[作者简介：庞林飞（1979－ ），男（汉族），江苏南京人，工学硕士，一级注册结构工程师。]*
　　 [摘 要] 初步探讨了轻钢结构中蒙皮效应的作用机理及其应用,讨论了不同板型及构造对蒙皮效应的影响。并通过一个算例来说明不同压型钢板的蒙皮作用。
　　[关键词] 轻钢结构压型钢板蒙皮效应
　　1 前言
　　 在生活实践中，我们有这样的经验：用四根木条钉成一个矩形框架，在其一组对角上施加一对方向相反的力，我们可以观测到框架在其平面内的明显变形。但是在框架上钉上一块夹板之类的薄板后，我们发现框架在其平面内形成一片刚度很大的盘体，在上述力的作用下，其变形微乎其微。这就是蒙皮效应。
　　 在轻型钢结构单层房屋中，屋面和墙面采用压型钢板，并通过可靠的连接件固定在结构的横向框架和纵向联系构件上时，可以将其作为应力蒙皮对待，并按有关规定，在结构分析中考虑其平面内的强度和刚度。影响蒙皮效应的因素很多。主要有结构布置，剖面形式，板材类型,板材开孔率，纵向联系构件(檩条和墙梁)类型,连接材料和构造,边缘纵向构件(檐口檩条)的刚度等。鉴于试验费时费工，目前国内设计尚未普遍采用蒙皮效应的设计方法。
　　2 蒙皮效应的机理和作用
　　 结构的应力蒙皮效应是指屋盖系统(包括屋面材料和檩条)参与共同工作的一种作用，其作用可体现在两个方面，一是它在平面内的抗剪作用，二是它在平面外的抗弯作用, 这两种作用不仅与屋面材料和檩条本身的刚度有关，而且和轻质屋面板与檩条的连接以及檩条与刚架的连接有很大的关系，即连接的好坏和连接螺钉的疏密直接决定着蒙皮效应的大小。目前在工业厂房设计中，结构体系被简化成平面结构，所有的外载全由刚架来承担，其应力蒙皮效应和空间作用没有被考虑，很显然，这一处理加大了刚架结构所承担的荷载，造成设计截面尺寸偏大。有些仓库式轻钢工业厂房甚至不设置檩条，采用大型彩色夹层压型钢板直接与刚架梁上翼缘连接。
　　 现代轻钢结构中的围护系统主要采用各种不同类型的压型钢板或夹芯钢板，这些围护板与檩条及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了以檩条为其肋的一系列隔板。这些板在平面内具有相当的刚度，类似于深梁中的腹板；檩条类似于深梁中的加劲肋；板的四周连接墙梁或檩条类似于深梁中的翼缘。这种构造具有蒙皮效应功能，可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用，而在传统的钢结构设计中一般不考虑蒙皮效应。围护板蒙皮效应的大小将取决于围护板的具体构造。
　　 根据蒙皮效应的工作原理，蒙皮构造必须满足以下诸条件：
　　板的四条周边与墙梁或檩条固定连接；
　　四周的构件与板的连接强度需能够传递板平面内和平面外的荷载；
　　设蒙皮处于纯剪状态，作用于蒙皮两个方向上的平均剪应力相等，故板在两个方向的连接抗剪能力应相等，或者说，由较弱方向的抗剪能力决定其整个抗剪能力；
　　蒙皮面板的抗剪承载能力取决于板的材质、板型、板厚、檩条钢度和间距、连接构造及自攻螺钉的强度和布置密度等。
　　 考虑蒙皮效应,在设计中需满足如下假定及规定：
　　蒙皮作为深梁腹板起抗剪作用，其弯曲变形和弯曲约束忽略不计；
　　设计中必须按试验所依据的同等条件下的蒙皮构造，规定其设计构造要求；
　　设计中一旦考虑了蒙皮效应，必须严格规定建筑物在使用期间不得拆除围护板。
　　 满足以上条件,蒙皮效应可以用来传递板平面内的水平力,蒙皮效应的作用如下：
　　 (1)屋面板可抵抗山墙抗风柱传来的水平荷载，将其传递至檐口处，再通过墙面蒙皮效应或支撑传至基础；
　　 (2)在山墙面，利用墙板抗剪蒙皮作用后，可将山墙面框架设计成排架；
　　 (3)在竖向重力作用下，屋面檩条会产生侧弯曲和扭转变形，通过连接在檩条上的板，将消除此变位，面板蒙皮效应将其剪力传至檩条与屋面梁连接处，再通过檩条与屋面梁连接件传至各个屋面梁上；
　　 (4)板平面内具有足够刚度，可对檩条上翼缘形成侧向约束，减少了檩条的稳定计算长度，大大提高檩条的稳定承载能力；
　　 (5)屋面蒙皮使各个平面刚架连成整体空间结构，减少刚架侧移。当檐口较高，由柱顶侧移控制结构计算时，可带来经济效益。
　　3 板型及构造对蒙皮效应的影响
　　 确定一个面板的蒙皮效应值需涉及的因素很多、很复杂，在实际工作中应用蒙皮效应就更困难了。目前作为国家规范或地方规程最多只能给出一个定性的设计原则，给不出定量的设计指标。蒙皮抗剪承载力要靠试验研究来确定。对此美国某公司对PR、VR、SL、SSR等板型已有了试验成果，见表1、表2。
　　
　　
　　注：1)自攻螺钉规格为#12—14，缝合钉规格为#1/4—14。
　　 2)板的刚度(设为Ｇ)定义为在板端连接处剪切变形每1ｍｍ所需外力；
　　 3)SL-1板:每块板在檩条处配一个隐藏式螺钉，实际上每块板仅在一侧有自攻螺钉连接在檩条上，另一侧扣合在另一块板上；
　　 4)SL-2板指在板的每个跨中处增加一个缝合钉以增强板侧边搭接的结合力；
　　 5)板材屈服强度均为350Ｎ/m㎡。
　　由表1，2的结果比较可以看出：
　　 板边界连接抗剪承载力与自攻螺钉布置密度成正比，与板厚成正比；
　　 PR板两端头自攻螺钉分布密度大，分别钉在波肋的两侧，板的抗剪刚度Ｇ最大，允许的蒙皮效应设计值也最大；
　　 SSR板不直接与檩条相连，仅在檐口处打自攻螺钉直接连在檐口檩条上，且SSR考虑温度伸缩滑移,因此抗剪刚度Ｇ最小，蒙皮效应也最小；
　　 SL-1板仅一侧有自攻螺钉直接钉在檩条上，另一侧扣合在旁边板上，且两端头自攻螺钉密度最小，因此板抗剪刚度Ｇ大为降低，SL-2板在每个檩条间距的跨中增加一个缝合钉，增强了板侧边的搭接结合力，抗剪刚度大大增强，蒙皮效应设计值也有所提高。
　　4 蒙皮效应的作用举例
　　 那么蒙皮技术到底能起到多大的作用呢？我们引用文献[2]中一个常规尺度的轻钢结构建筑的计算数据为例，来具体比较说明上述蒙皮效应的5个作用。
　　 假定一个轻钢结构长120ｍ，宽48ｍ，柱距8ｍ，檐高9ｍ，坡度1∶10，基本风压0 55KＮ/㎡，按文献[1]的计算规则换算为50年一遇的3min平均风速，对应的基本风压为0 55×1 46=0 8KＮ/㎡,体形系数按文献[1]取值，如图1所示。计算分析所得数据见表3。
　　
　　
　　图1山墙面风荷载体形系数
　　表3不同板型的蒙皮效应比较
　　计算荷载 山墙上檐口风荷载Q=83.8KN 端框架檐口风荷载Q=17.3KN 多跨连续檩条倾覆力P=0.67KN 构件侧向支撑所需的剪力Q=1.03KN 门式刚架柱顶位移Δ≤H/75＝120mm
　　板型 屋面板整体蒙皮效应 端框架墙面蒙皮效应 抗 檩 条 倾 覆效应 抗檩条侧向约束 减小刚架平面内柱顶侧移的作用
　　PR 226 KN>Q 76.7KN>>Q 7.53KN>>P 7.53KN>Q 78mm<Δ
　　VR
　　SL-1 21.96KN>Q
　　SL-2
　　SSR 60KNP 2376mm>>Δ
　　
　　 从表3的数据比较中可以得出如下结论：
　　 1)PR板可以用作屋面板，也可以作墙面板，它具有以上5种作用，在设计中加以利用，可以节省支撑体系，省去纵向通长压杆，节省拉条，当檐口较高，由柱顶侧移控制结构计算时，还可以减小主刚架的位移；
　　 2)SSR板仅用作屋面板，在构造上具有肋向温度自动伸缩功能，因此其蒙皮效应远低于PR板，除在作用3中(抗檩条倾覆作用)慎重考虑其使用外，其他方面均不应考虑其作用；
　　 3)VR板和SL板仅用作墙面板，由于其隐藏式自攻螺钉连接方式，蒙皮效应低于PR板，在考虑山墙面的蒙皮作用时应慎重,对待其他作用不涉及，不用考虑。
　　 此外，墙面板应直接支承在地面上或矮墙上，不应悬挂在墙梁上，由板的蒙皮效应将其自重传至墙梁与柱的连接处。
　　5 结论
　　 轻钢结构受力蒙皮技术研究和应用的实际意义在于充分发挥压型钢板蒙皮的潜在承载特性，使结构整体作用的设计更加合理并符合实际，从而获得加强结构空间刚度、降低结构用钢量等方面的使用效益和经济效益。综合上述讨论，我们可以得到以下几点结论：
　　 (1)在轻钢结构中利用板的蒙皮效应，可节省大量支撑、支撑间纵向系杆，具有极好的经济效益。
　　 (2)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)板与檩条直接用自攻螺钉连接构造的蒙皮效应远大于通过支架间接连接的构造的蒙皮效应，一般情况对前者可利用其蒙皮效应，对后者则不宜采用。
　　 (4)对于檐口较高的建筑或高层钢结构来说，利用屋面板蒙皮效应能有效提高结构的整体刚度，并有效控制高层结构的侧移。
　　 (5)由于压型钢板形成的蒙皮在其平面内具有一定的抗剪能力。当压型钢板与钢构件良好连接时,这种抗剪能力可以为构件提供有效的侧向支撑作用。另外压型板还可为构件提供一定的扭转约束。压型钢板提供的侧向支撑和扭转约束作用可以增加构件的稳定性,提高构件的承载能力。
　　
　　 參考文献
　　 [1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102：98)，1999。
　　 [2] 陈友泉，王彦敏。轻钢结构蒙皮效应的应用探讨。建筑结构第32卷第2期，2002。
　　 [3] 轻型钢结构设计指南(实例与图集)。中国建筑工业出版社，2000。
　　 注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。