輕型鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用分析

李碩

華北水利水電大學（450045）

輕型鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用分析

李碩

華北水利水電大學（450045）

這里主要介紹了蒙皮效應(yīng)的相關(guān)概念，通過對比國內(nèi)外蒙皮效應(yīng)應(yīng)用的發(fā)展研究，分析了國內(nèi)在蒙皮應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展滯后的相關(guān)因素，提出了一些相應(yīng)的改進措施，具有一定的現(xiàn)實與經(jīng)濟意義。

輕鋼結(jié)構(gòu)；蒙皮效應(yīng)；應(yīng)用分析

輕型鋼結(jié)構(gòu)通常由組合蒙皮板和主體框架組成。在目前應(yīng)用比較廣泛的輕鋼及其圍護結(jié)構(gòu)中，壓型鋼板以其輕巧、高強度、美觀、安裝便捷等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，不僅用于工業(yè)廠房等很多工業(yè)建筑，而且很多民用建筑也用它作屋面板和墻板等圍護結(jié)構(gòu)。

1 蒙皮效應(yīng)的概念及其工作原理

蒙皮效應(yīng)是指在建筑物的表面覆蓋材料(屋面板和墻板)，利用覆蓋材料自身的剛度和強度對建筑物整體剛度進行加強。蒙皮效應(yīng)的原理：圍護板與檁條、板與板之間通過緊固件連接起來,形成了以檁條作為其肋的一系列隔板，這種板在平面內(nèi)具有相當大的剛度，類似于薄壁深梁中的腹板，檁條類似于薄壁深梁中的加勁肋，板的四周連接墻梁或檁條類似于薄壁深梁中的翼緣。這種構(gòu)造具有蒙皮效應(yīng)的功能，可以用來傳遞板平面內(nèi)的剪力，承受板平面內(nèi)的各種荷載作用。

根據(jù)蒙皮效應(yīng)的工作原理，蒙皮構(gòu)造必須滿足以下條件：

板的周邊與墻梁或檁條固定連接；

四周的構(gòu)件與板的連接強度須能夠傳遞板平面內(nèi)和平面外的荷載；

蒙皮面板的抗剪承載能力取決于板的材性、板型、板厚、檁條剛度與間距、連接構(gòu)造與自攻螺釘?shù)膹姸群筒贾妹芏鹊取?/p>

2 蒙皮效應(yīng)的研究狀況

從20世紀50年代國外學者發(fā)現(xiàn)了建筑中圍護體系的蒙皮效應(yīng)后，國內(nèi)外許多的專家學者就開始對蒙皮問題進行了系統(tǒng)、深入的研究。

2.1 國外研究狀況

1955年,美國康奈爾大學的Winte對不同板型、板跨的50多個足尺蒙皮體進行了蒙皮性能試驗，研究板型、板跨等參數(shù)變化對蒙皮性能的影響，試驗為以后的研究提供了大量數(shù)據(jù)，為受力蒙皮問題的研究及應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

美國Luttrell對焊接連接和螺釘連接的受力蒙皮進行了大量試驗，提出了估算受力蒙皮剛度的半經(jīng)驗公式。

1968年，Bryan在大量試驗研究基礎(chǔ)上，提出了蒙皮剪切柔度和剪切剛度的計算方法和公式。

2.2 國內(nèi)研究狀況

我國在這方面的研究比較晚。近二三十年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的增長，壓型鋼板及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以壓型鋼板作為圍護體系的鋼結(jié)構(gòu)建筑逐漸得到了推廣，這為我國對于壓型鋼板應(yīng)力蒙皮效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)。

1985年，哈爾濱建筑工程學院張耀春教授對V-115壓型鋼板進行了蒙皮基本性能試驗研究。1987年,在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范管理組的支持下,成立了冷彎型鋼蒙皮結(jié)構(gòu)研究課題組，分別在哈爾濱建筑工程學院、南京建筑工程學院、重慶建筑工程學院和冶金部建筑研究總院開展試驗研究工作。

張耀春教授的科研團隊陸續(xù)對蒙皮效應(yīng)問題進行了一系列的研究，研究了自攻螺釘連接的受力蒙皮組合體的平面抗剪性能，進行了大小尺寸試件的對比試驗，提出了非對稱受力模型概念，并給出了強度和剛度的簡化公式。武振宇等采用懸臂梁試驗對多跨檁條的蒙皮體性能進行了試驗研究，研究檁條數(shù)量對蒙皮體抗剪強度的影響，提出了分析邊部板件應(yīng)建立非對稱受力模型的建議[1]。

3 蒙皮效應(yīng)在工程中的應(yīng)用

近幾十年來，各發(fā)達國家都相繼出版了自己的蒙皮設(shè)計規(guī)程，在許多工程實踐中蒙皮設(shè)計都得到了成功的應(yīng)用。

我國在蒙皮效應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域雖然起步較晚，但也有一些具有參考價值的工程應(yīng)用,如我國于1974年在鞍鋼1 700 m2軋機工程中首次采用壓型鋼板作為廠房圍護結(jié)構(gòu)；東南大學和南京市建筑設(shè)計研究院設(shè)計的南京市圖書新館鋼屋蓋桁架,跨度為64 m，桁架上、下弦軸線高度僅1.1 m。

4 國內(nèi)在蒙皮效應(yīng)應(yīng)用中存在的問題

我國在蒙皮效應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的研究開展較晚，相關(guān)的規(guī)范制定還不成熟，維護體系蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用在國內(nèi)發(fā)展相對緩慢，主要有下列原因[2]：

目前，國內(nèi)很多專家學者對蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用研究只限于理論上的理解，對于蒙皮效應(yīng)的實際應(yīng)用的設(shè)計理念、施工技術(shù)、使用維護等沒有具體的操作方法和技術(shù)。國內(nèi)設(shè)計師一致認為，蒙皮效應(yīng)是不能量化的，只能是結(jié)構(gòu)偏安全的一種考慮，雖然認為蒙皮效應(yīng)是存在的，但在計算中不能考慮其對柱平面外的有利作用，現(xiàn)在無法考慮蒙皮能起多大的作用，結(jié)構(gòu)還是相對安全點好。這一保守觀點，限制了蒙皮效應(yīng)在輕型鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作與實際工作狀態(tài)不一致。

目前,常見的壓型鋼板厚度為：0.75 mm、0.9 mm、1.2 mm幾種，國內(nèi)能夠加工的最大厚度為1.5 mm。國內(nèi)的冷彎C型鋼，壁厚一般在3 mm以上。壁厚越小，單價越高，特別是壁厚小于1.5 mm的鍍鋅冷彎薄壁型鋼大部分依靠進口，這樣材料成本增加,不利于輕型鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，更不利于蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用。

相關(guān)研究的組織性、系統(tǒng)性不強。一部分研究人員的研究目的并非是推廣蒙皮效應(yīng)的應(yīng)用，而是為了申請職稱或?qū)W位，此類型的研究沒有深入性和后繼性，而且缺乏系統(tǒng)性。沒有一個相應(yīng)的權(quán)威機構(gòu)或組織對該方面的試驗研究和理論研究進行支持和組織。

5 結(jié)語

輕型鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)是值得結(jié)構(gòu)工程界及廣大結(jié)構(gòu)工程師注意的一個很重要的問題。在我國，鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)研究無論在理論方面還是試驗方面都不夠成熟,運用于設(shè)計實踐更是缺乏規(guī)范依據(jù)。近二三十年來，我國研究人員在充分借鑒國外較為成熟的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的維護結(jié)構(gòu)材料開展了大量富有成效的試驗與理論分析工作，為應(yīng)力蒙皮效應(yīng)的設(shè)計方法盡快引入工程的具體設(shè)計實踐奠定了一定的學術(shù)研究基礎(chǔ),但其中仍存在很多的不足，有關(guān)方面尚需完善。

[1]張新中,殷曉三,祁術(shù)洪.蒙皮效應(yīng)在輕鋼建筑中的應(yīng)用分析[J].深圳土木與建筑,2009(3).

[2]何剡江.蒙皮效應(yīng)在輕鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[D].杭州：浙江工業(yè)大學,2007.