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蒙皮效应 发布于:

蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料(屋面板和墙板)利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。蒙皮效应的结构概念来自于飞机和轮船行业。它是在纵横肋上蒙上金属薄板而形成的带肋薄壳结构,蒙皮与肋共同工作,蒙皮自身在其平面内具有很大的拉、压和剪切强度,且由于有肋的作用,蒙皮不会失稳。蒙皮结构具有较大承载力及刚度,而自重却很轻。

工作原理是:围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来,形成了以檩条作为其肋的一系列隔板。这种板在平面内具有相当大的刚度,类似于薄壁深梁中的腹板,檩条类似于薄壁深梁中的加劲肋,板的四周连接墙梁或檩条类似于薄壁深梁中的翼缘,可以用来传递板平面内的剪力,承受板平面内的各种荷载作用。蒙皮效应在工程中只将其作为一种结构上的储备。在满足一定条件的压型钢板以及轻型钢框架组成的轻钢住宅和门式刚架体系中存在着较大的蒙皮效应。

根据蒙皮效应的工作机理可以看出,并不是所有的结构和结构构造在设计时都可以考虑蒙皮效应。

《冷弯薄壁型钢结构技术规范》第4.1.10条提到:当采用不能滑动的紧固件连接压型钢板及其支撑构件形成屋面和墙面等维护体系时,可在单层房屋的设计中考虑受力蒙皮作用,但应同时满足一定的条件:

1)应由实验或可靠的分析方法获得蒙皮组合体的强度和刚度参数,对结构进行整体分析和设计;

2)屋脊、檐口和山墙等关键部位的檩条、墙梁、立柱及其连接等,除了考虑直接作用的荷载产生的内力外,还必须考虑整体分析算得的附加内力进行承载力验算;

3)必须在建成的建筑物的显眼位置设立永久性标牌,标明在使用和维护过程中,不得随意拆卸压型钢板,只有设置了临时支撑后方可拆换压型钢板,并在设计文件中加以规定。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第5.1.2条提到:变截面门式刚架宜按平面结构分析内力,一般不考虑应力蒙皮效应。但有必要且有条件时,可考虑屋面板的应力蒙皮效应。相应的条文说明解释:面板视为承担平面内横向剪力的腹板,四周的边缘构件视为翼缘,承担轴向拉力和压力。应力蒙皮隔板应主要用于抵抗风荷载、雪荷载和其他通过面板传递的荷载。它也可用于抵抗较小的瞬时荷载(如来自轻轨道式吊车的荷载),但不能用于承担永久性外荷载。并强调要满足下列条件方能将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计。

1)面板除承担主要功能外,只能用作为抗剪隔板抵抗其平面内的位移;

2)这种隔板必须有纵向边缘构件,以承担由于隔板作用引起的翼缘力;

3)屋面板平面内的力,应通过支撑系统、其他蒙皮隔板或抗侧移方法传至基础;

4)应采用适当的连接将隔板中的力传至主刚架,隔板应与起翼缘作用的边缘构件相连;

5)面板作为受力构件处理时,不得将其随意拆除;

6)对房屋的各项技术要求,均应考虑到该建筑物的设计利用了应力蒙皮作用。在有可靠的资料时,门刚规程允许有限制性的利用蒙皮效应。面板仅考虑面板平面内的作用,与实际情况比较吻合。

满足以上条件,蒙皮效应可以用来传递板平面内的水平力,在设计中加以利用,蒙皮效应的作用如下:

1)在门式刚架中的屋面板用于抵抗山墙抗风柱传来的水平荷载,将其传递至檐口处,再通过墙面蒙皮效应或支撑传至基础。

2)门式刚架中山墙面,利用墙板抗剪蒙皮作用后,可将山墙面框架设计成排架且不加柱间支撑(墙面开洞面积过大则除外)。

3)在竖向重力作用下,屋面檩条会产生侧弯曲和扭转变形,通过连接在檩条上的板,将消除此变位,面板蒙皮效应将其剪力传至檩条与屋面梁连接处,再通过檩条与屋面梁连接件传至各个屋面梁上。

4)板平面内有足够刚度可对檩条上翼缘形成侧向约束,减少了檩条的稳定计算长度,大大提高了檩条的稳定承载能力。

5)屋面蒙皮使各个平面刚架连成整体空间结构,减少刚架侧移。当檐口较高,由柱顶侧移控制结构计算时,可带来经济效益。

总之,蒙皮效应使得各平面的刚架组合在一起,形成了具有空间刚度的和稳定的建筑,可取代或部分取代屋盖系统支撑间的纵向系杆,可减少屋面的横向水平支撑,有很好的经济效益;将山墙框架设计成全部简支的小排架,且不设柱间支撑,对于边墙,如果门窗开洞数量多,使蒙皮效应大大减弱,此时,可全部由柱间支撑抵抗纵向水平荷载;可省去檩条上翼缘拉条系统的设置,带来一定经济效益;在檐口较高、由刚架侧移控制设计时,可减小刚架侧移,从而减少用钢量。

在垂直荷载作用下,坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时,屋面板承受剪力,起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然,屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以,蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应[26][28][29]。对于坡顶门式刚架,抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度,坡度越大蒙皮效应越显著;而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加。

构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条(屋脊和屋檐檩条),中间构件是指中间部位檩条。

蒙皮效应的主要性能指标是强度和刚度。蒙皮单元有以下三种强度破坏的可能性:

1. 边缘构件破坏

边缘构件可能产生压弯失稳破坏或强度破坏,这类破坏属于脆性破坏,在实际工程中应尽量避免。

2. 蒙皮板的剪切屈曲

这也是一种脆性破坏,当荷载较大、钢板较薄或板型较差时可能发生,在实际工程中也应尽量避免。

3. 连接破坏

连接破坏包括板之间的连接破坏和板与边缘构件间的连接破坏。板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏,其他破坏都属于延性破坏。

影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个:

1. 蒙皮板本身的变形刚度

蒙皮板的变形包括板的拱褶扭曲变形(所谓的“手风琴”效应)和剪切变形。

2. 连接件的变形刚度

3. 边缘构件的轴向变形刚度

一般而言,中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大,但对强度影响较大。在屋面板型选中后,连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。

由于蒙皮效应,实际轻型钢结构建筑中,压型钢板在宏观上参与了受力,为刚架构件分担了一部分外荷载,同时在有良好连接的情况下为这些构件提供了很好的侧向约束和扭转约束,改善了结构的受力条件。特别对于受稳定控制的薄壁刚架构件和檩条构件,蒙皮效应尤为显著。然而,由于蒙皮效应的机理和作用条件及效果十分复杂,在实际工程设计中定量地应用蒙皮效应还有一定困难。所以,现行设计规程没有明确给出利用蒙皮效应的条款,所有设计计算公式都忽略了蒙皮效应,只是规定在有充分依据的条件下可以考虑蒙皮效应。然而,必须注意的是,设计中无论是否考虑蒙皮效应,蒙皮效应客观上都是存在的。例如,现行轻型钢结构设计规程对水平位移的限制是很宽的,但实际上结构的实测值总是远小于计算值;而实际工程中也发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。所以,忽略蒙皮效应的设计方法有时能得到偏于安全的结果,有时又恰恰相反。考虑蒙皮效应的设计方法并不仅仅具有经济上的意义,更重要的是可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致。


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