輕鋼結(jié)構(gòu)房屋蒙皮效應(yīng)及其應(yīng)用探討

吳啟霖

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與推進(jìn)，輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在建筑行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的壓型鋼板具有增大抗剪的能力，可以提高輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的整體性與延展性，適當(dāng)應(yīng)用該效果可以減少材料用量，帶來經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，這項技術(shù)在輕鋼應(yīng)用中還存在一定問題，還需要相關(guān)企業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與突破。文章從多個角度就輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行探究討論。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；蒙皮效應(yīng)；應(yīng)用

一、輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的基本原理

蒙皮效應(yīng)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(qiáng)度對建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用。蒙皮效應(yīng)的結(jié)構(gòu)概念來自于飛機(jī)和輪船行業(yè)。它是在縱橫肋上蒙上金屬薄板而形成的帶肋薄殼結(jié)構(gòu)，蒙皮與肋共同工作，蒙皮自身在其平面內(nèi)具有很大的拉、壓和剪切強(qiáng)度，且由于有肋的作用，蒙皮不會失穩(wěn)。蒙皮結(jié)構(gòu)具有較大承載力及剛度，而自重卻很輕。隨著建筑的規(guī)模以及數(shù)量在不斷的擴(kuò)大與增加，大量應(yīng)用于輕鋼結(jié)構(gòu)廠房、倉儲、高鐵站及機(jī)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(jié)構(gòu)中的壓型鋼板具有強(qiáng)度高、方便施工以及質(zhì)量輕等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用到圍護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的基本原理就是依據(jù)輕型鋼結(jié)構(gòu)中平面內(nèi)的承載能力，借助平向作用荷載迫使熔融金屬產(chǎn)生平穩(wěn)移動，減少外界因素對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

二、輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用分析

根據(jù)蒙皮效應(yīng)工作原理，結(jié)合生產(chǎn)實際情況與生產(chǎn)需求，可以使用不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。實際輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，壓型鋼板在宏觀上參與了受力，為剛架構(gòu)件分擔(dān)了一部分外荷載，同時在有良好連接的情況下為這些構(gòu)件提供了很好的側(cè)向約束和扭轉(zhuǎn)約束，改善了結(jié)構(gòu)的受力條件。特別對于受穩(wěn)定控制的薄壁剛架構(gòu)件和檁條構(gòu)件，蒙皮效應(yīng)尤為顯著。

由蒙皮效應(yīng)的工作機(jī)理可以看出，并不是所有的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造在設(shè)計時都可以考慮蒙皮效應(yīng)，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(yīng)。下面列舉我國的相關(guān)規(guī)范對輕鋼結(jié)構(gòu)房屋“蒙皮效應(yīng)”方面的應(yīng)用及要求。

《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》第4.1.9條提到：當(dāng)采用不能滑動的緊固件連接壓型鋼板及其支撐構(gòu)件形成屋面和墻面等維護(hù)體系時，可在單層房屋的設(shè)計中考慮受力蒙皮作用，但應(yīng)同時滿足一定的條件：

1）應(yīng)由實驗或可靠的分析方法獲得蒙皮組合體的強(qiáng)度和剛度參數(shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析和設(shè)計；

2）屋脊、檐口和山墻等關(guān)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(chǎn)生的內(nèi)力外，還必須考慮整體分析算得的附加內(nèi)力進(jìn)行承載力驗算；

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

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.1.2條提到：變截面門式剛架宜按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力，一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。但有必要且有條件時，可考慮屋面板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。相應(yīng)的條文說明解釋：面板視為承擔(dān)平面內(nèi)橫向剪力的腹板，四周的邊緣構(gòu)件視為翼緣，承擔(dān)軸向拉力和壓力。應(yīng)力蒙皮隔板應(yīng)主要用于抵抗風(fēng)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(dān)永久性外荷載。并強(qiáng)調(diào)要滿足下列條件方能將面板視為結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行應(yīng)力蒙皮設(shè)計。

1）面板除承擔(dān)主要功能外，只能用作為抗剪隔板抵抗其平面內(nèi)的位移；

2）這種隔板必須有縱向邊緣構(gòu)件，以承擔(dān)由于隔板作用引起的翼緣力；

3）屋面板平面內(nèi)的力，應(yīng)通過支撐系統(tǒng)、其他蒙皮隔板或抗側(cè)移方法傳至基礎(chǔ)；

4）應(yīng)采用適當(dāng)?shù)倪B接將隔板中的力傳至主剛架，隔板應(yīng)與取翼緣作用的邊緣構(gòu)件相連；

5）面板作為受力構(gòu)件處理時，不得將其隨意拆除；

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

滿足以上條件，蒙皮效應(yīng)可以用來傳遞板平面內(nèi)的水平力，在設(shè)計中加以利用。蒙皮效應(yīng)的作用如下：

1）在門式剛架中的屋面板用于抵抗山墻抗風(fēng)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(yīng)或支撐傳至基礎(chǔ)。

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(shè)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(chǎn)生側(cè)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，通過連接在檁條上的板，將消除此變位，面板蒙皮效應(yīng)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(nèi)有足夠剛度可對檁條上翼緣形成側(cè)向約束，減少了檁條的穩(wěn)定計算長度，大大提高了檁條的穩(wěn)定承載能力。

5）屋面蒙皮使各個平面剛架連成整體空間結(jié)構(gòu)，減少剛架側(cè)移。當(dāng)檐口較高，由柱頂側(cè)移控制結(jié)構(gòu)計算時，可帶來經(jīng)濟(jì)效益。

總之，蒙皮效應(yīng)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(wěn)定的建筑，可取代或部分取代屋蓋系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)效益；將山墻框架設(shè)計成全部簡支的小排架，且不設(shè)柱間支撐，對于邊墻，如果門窗開洞數(shù)量多，使蒙皮效應(yīng)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(tǒng)的設(shè)置，帶來一定經(jīng)濟(jì)效益；在檐口較高、由剛架側(cè)移控制設(shè)計時，可減小剛架側(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗彎曲能力。所以，蒙皮效應(yīng)指的是蒙皮板由于其抗剪切剛度對于使板平面內(nèi)產(chǎn)生變形的荷載的抵抗效應(yīng)。對于坡頂門式剛架，抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應(yīng)取決于屋面坡度，坡度越大蒙皮效應(yīng)越顯著；而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應(yīng)則隨著坡度的減小而增加。

由于蒙皮效應(yīng)的機(jī)理和作用條件及效果十分復(fù)雜，在實際工程設(shè)計中定量地應(yīng)用蒙皮效應(yīng)還有一定困難。輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在受到外界力的影響下，其受力機(jī)理十分復(fù)雜，起到蒙效應(yīng)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)大壓力或拉力，其鋼板會向內(nèi)擠壓或向外拉伸，輕型鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)在重力會發(fā)生變化，也就是說必須保證鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)在水平承受力與外部負(fù)荷重力必須符合房屋受荷的相關(guān)要求，才能保證建筑結(jié)構(gòu)的整體性與統(tǒng)一性。

三、對蒙皮效應(yīng)的影響因素分析

蒙皮效應(yīng)對應(yīng)用環(huán)境具有極高的要求，也就是說只有在特定的環(huán)境下才可以操作，并且保證生產(chǎn)效果，對所依附的建筑結(jié)構(gòu)形體、框架結(jié)構(gòu)等有著很高的要求。另外，并不是所有的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造在設(shè)計時都可以考慮蒙皮效應(yīng)，比如咬合式屋面板對主體結(jié)構(gòu)無法產(chǎn)生蒙皮效應(yīng)。

首先，蒙皮板厚度的影響。從應(yīng)用實踐來分析，增加蒙皮板厚度，可以提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力。但是由于我國對蒙皮效應(yīng)的研究力度不足、專業(yè)人才缺乏等原因，要想實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還需要進(jìn)一步探究，攻克一些技術(shù)性問題。所以，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)程沒有明確給出利用蒙皮效應(yīng)的條款，所有設(shè)計計算公式都忽略了蒙皮效應(yīng)，只是規(guī)定在有充分依據(jù)的條件下可以考慮蒙皮效應(yīng)。所以，忽略蒙皮效應(yīng)的設(shè)計方法有時能得到偏于安全的結(jié)果。考慮蒙皮效應(yīng)的設(shè)計方法并不僅僅具有經(jīng)濟(jì)上的意義，更重要的是可以使結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作狀態(tài)與實際工作狀態(tài)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(jié)構(gòu)相對比，得出框架長度對輕型鋼結(jié)構(gòu)的影響，并采取針對性措施保證鋼結(jié)構(gòu)在后期使用中的安全性與耐用性。研究表明，在斜屋面的結(jié)構(gòu)中，增加屋面的坡度可以減輕整體結(jié)構(gòu)的剛度，也就說不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向發(fā)生變形，但是對其內(nèi)在負(fù)荷有一定的影響。當(dāng)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(jié)構(gòu)承受豎向負(fù)荷的影響較小，也就是說在一定傾斜度內(nèi)，受力蒙皮作用對結(jié)構(gòu)承受水平負(fù)荷有一定的益處。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用的不斷完善，對我國建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性提出了嚴(yán)格要求。然而我國對于輕型鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的理論研究與實踐和研究還不夠成熟，在設(shè)計與實踐中缺乏完善的理論指導(dǎo)與規(guī)范依據(jù)，所以，我國必須加強(qiáng)對輕型鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)研究的高度重視，相關(guān)研究人員需要借鑒與學(xué)習(xí)英美等國際先進(jìn)成熟的研究成果，并且結(jié)合我國維護(hù)結(jié)構(gòu)材料的具體特征與實際發(fā)展需求，加強(qiáng)自身的技術(shù)水平，不斷突破與創(chuàng)新，盡快引進(jìn)先進(jìn)的輕型鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)理論體系，為我國結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定堅實基礎(chǔ)。

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（作者單位：北京北鐵建建筑工程有限公司）