效應的設計方法有時能得到偏于安全的結果。考慮蒙皮效應的設計方法并不僅僅具有經濟上的意義，更重要的是可以使結構的設計工作狀態與實際工作狀態更加一致。

其次，綜合分析材料的伸縮性與延展性，與蒙皮加框結構相對比，得出框架長度對輕型鋼結構的影響，并采取針對性措施保證鋼結構在后期使用中的安全性與耐用性。研究表明，在斜屋面的結構中，增加屋面的坡度可以減輕整體結構的剛度，也就說不會導致結構抵抗側向發生變形，但是對其內在負荷有一定的影響。當房屋的傾斜度保持在9度或者17度之間時候，蒙皮作用對結構承受豎向負荷的影響較小，也就是說在一定傾斜度內，受力蒙皮作用對結構承受水平負荷有一定的益處。

四、結束語

綜上所述，隨著經濟發展與技術應用的不斷完善，對我國建筑結構的穩定性與安全性提出了嚴格要求。然而我國對于輕型鋼結構蒙皮效應的理論研究與實踐和研究還不夠成熟，在設計與實踐中缺乏完善的理論指導與規范依據，所以，我國必須加強對輕型鋼結構蒙皮效應研究的高度重視，相關研究人員需要借鑒與學習英美等國際先進成熟的研究成果，并且結合我國維護結構材料的具體特征與實際發展需求，加強自身的技術水平，不斷突破與創新，盡快引進先進的輕型鋼結構蒙皮效應理論體系，為我國結構設計奠定堅實基礎。

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（作者單位：北京北鐵建建筑工程有限公司）