蒙皮效应在轻钢结构设计中应用

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1、蒙皮效应在轻钢结构设计中应用　　摘要：本文阐述了蒙皮效应的工作机理、构造条件以及影响蒙皮效应的各种因素，并阐明了在具体结构设计中应注意的各种事项关键词：蒙皮效应工作机理影响因素中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：一、引言轻钢建筑具有自重轻、工业化程度高、结构抗震性能好、综合效益优良等优点，因而被广泛应用到工程建设中。屋面板和墙面板等围护体系相对于轻质的主体结构有着不可忽视的作用，当围护体系(主要指屋面板和墙面板)与主体框架结构具有可靠连接时，围护体系就会产生一定的平面内抗剪强度及抗剪刚度，与主体框架结构共同协调作用承担荷载，可以有效加强结构整体刚度，这

2、种效应我们称之为蒙皮效应。围护体系中能产生蒙皮作用的最小单元称为蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。考虑蒙皮效应不仅使工程造价更加经济，而且更符合建筑结构实际受力状态，使得结构设计更为合理。二、蒙皮效应的工作机理9在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其

3、抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加，见图1所示。图1蒙皮效应虽然围护结构受力蒙皮效应最初是在考虑坡屋顶门式刚架结构的力学性能时发现的。然而对于平屋顶结构，屋檐标高处的侧向荷载直接施加在屋面板平面内，因而屋面板能够如上面提到的深梁一样，凭借应力蒙皮作用，有效地承受此种水平荷载。这种形式的受力蒙皮作用非常明显，以致有可能完全依靠屋面板来保证其结构的稳定性，而无需刚接框架或设

4、置抗风支撑。这种受力蒙皮作用的效果取决于在山墙面的构造措施及其刚度。9平屋顶结构在承受竖向荷载时，受力蒙皮作用并不明显，由此可得出一个重要的总原则:受力蒙皮作用对于抵抗蒙皮板平面内的荷载十分有效，而对于垂直于蒙皮板的荷载几乎不起作用。因此对于坡屋顶框架结构，由于屋面坡度一般较小，受力蒙皮作用对于抵抗结构上的侧向荷载十分有效，而对于竖向荷载，受力蒙皮作用有效的程度取决于屋面的坡度，坡度减小，受力蒙皮作用也相应减弱。三、应用蒙皮效应的构造要求要使蒙皮板能与结构有效地产生受力蒙皮作用，建筑物的蒙皮构造必须满足以下的要求:(1)应当设置合适的构件和连接件，以便把蒙皮作

5、用产生的内力传导到主体结构框架上，最后传递给基础。(2)每块屋(墙)面板的两端均应直接固定在周边构件上，其固定方法可以采用焊接或通过自攻螺钉、射钉、螺栓或其它紧固件，在使用期间紧固件不得松动，并在覆面材料撕裂前不得出现剪切破坏。所有这些紧固件均应穿过波谷固定，并应将面板直接紧固在周边构件上。不宜采用靠摩擦传递剪力的钩头螺栓或其它紧固件。(3)沿蒙皮板的跨度方向，所有板均应设有足够的边缘构件，这些构件及其连接应具有足够的强度，能承担蒙皮作用产生的翼缘内力。9一般情况下，常规的蒙皮结构根据应力蒙皮与框架的不同作用形式可分为两种:一种是完全依靠蒙皮作用来保证结构的稳

6、定性，这类蒙皮结构的典型的结构形式是低层、平屋顶结构，因结构的梁柱节点刚度较差，当没有适当的柱间支撑时，结构的稳定性完全依赖蒙皮作用；另一种是应力蒙皮与刚架共同作用，这类结构形式应用较为普遍，荷载由刚架和蒙皮板共同承担。因此，在同样条件下可以比不考虑蒙皮效应的结构节省材料。在以下几类典型的情况中，蒙皮效应的作用特别明显:(l)刚架柱的截面尺寸主要由侧向荷载决定的门式刚架。(2)对于较高的坡屋顶结构，特别是有吊车的情况下，侧向位移对结构的安全性是起决定性作用的。(3)对于高度较高，平面布置为长条型的建筑在风荷载作用下，中间框架的位移将明显大于山墙的侧向位移，如果

7、不考虑蒙皮作用，中间框架的内力将会很大。(4)对于有吊车的结构，由于小车的制动作用对框架产生集中荷载，由于蒙皮作用，集中荷载会被分配到相邻的框架。四、蒙皮效应的影响因素影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个：蒙皮板本身的变形刚度、连接件的变形刚度及边缘构件的轴向变形刚度。一般而言，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。在屋面板型选中后，连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。从BS5950(1994)9规程中计算屋顶蒙皮板柔度的公式可以看出，蒙皮板的厚度与其柔度关系紧密，在柱顶水平荷载作用下，随着蒙皮板厚度的增加，中柱和边柱的柱顶侧

8、移线性减小，因此，增加蒙皮板厚度对提高