輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)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(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)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(jiǎn)述了蒙皮效應(yīng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況，依據(jù)蒙皮效應(yīng)的作用機(jī)理，分析了應(yīng)力蒙皮的基本假設(shè)及適用限制條件，并探討了有檁條件下考慮蒙皮強(qiáng)度的輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。

輕鋼結(jié)構(gòu)，蒙皮效應(yīng)，壓型鋼板，面板

鋼結(jié)構(gòu)被稱為建筑行業(yè)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)地區(qū)乃至一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。我國(guó)門式鋼結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已成為設(shè)計(jì)，制作，施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相對(duì)完善的鋼結(jié)構(gòu)體系。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的屋面與墻面外板一般采用壓型鋼板。輕鋼結(jié)構(gòu)體系具有強(qiáng)度高、自重輕、地基費(fèi)用省、造型美觀和工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。壓型鋼板在自身的工作平面內(nèi)存在抗剪能力，可以承受平面內(nèi)的載荷，即對(duì)承重結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力的蒙皮效應(yīng)。設(shè)計(jì)中如考慮了蒙皮效應(yīng),不但使計(jì)算模型的簡(jiǎn)化和建立更符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，同時(shí)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(gòu)件的截面尺寸，從而達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。由此可見(jiàn),考慮壓型鋼板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和理論價(jià)值。

1 蒙皮效應(yīng)的研究發(fā)展概況

1955年,Cornell大學(xué)的Winter和Nilson研究小組對(duì)46個(gè)足尺蒙皮體進(jìn)行受力蒙皮試驗(yàn)[1],研究了板型、板跨等參數(shù)變化對(duì)蒙皮抗剪強(qiáng)度和柔度的影響等內(nèi)容,開啟了蒙皮研究的新紀(jì)元。

隨后，美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)在1967年公布了《輕鋼蒙皮設(shè)計(jì)》，也是世界上第一本有關(guān)蒙皮的規(guī)程。

1973年,Bryan出版了著名的《鋼結(jié)構(gòu)蒙皮設(shè)計(jì)》[2]，同年Nilson和Ammar在研究中引入了有限元法。

1982年英國(guó)出版了《受力蒙皮設(shè)計(jì)手冊(cè)》，到目前為止仍是世界各國(guó)蒙皮試驗(yàn)研究的權(quán)威資料。

而后，澳大利亞等許多國(guó)家在英美研究的基礎(chǔ)上，也進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，并出版了一系列的規(guī)范規(guī)程。相對(duì)歐美國(guó)家而言我國(guó)起步較晚，目前尚沒(méi)有適合于我國(guó)具體國(guó)情的蒙皮支撐的檁條實(shí)用計(jì)算方法和具體公式。

20世紀(jì)80年代,張耀春教授組建了我國(guó)第一個(gè)蒙體研究課題組——鋼結(jié)構(gòu)受力蒙皮研究課題組。課題組對(duì)蒙皮支撐的鋼構(gòu)件靜力性能進(jìn)行了多次專題試驗(yàn)研究，并取得了一些有益的成果。

90年代初,冷彎型鋼技術(shù)研究委員會(huì)準(zhǔn)備編制一本針對(duì)蒙皮效應(yīng)的規(guī)范，可是由于種種客觀原因沒(méi)有得出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，規(guī)程也就無(wú)從談起?？上驳氖菍?duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中有了專門的規(guī)定。

另外，南京建筑工程學(xué)院，重慶大學(xué)等高校利用自身的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)也加入了蒙皮效應(yīng)研究的行列。如重慶大學(xué)的龍莉萍的《應(yīng)用自攻螺絲連接受力蒙皮體抗剪性能試驗(yàn)研究》[3]，并進(jìn)行了夾芯板蒙皮體抗剪性能的有限元分析。浙江科技學(xué)院馬曉董的《輕鋼蒙皮結(jié)構(gòu)墻板支撐鋼柱的側(cè)向穩(wěn)定分析》對(duì)組合體墻板體蒙皮效應(yīng)進(jìn)行了分析，但是收效甚微。從1985年開始，將近30年的時(shí)間，仍沒(méi)有關(guān)于蒙皮的相應(yīng)規(guī)范出臺(tái)，數(shù)次提及的《受力蒙皮設(shè)計(jì)規(guī)程》卻始終沒(méi)有下文?？傊?，由于我國(guó)沒(méi)有相應(yīng)計(jì)算的參數(shù)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，想要利用蒙皮效應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將是一件很冒險(xiǎn)的事情。

2 蒙皮效應(yīng)的機(jī)理

在船舶與海洋工程專業(yè)上，蒙皮結(jié)構(gòu)是指縱橫肋上蒙上金屬薄板而形成的帶肋板殼結(jié)構(gòu)。蒙皮與縱橫肋組成了類似工字深梁的結(jié)構(gòu)，因此具有很高的強(qiáng)度在平面內(nèi)，而且借助于肋的固定，蒙皮不會(huì)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(guò)不同的緊固件連接起來(lái)，組成理論意義上的深梁。此時(shí)，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(cè)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(guān)，在抵抗豎向力時(shí)與屋面坡度成正比，而抵抗水平力時(shí)與屋面坡度是成反比的，如圖1所示。

輕鋼結(jié)構(gòu)的一般的計(jì)算模型為，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)→空間剛架體系→不考慮各剛架的空間作用→平面剛架體系。

計(jì)算模型的簡(jiǎn)化和建立必須符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。因此蒙皮效應(yīng)的考慮應(yīng)以實(shí)際情況為準(zhǔn)。

根據(jù)以上論述我們不難發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中蒙皮作用只適用于部分結(jié)構(gòu)。假設(shè)考慮了面板的應(yīng)力蒙皮作用，那么必須把面板視為結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行應(yīng)力蒙皮設(shè)計(jì)，而且應(yīng)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(yīng)該主要抵抗風(fēng)荷載和雪荷載等通過(guò)圍護(hù)作用的荷載；2)除非設(shè)計(jì)中有明確的說(shuō)明，某部分板件沒(méi)有考慮受力，可以拆除，否則無(wú)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(guò)3%，此時(shí)可忽略其對(duì)蒙皮強(qiáng)度和剛度的影響；如若超過(guò)3%時(shí)應(yīng)該進(jìn)行更加細(xì)致的計(jì)算分析；大開孔有兩種類型：a.離散開孔；b.條形開孔；4)應(yīng)力蒙皮設(shè)計(jì)主要考慮短期活荷載的作用與徐變作用；5)考慮應(yīng)力蒙皮的建筑，如果設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮框架承受全部荷載標(biāo)準(zhǔn)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(dān)全部的側(cè)向荷載，此時(shí)結(jié)構(gòu)在安裝時(shí)必須有足夠的支撐；建筑安裝時(shí)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(yīng)。

3 構(gòu)造措施探討

寶鋼設(shè)計(jì)院的湯征通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了四種不同板型在蒙皮作用下的抗剪剛度，此實(shí)驗(yàn)采用了面板的小變形理論分析[5]。英國(guó)BS5950—9∶1994中規(guī)定蒙皮效應(yīng)只能用來(lái)抵抗通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的荷載或較小的瞬時(shí)荷載[4]。因此，我們?nèi)绻肜妹姘宓拿善ぷ饔镁偷貌扇∫恍┯行У慕Y(jié)構(gòu)措施，以保證荷載的傳遞路徑：荷載作用到面板，面板內(nèi)力傳遞到主要承重構(gòu)件，再傳遞到基礎(chǔ)。

以下是建議使用的主要幾種構(gòu)造措施，用來(lái)保證面板發(fā)揮蒙皮效應(yīng)，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(chǎng)焊接帶來(lái)的不便，同時(shí)保證了檁條與屋面梁的整體性，增加了檁條的設(shè)計(jì)抗力，減小了柔度。同時(shí)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(jìn)而加強(qiáng)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(jié)構(gòu)以確保屋面的完整性。緊固件必須選擇有足夠強(qiáng)度的材料，以防止它的破壞出現(xiàn)在面板破壞之前。安裝時(shí)務(wù)必小心使緊固件垂直安裝,以保證緊固件的受力方向，同時(shí)防止面板的卷曲或破損。安裝時(shí)也應(yīng)避免緊固件的過(guò)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(wú)法對(duì)齊時(shí),可將螺釘斜著旋入面板孔直到錐形頭部全部穿過(guò)結(jié)構(gòu)孔,然后將螺釘與面板表面垂直擰緊。

計(jì)算方面，周奎博士通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)際工作中我們不能直接引用BS 5950—9∶1994中的公式。

4 結(jié)論與討論

所謂的蒙皮效應(yīng)，就是屋面板，墻面板，屋面檁條，墻筋等次結(jié)構(gòu)對(duì)主要承重結(jié)構(gòu)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(guó)鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)的現(xiàn)狀：設(shè)計(jì)方面追求結(jié)構(gòu)優(yōu)化，面板太薄，用鋼量偏低，梁柱等結(jié)構(gòu)斷面過(guò)??；材料供應(yīng)方面，如鋼板等材料呈現(xiàn)負(fù)公差的趨勢(shì)；安裝方面，施工質(zhì)量良莠不齊，不能保證各節(jié)點(diǎn)完全達(dá)到構(gòu)造要求，為工程的安全留下了隱患。我國(guó)的現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)的規(guī)程都沒(méi)有對(duì)利用蒙皮效應(yīng)做出具體的規(guī)定，因?yàn)閷?shí)際上工程的用鋼量已經(jīng)很經(jīng)濟(jì)了，如果考慮蒙皮效應(yīng)那么實(shí)際工程安全性是堪憂的。蒙皮效應(yīng)并不是結(jié)構(gòu)偏安全的一種考慮,但蒙皮效應(yīng)是符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的，因此希望在規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)的同時(shí)，出臺(tái)相應(yīng)的規(guī)范。我國(guó)蒙皮效應(yīng)的計(jì)算參數(shù)的確定有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)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(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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(jié)構(gòu)中壓型板應(yīng)力蒙皮作用的分析[J].工業(yè)建筑，2002(5)：66- 68.

[6] 周 奎,胡孔國(guó).門式鋼架受力蒙皮抗剪性能試驗(yàn)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(jí)建造師

TU391

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