【结构学院】应力蒙皮效应是怎么回事?在钢结构工程设计中如何应用?

来源：钢结构技术资讯（id：nmgbaoye）

由于屋面与檐檩、脊檩(以及中间檩条)牢固连接,墙面与墙梁牢固连接,檩条和墙梁又与刚架构件牢固连接,因而屋面和墙面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板(图1),将仅能承受平面作用的单个刚架连成整体,从而提高刚架结构的整体刚度,有效减小结构的实际位移;围护板的应力蒙皮作用极大地提高了冷弯薄壁型钢檩条/墙梁的整体稳定,亦因此使隅撑冷弯薄壁型钢檩条/墙梁体系可作为刚架构件受压翼缘的侧向支承点。

(图1a)表示有蒙皮围护的小坡度双坡顶门式刚架体系在水平风荷载作用下的变形情况,整个屋面像平放的深梁一样工作,脊檩、檐口檩条类似上、下弦杆,除受弯外,还承受轴向压、拉作用.

为把风荷载传给基础,山墙处可设置墙梁蒙皮体系,也可设柱间交叉支擦。(图1b)表示有蒙皮围护的山形门式刚架体系,在竖向屋面荷载作用下的变形情况。两侧屋面类似于斜放的深梁受弯,屋脊受压,檐口檩条受拉。为保证受力蒙皮作用,山墙处应在檩条端头设置沿屋面坡度的边缘构件,当承受水平风荷作用时,也有类似于(图1a)的受力情况。因此,脊檩、檐口檩条和山墙部位是构成屋面整体蒙皮作用的关键部位,设计中应予重视。

《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定:当采用不能滑动的连接件连接压型钢板及其支承构件形成屋面和墙面的围护体系时,可在单层房屋的设计中考虑受力蒙皮作用,但应同时满足下列要求:

1、应由试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载产生的内力外,还必须考虑由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。

《冷弯薄壁型钢结构技术规范》指出:现场实测表明,具有可靠连接的压型钢板围护体系的建筑物。其承载能力和刚度均大于按裸骨架算得的值。这种因围护体系在自身平面内的抗剪能力而加强了的结构整体工作性能的效应称为受力蒙皮作用,或称为蒙皮效应。考虑受力蒙皮作用不仅能节省材料和工程造价,还能反映结构的真实工作性能,提高结构的可靠性。

连接件的类型是发挥受力蒙皮作用的关键。用自攻钉、抽芯铆钉和射钉等紧固件可靠连接的压型钢板和檩条、墙梁等支承构件组成的蒙皮组合体具有可观的抗剪能力,可发挥受力蒙皮作用。采用挂钩螺栓等可滑移的连接件组成的组合体不具有抗剪能力,不能发挥受力蒙皮作用。

受力蒙皮作用的大小与压型钢板的类型、屋面和墙面是否开洞、支承檩条和墙梁的布置形式以及连接件的种类和布置形式等因素有关,为了对结构进行整体分析,应对上述各部件组成的蒙皮组合体(包括开洞的因素在内)开展试验研究,确定相应的强度和刚度等参数。

由于考虑受力蒙皮作用,压型钢板及其连接等就成了整体受力结构体系的重要组成部分,不能随便拆卸。

《门式刚架轻型房屋钢结构规法范》中说明:由于有关屋面板抗剪性能和板与构件螺栓连接性能的资料尚不充分,因此目前尚不宜考虑应力蒙皮设计,但这并非限制利用蒙皮效应。考虑应力蒙皮效应只适用于面板为钢板的情况,此时屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板。隔板的作用是,通过其刚度和受剪承载力来提高刚架结构的整体刚度和承载力,相当于交叉支撑的作用,见（图2）。屋面板可按沿房屋全长伸展的深梁处理,用来承受平面内荷载并将其传至端部山墙或中间刚架。面板可视为承受平面内横向剪力的腹板,其边缘构件可视为翼缘,承受轴向拉力和压力。

与此类似,外形为矩形的墙板也可按平面内受剪的支撑系统处理。

《门式刚架轻型房屋钢结构规法范》条文说明规定了将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计的各项条件。应力蒙皮作用主要是提高结构的整体刚度和承载力,而在设计中主要考虑它提高刚度,一般未利用其提高承载力的功能

参考国外的试验结果和工程实践,对目前工程上常用的面板的蒙皮效应作了计算分析,结论是:

(1)在轻钢结构中利用面板的蒙皮效应,可节省大量支撑、支撑间纵向系杆,具有极好的经济效益

(2)面板的蒙皮效应取决于板的材质、板型、板厚、檩条刚度和间距、连接构造和自攻螺钉的强度和布置密度等。要利用面板的蒙皮效应,必须依据同类板的试验结果,并锁定其条件,使实际工程与试验情况相符合,否则不可利用;

(3)面板与檩条直接用自攻螺钉连接的构造,其蒙皮效应远大于通过固定支架间接连接的构造做法的蒙皮效应,一般情况对前者可利用其蒙皮效应,对后者则不宜采用  

如上所述,面板的“隔板”作用相当于混凝土剪力墙,起交叉支撑的作用,见（图2）。

要将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计需要对每个实际工程根据其具体条件进行试验,这在事实上不太可能。不过从上述的概念介绍,我们能够了解,面板的蒙皮效应实际上是考虑面板起交叉支撑的作用,按照这个概念,设置屋盖支撑同样可以起到“隔板”的作用。设计中通常在房屋的短方向布置刚架,由于刚架的侧向刚度小,属于平面结构,屋盖支撑体系把各榀刚架连成整体,有效地提高结构的整体刚度,见（图3）。对于采用咬合式或扣合式压型钢板作屋面板的情况,由于屋面板可随温度自由伸缩,此时其屋面的“隔板”作用非常小或不确定,不能利用屋面蒙皮效应,采用屋盖支撑体系加强屋盖整体刚度是设计中常用的手段。    

门式刚架轻型钢结构房屋采用的屋面板有搭接式、扣合式和咬合式,搭接式有螺钉贯穿的和螺钉不贯穿的,它们在水平力作用下的受力各有特点,侧向刚度互不相同。由于咬合式屋面压型钢板可沿垂直于檩条的方向移动,因此有人认为此时面板将不存在蒙皮效应,但MBMA的抗震设计指南指出,金属房屋的传统设计方法,是无论房屋的大小或形状,或竖向构件的形式和相对刚度如何,任何构造的压型钢板屋面都可视为柔性横隔。在大多数情况下,此假设是相当正确和适合的。典型的金属房屋在平面上接近方形或矩形,采用搭接式或咬合式屋盖的较多,横向有很多刚架,纵向在若干柱间设置圆钢支撑,可以认为它是符合柔性横隔要求的。