復合材料的蒙皮效應研究

種慧景　王國軍

摘 要：隨著現代化進程的推進，和鋼產量的不斷提高，我國在輕鋼結構建筑領域取得了長足的發展，在低層民用住宅和低層廠房中得到了廣泛的應用。這不僅響應了我國限粘的政策，更貼合了可持續發展的方針，具有良好的社會意義。蒙皮效應在輕鋼結構中普遍存在，但其應用依然受到很多限制。文章所研究的復合材料的蒙皮效應對于輕鋼結構的推廣以及設計有一定的參考價值。

關鍵詞：復合材料；輕鋼結構；蒙皮效應

與傳統的鋼筋混凝土結構相比，輕鋼結構具有制作簡單、安裝方便、施工速度快的優點，并且節能、綠色環保、可循環利用。變更傳統的住宅建筑理念，實現住宅產業化、現代化，是我國國情的基本要求。

隨著輕鋼結構在我國的迅速推廣，出于對建筑節能和環保的考慮，圍護材料僅使用壓型鋼板已不能滿足房屋的舒適性要求。壓型鋼板較薄，不能起到良好的保溫、隔熱作用，而夾芯板恰好彌補了這一缺點。夾芯板是由兩層成型金屬面板（或者其他材料面板）和直接在面板中間發泡、熟化成型的高分子隔熱內心組成的，具有良好的整體性和優異的材料性能，輕質、高強、抗震、防水、美觀。

1 復合材料夾芯板的蒙皮效應

蒙皮結構主要由三部分組成：框架構件、蒙皮板和連接件。當夾芯板與檁條及板與板之間通過不同的緊固件可靠連接時，夾芯板與鋼骨架即可協同工作，提高建筑結構的空間剛度和穩定性，能夠有效地傳遞夾芯板平面內的剪切力，進而可取代或部分取代屋蓋體系支撐間的縱向系桿，減少屋面橫向水平支撐。下面以一3層冷彎薄壁型鋼密肋結構體系住宅為例進行詳細闡述。該工程的有限元模型如圖1和圖2所示。

考慮蒙皮效應與不考慮蒙皮效應，結構在X、Y、Z三個方向上的最大位移對比見表1。

根據最不利荷載工況，在有限元模型中施加荷載并求解，得裸鋼骨架和布置蒙皮兩種情況的位移圖，如圖3-圖6所示。

從圖中可以看出，僅一層結構處Y方向出現了較大的撓度，原因在于此處屋面梁跨度大，為6.6m，蒙皮板于框架間的連接件布置較稀疏，另外屋面是上人屋面，荷載取值也大。布置蒙皮后，結構Y方向位移降低了53.10%，更加趨于安全。表1表明，加有蒙皮的結構比裸鋼骨架在X、Y、Z三個方向的位移均有明顯減小，其中以X方向最為突出，由-0.003147m降低到-0.000382m，降低幅度達87.86%。水平位移主要受水平荷載影響，在該模型中風荷載從X的負方向吹向X的正方向，在該軸上產生了同向的作用力，考慮蒙皮效應后，結構側移得到極大改善。蒙皮效應使房屋的受力性能被改變，所以對于某些輕鋼結構如要真實地反映工程實際狀況需在設計中考慮蒙皮效應的影響。

2 蒙皮效應的影響因素

2.1 夾心板厚度對蒙皮效應的影響

夾芯板是一種復合材料，面板和芯材的厚度不同蒙皮效應所體現的效用也不同，為研究其影響文章選擇了四種不同的夾芯板，其一，面板厚0.5mm，芯材厚85mm；其二，面板厚0.5mm，芯材厚90mm；其三，面板厚0.5mm，芯材厚95mm；其四，面板厚0.8mm，芯材厚85mm。通過有限元模型計算分析，得出結構在上述各種情況下的最大位移值，其統計結果如表2所示。

從表2容易看出，不論是增加芯材的厚度，還是增加內、外面板的厚度，結構在X、Y、Z三個方向上的最大位移均有所減小，進而可以得出結論，增加復合材料蒙皮板的厚度可以降低結構的位移值，使結構剛度得到一定程度的提高。縱向對比，復合材料蒙皮板板厚為（0.8+85+0.8）mm時，結構各方向位移減小的幅度最大，因此增加內、外面板的厚度比增加芯材的厚度效果更好。橫向對比，Y方向上位移減小的幅度較大，X方向次之，Z方向保持不變。總體來說，雖然位移值都得到了一定程度的降低，但其調整幅度都限制在較小的范圍內，由此可以說明，增加復合材料蒙皮板的厚度能夠提高結構的整體剛度，這種提高并不會大大改善結構的抗變形能力，在實際工程應用中應根據情況選用較為經濟合理的厚度。

2.2 連接方式對蒙皮效應的影響

蒙皮板與框架之間的連接狀況對能否考慮蒙皮效應及蒙皮效應的作用大小有很大影響，是輕鋼結構設計中應著重考慮的內容。從圖3和圖4可知，僅一層的結構處屋頂位移最大，為考查蒙皮連接間距對蒙皮效應的影響，現改變此處連接件的間距，其他條件保持不變，以增加可比性。

減小連接件間距后，結構在Y方向上最大位移值對比如表3。

由表3和表4可以看出，結構Y方向上的最大位移值由-0.014528m減小為-0.007622m，減小了47.5%；結構的最大等效應力由原來的163MPa降到104MPa，降幅為35.4%。可見，連接件數量的增加使蒙皮板與框架的連接更加可靠，蒙皮效應發揮的作用愈加明顯。設計中一旦考慮蒙皮效應，必須嚴格按照規范規程嚴謹操作，確保蒙皮與框架的可靠連接及荷載的有效傳遞，并且是后期使用及維護過程中不能隨意拆除連接件和蒙皮板。

3 結語

第一，蒙皮與框架可靠連接可以增加結構的剛度，提高抗側移的能力，同時還能夠改善框架結構的強度。

第二，蒙皮厚度愈大蒙皮效應愈顯著，并且增加內、外面板的厚度比增加中間芯材的厚度更有效，實際使用時應根據具體情況確定合理的面層、芯層厚度。

第三，連接件的數量和布置方式對蒙皮效應有很大影響，連接件間間距愈小，蒙皮與框架結構的整體性能就愈好，所發揮的蒙皮作用就愈明顯。

參考文獻

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作者簡介：種慧景，女，河南商丘人，碩士，河南省眾慧電力工程咨詢有限責任公司。