论文部分内容阅读
摘要：蒙皮效应是指在建筑物表面覆盖屋面和墙面利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度加强作用。考虑蒙皮效应的轻钢结构的设计不仅使结构的受力更加符合实际情况，还可以获得相当的经济效应。因此，开展轻钢结构蒙皮效应的系统研究，具有十分重要的理论和工程应用价值。本文介绍了蒙皮效应的作用机理、产生条件，分析了影响钢框架中蒙皮效应的若干因素。通过分析，得出一些有价值的结论：影响蒙皮结构力学性能的最主要因素是连接件的力学性能及其设置情况，其余影响因素一般通过影响连接件的力学性能及设置情况，从而达到影响蒙皮结构力学性能的效果。这些结论对轻钢结构设计中考虑蒙皮效应具有一定的参考价值。
关键词：钢框架；蒙皮效应；影响因素
Abstract: This paper describes the skin effect in the mechanism of action and conditions, the skin effect of a number of factors affect the steel frame. Through analysis, to draw some valuable conclusions: that affect the mechanical properties of skin structure most important factor is the mechanical properties of the connection and its settings, and other influencing factors are generally by the mechanical properties and settings of the connections, so as to achieve the impact skin mechanical properties results. These conclusions consider the skin effect in the light steel design with a certain reference value.Key words: steel frame; the skin effect; influencing factors
中图分类号：TU392.5文献标识码：A
引言
在一般的轻型钢结构设计中，压型钢板只作为建筑屋、墙面的围护结构，而不考虑其参与结构体系的共同工作。实际上，如果保证压型钢板与周边结构构件有可靠的连接，由于在其自身平面内具有较大的刚度，其与结构构件一起共同工作将具有蒙皮效应功能。即作为围护结构同时可做为受力结构的组成部分，增加结构的整体强度和刚度。设计中考虑蒙皮效应不仅使结构的受力更加符合实际情况，同时也将给工程建设带来良好的经济效益。因此，开展轻钢结构蒙皮效应及其应用研究，具有重要的理论和工程应用价值，也必将使轻钢结构设计更科学性。
1 蒙皮效应的作用机理
蒙皮效应的工作机理是以维护板(压型板)与檩条、板与板之间通过不同的紧固件连接起来形成了以檩条作为其肋的一系列搁板。这种板在平面内具有相当刚度，类似于深梁中的腹板，檩条类似于深梁中的加劲肋，板四周连接的墙梁或檩条类似于深梁中的翼缘。这种构造共同完成蒙皮效应功能，可以传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用，如图1、图2所示。围护板蒙皮效应的大小将取决于围护板的具体构造。
图1坡屋顶门式钢架的受力蒙皮作用
图2 平屋顶门式钢架的受力蒙皮作用
2 蒙皮效应产生的条件
研究结果表明，要使蒙皮能够真正地发挥作用，构造上必须满足以下条件。
(1)必须设置足够的结构构件和连接件，以保证应力蒙皮作用能够传递到框架结构上，最后传递给基础，明确并保证传力途经；
(2)相邻面板之间的接缝应采用焊接、铆接或自攻螺栓等紧固件固定，要求使用期间紧固件不得松动、拔出，在板材撕裂前不得出现剪切破坏。这也是影响蒙皮作用的重要因素；
(3)每块面板的两端均应直接固定在支撑构件上，其固定方法可以采用焊接或者通过自攻螺栓、射钉、螺栓等紧固件，要求使用期间紧固件不得松动、拔出，在板材撕裂前不得出现剪切破坏；
(4)沿着蒙皮板的跨度方向，所有的蒙皮板均应设置边缘构件，这些构件及其连接的节点应该具有足够的强度，能承担蒙皮作用产生的翼缘内力。同时在实际应用中还要特别注意：①仅考虑蒙皮作为梁腹板的抗剪作用，其弯曲变形忽略不计；②规定的设计构造要求应与试验条件相同。在设计中一旦考虑蒙皮效应，就要保证其作用环境：视同整体结构作用构件，不得随意拆除。
3 蒙皮效应的若干影响因素
影响蒙皮效应的因素很多，如板的外形尺寸、板的材料、由檩条和梁形成的框架的尺寸，蒙皮体的尺寸，檩条的间距、连接件的类型、材料以及间距等等。模型的示意图如图3所示。
图3 蒙皮单元的组成
3.1蒙皮板(压型钢板)的厚度的影响
增加蒙皮板厚度对提高结构的整体刚度，从而增强结构的抗侧移能力是显著的，对减小结构应力及内力有一定的作用。分析表明，在工程常用的壓型钢板厚度范围内，这种影响的幅度并不是很大，因此，应根据具体情况选用较为经济合理的厚度。
3.2框架柱的长细比的影响
通过对单层轻钢结构进行考虑蒙皮与不考虑蒙皮时长细比变化的对比分析表明：
(1)在结构允许的长细比范围内，由于蒙皮板的存在，结构在长细比增加的情况下，与无蒙皮框架结构相比，结构变形较小，说明带蒙皮的框架结构，长细比的变化对结构变形影响不大。
(2)由于结构所承受的荷载没有发生变化，所以，蒙皮承担的荷载量没有发生较大的变化，然而，随着长细比的增大，带蒙皮结构应力值虽也有逐渐增加的趋势，但幅度并不大。
(3)蒙皮对结构内力值的影响较大，不仅有效的减小了内力值，而且改变了其随长细比变化的规律，因此，框架柱长细比对结构内力的影响较大，应引起重视。
3.3屋面坡度的影响
增加屋面坡度相对减小了结构的整体抗侧刚度，不利于结构抵抗侧向变形的能力，但对其内力的影响不是很大，总体上，坡屋顶结构的抗侧力比平屋顶结构差。研究表明，在斜屋面的结构中，受力蒙皮作用对结构承受水平荷载相当有益，但对结构承受竖向荷载却依赖于屋顶的倾斜坡度。当屋面倾角在6°～10°时，蒙皮作用对结构承受竖向荷载的影响太小，无实际意义，但当屋面倾角超过
10°后蒙皮效应逐渐变得显著起来。对于轻钢结构房屋，在同时考虑水平荷载和竖向荷载的情况下，屋顶坡度一般在10°左右。
3.4框架的长宽比对蒙皮单元受力性能的影响
改变框架的长宽比的方式有三种：一是宽度a不变，长度b变化；二是长度b不变，宽度a变化；三是长度b和宽度a都变化。由于宽度a的变化会导致板檩间连接件的变化，而板檩间连接件的数目对于蒙皮效应影响很大，为消除板檩间连接件的影响，采用第一种方式来研究框架长宽比的影响。结合我国的工程实际，着重考虑下面几种参数的变化，具体数据及计算结果见表1，板檩间连接件在压型钢板的每个波谷处布置，间距为225mm；板梁间连接件仅在梁与檩条交接处设置；梁与檩条连接方式设为铰接，未设置板缝连接。
表1 模型长宽比及计算结果
从表1中可以看出，蒙皮板的极限荷载随着蒙皮单元的长宽比的增大略有减少，当长宽比较小时(b/a=2/5)，蒙皮板在极限荷载作用下弯曲作用较为明显，极限位移较大，而抗侧刚度较小；当长宽比较大时(b/a=2)，蒙皮板在极限荷载作用下主要发生剪切变形，此时的侧移量明显小于长宽比为2/5时的侧移量，这说明长宽比的变化对蒙皮板的极限荷载影响较小，而对蒙皮板的抗侧移刚度有很大的影响．根据计算结果可得，当蒙皮板框架长宽比为6/5-7/5时，蒙皮结构的极限荷载没有明显的下降，而结构的抗侧移刚度得到了很大的提高．说明蒙皮框架的长宽比在该比例范围内时比较有利于蒙皮效应的发挥，值得在实际工程设计中考虑。
3.5连接件的承载能力及数量的影响
蒙皮单元的破坏主要是由于连接件的破坏引起的。分析表明，连接件的承载能力对蒙皮效应的影响非常显著，这和已有的实验结果完全吻合。因此，在实际结构中考虑蒙皮效应时须注意保证连接件的施工质量以及设置足够数量的连接件以保证荷载能够通过框架传递到蒙皮板上。分析还表明，板缝连接件数目的增加可以有效提高蒙皮结构的刚度，但对强度的影响较为有限；板梁(檩条)问连接件对蒙皮结构的影响受到板缝间连接件的设置密度的影响；在同时布置了足够数量的板缝连接件和板梁(檩条)间连接件时，蒙皮单元的强度和刚度都得到了大幅度的提高。
3.6檩条数目的影响
檩条数目的增加对提高蒙皮单元的承载能力非常有效，在其他参数不变的情况下，檩条的数目与蒙皮单元的承载能力基本成正比。其本质是由于板檩间连接件的增加导致承载能力的提高，同时檩条的存在對板的局部屈曲变形亦有一定的限制作用。
3.7檩条与梁的连接方式对构件承载能力的影响
檩条与梁的连接方式对构件承载能力的影响依赖于板缝连接件及板梁间连接件的设置情况：当未设置板缝连接件和板梁间连接件时，檩条与梁的连接方式改为刚接对结构受力性能影响并不大；当设置板缝连接件而未设置板梁间连接件时，檩条与梁的连接方式改为刚接可以有效的改善檩条端部处的连接件的内力分布形式，使此处的连接件受力均匀，充分发挥连接件的承载能力，从而有效提高蒙皮单元的受力性能；当同时设置板缝连接件和板梁间连接件时，檩条与梁的连接方式对蒙皮单元的影响可以忽略不计，且由于这种连接件的布置方式能够充分发挥蒙皮板的平面内强度和刚度，蒙皮单元的整体力学性能较前面两种情况有很大幅度的提高，因此建议在设计考虑蒙皮效应的实际结构中，采用这类连接件的布置形式，且无需考虑檩条与梁的连接方式的影响。
4 结语
随着我国钢产量的不断攀升和建设部大力推行住宅产业化以来，压型钢板在厂房和高层建筑中的应用发展很快。这种结构体系具有制作简单、安装方便快捷、安全可靠、造型美观和经济效果好等特点。考虑了蒙皮效应的压型钢板墙面板、屋面板可增强结构的整体刚度，减小结构的侧移。可以取消一部分支撑构件或减小构件的截面面积。但是，由于影响蒙皮效应的因素非常复杂，所以有必要深人进行蒙皮效应的理论和试验研究，并相应提高施工质量和工艺水平，保证可靠的连接构造，从而促进蒙皮效应在工程中的应用。
参考文献：
[1]季渊，童根树．轻钢结构应力蒙皮设计研究综述[J]．工业建筑．
[2]陈友泉，王彦敏．轻钢结构蒙皮效应的应用探讨[J]．建筑结构．
[3]CECS 102：2002．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．
[4]祁颖．轻钢结构压型钢板蒙皮效应在鞍钢1700工程中的应用[J]．鞍钢技术．
[5]GB 50009—2001，建筑结构荷载规范[S]．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢框架；蒙皮效应；影响因素
Abstract: This paper describes the skin effect in the mechanism of action and conditions, the skin effect of a number of factors affect the steel frame. Through analysis, to draw some valuable conclusions: that affect the mechanical properties of skin structure most important factor is the mechanical properties of the connection and its settings, and other influencing factors are generally by the mechanical properties and settings of the connections, so as to achieve the impact skin mechanical properties results. These conclusions consider the skin effect in the light steel design with a certain reference value.Key words: steel frame; the skin effect; influencing factors
中图分类号：TU392.5文献标识码：A
引言
在一般的轻型钢结构设计中，压型钢板只作为建筑屋、墙面的围护结构，而不考虑其参与结构体系的共同工作。实际上，如果保证压型钢板与周边结构构件有可靠的连接，由于在其自身平面内具有较大的刚度，其与结构构件一起共同工作将具有蒙皮效应功能。即作为围护结构同时可做为受力结构的组成部分，增加结构的整体强度和刚度。设计中考虑蒙皮效应不仅使结构的受力更加符合实际情况，同时也将给工程建设带来良好的经济效益。因此，开展轻钢结构蒙皮效应及其应用研究，具有重要的理论和工程应用价值，也必将使轻钢结构设计更科学性。
1 蒙皮效应的作用机理
蒙皮效应的工作机理是以维护板(压型板)与檩条、板与板之间通过不同的紧固件连接起来形成了以檩条作为其肋的一系列搁板。这种板在平面内具有相当刚度，类似于深梁中的腹板，檩条类似于深梁中的加劲肋，板四周连接的墙梁或檩条类似于深梁中的翼缘。这种构造共同完成蒙皮效应功能，可以传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用，如图1、图2所示。围护板蒙皮效应的大小将取决于围护板的具体构造。
图1坡屋顶门式钢架的受力蒙皮作用
图2 平屋顶门式钢架的受力蒙皮作用
2 蒙皮效应产生的条件
研究结果表明，要使蒙皮能够真正地发挥作用，构造上必须满足以下条件。
(1)必须设置足够的结构构件和连接件，以保证应力蒙皮作用能够传递到框架结构上，最后传递给基础，明确并保证传力途经；
(2)相邻面板之间的接缝应采用焊接、铆接或自攻螺栓等紧固件固定，要求使用期间紧固件不得松动、拔出，在板材撕裂前不得出现剪切破坏。这也是影响蒙皮作用的重要因素；
(3)每块面板的两端均应直接固定在支撑构件上，其固定方法可以采用焊接或者通过自攻螺栓、射钉、螺栓等紧固件，要求使用期间紧固件不得松动、拔出，在板材撕裂前不得出现剪切破坏；
(4)沿着蒙皮板的跨度方向，所有的蒙皮板均应设置边缘构件，这些构件及其连接的节点应该具有足够的强度，能承担蒙皮作用产生的翼缘内力。同时在实际应用中还要特别注意：①仅考虑蒙皮作为梁腹板的抗剪作用，其弯曲变形忽略不计；②规定的设计构造要求应与试验条件相同。在设计中一旦考虑蒙皮效应，就要保证其作用环境：视同整体结构作用构件，不得随意拆除。
3 蒙皮效应的若干影响因素
影响蒙皮效应的因素很多，如板的外形尺寸、板的材料、由檩条和梁形成的框架的尺寸，蒙皮体的尺寸，檩条的间距、连接件的类型、材料以及间距等等。模型的示意图如图3所示。
图3 蒙皮单元的组成
3.1蒙皮板(压型钢板)的厚度的影响
增加蒙皮板厚度对提高结构的整体刚度，从而增强结构的抗侧移能力是显著的，对减小结构应力及内力有一定的作用。分析表明，在工程常用的壓型钢板厚度范围内，这种影响的幅度并不是很大，因此，应根据具体情况选用较为经济合理的厚度。
3.2框架柱的长细比的影响
通过对单层轻钢结构进行考虑蒙皮与不考虑蒙皮时长细比变化的对比分析表明：
(1)在结构允许的长细比范围内，由于蒙皮板的存在，结构在长细比增加的情况下，与无蒙皮框架结构相比，结构变形较小，说明带蒙皮的框架结构，长细比的变化对结构变形影响不大。
(2)由于结构所承受的荷载没有发生变化，所以，蒙皮承担的荷载量没有发生较大的变化，然而，随着长细比的增大，带蒙皮结构应力值虽也有逐渐增加的趋势，但幅度并不大。
(3)蒙皮对结构内力值的影响较大，不仅有效的减小了内力值，而且改变了其随长细比变化的规律，因此，框架柱长细比对结构内力的影响较大，应引起重视。
3.3屋面坡度的影响
增加屋面坡度相对减小了结构的整体抗侧刚度，不利于结构抵抗侧向变形的能力，但对其内力的影响不是很大，总体上，坡屋顶结构的抗侧力比平屋顶结构差。研究表明，在斜屋面的结构中，受力蒙皮作用对结构承受水平荷载相当有益，但对结构承受竖向荷载却依赖于屋顶的倾斜坡度。当屋面倾角在6°～10°时，蒙皮作用对结构承受竖向荷载的影响太小，无实际意义，但当屋面倾角超过
10°后蒙皮效应逐渐变得显著起来。对于轻钢结构房屋，在同时考虑水平荷载和竖向荷载的情况下，屋顶坡度一般在10°左右。
3.4框架的长宽比对蒙皮单元受力性能的影响
改变框架的长宽比的方式有三种：一是宽度a不变，长度b变化；二是长度b不变，宽度a变化；三是长度b和宽度a都变化。由于宽度a的变化会导致板檩间连接件的变化，而板檩间连接件的数目对于蒙皮效应影响很大，为消除板檩间连接件的影响，采用第一种方式来研究框架长宽比的影响。结合我国的工程实际，着重考虑下面几种参数的变化，具体数据及计算结果见表1，板檩间连接件在压型钢板的每个波谷处布置，间距为225mm；板梁间连接件仅在梁与檩条交接处设置；梁与檩条连接方式设为铰接，未设置板缝连接。
表1 模型长宽比及计算结果
从表1中可以看出，蒙皮板的极限荷载随着蒙皮单元的长宽比的增大略有减少，当长宽比较小时(b/a=2/5)，蒙皮板在极限荷载作用下弯曲作用较为明显，极限位移较大，而抗侧刚度较小；当长宽比较大时(b/a=2)，蒙皮板在极限荷载作用下主要发生剪切变形，此时的侧移量明显小于长宽比为2/5时的侧移量，这说明长宽比的变化对蒙皮板的极限荷载影响较小，而对蒙皮板的抗侧移刚度有很大的影响．根据计算结果可得，当蒙皮板框架长宽比为6/5-7/5时，蒙皮结构的极限荷载没有明显的下降，而结构的抗侧移刚度得到了很大的提高．说明蒙皮框架的长宽比在该比例范围内时比较有利于蒙皮效应的发挥，值得在实际工程设计中考虑。
3.5连接件的承载能力及数量的影响
蒙皮单元的破坏主要是由于连接件的破坏引起的。分析表明，连接件的承载能力对蒙皮效应的影响非常显著，这和已有的实验结果完全吻合。因此，在实际结构中考虑蒙皮效应时须注意保证连接件的施工质量以及设置足够数量的连接件以保证荷载能够通过框架传递到蒙皮板上。分析还表明，板缝连接件数目的增加可以有效提高蒙皮结构的刚度，但对强度的影响较为有限；板梁(檩条)问连接件对蒙皮结构的影响受到板缝间连接件的设置密度的影响；在同时布置了足够数量的板缝连接件和板梁(檩条)间连接件时，蒙皮单元的强度和刚度都得到了大幅度的提高。
3.6檩条数目的影响
檩条数目的增加对提高蒙皮单元的承载能力非常有效，在其他参数不变的情况下，檩条的数目与蒙皮单元的承载能力基本成正比。其本质是由于板檩间连接件的增加导致承载能力的提高，同时檩条的存在對板的局部屈曲变形亦有一定的限制作用。
3.7檩条与梁的连接方式对构件承载能力的影响
檩条与梁的连接方式对构件承载能力的影响依赖于板缝连接件及板梁间连接件的设置情况：当未设置板缝连接件和板梁间连接件时，檩条与梁的连接方式改为刚接对结构受力性能影响并不大；当设置板缝连接件而未设置板梁间连接件时，檩条与梁的连接方式改为刚接可以有效的改善檩条端部处的连接件的内力分布形式，使此处的连接件受力均匀，充分发挥连接件的承载能力，从而有效提高蒙皮单元的受力性能；当同时设置板缝连接件和板梁间连接件时，檩条与梁的连接方式对蒙皮单元的影响可以忽略不计，且由于这种连接件的布置方式能够充分发挥蒙皮板的平面内强度和刚度，蒙皮单元的整体力学性能较前面两种情况有很大幅度的提高，因此建议在设计考虑蒙皮效应的实际结构中，采用这类连接件的布置形式，且无需考虑檩条与梁的连接方式的影响。
4 结语
随着我国钢产量的不断攀升和建设部大力推行住宅产业化以来，压型钢板在厂房和高层建筑中的应用发展很快。这种结构体系具有制作简单、安装方便快捷、安全可靠、造型美观和经济效果好等特点。考虑了蒙皮效应的压型钢板墙面板、屋面板可增强结构的整体刚度，减小结构的侧移。可以取消一部分支撑构件或减小构件的截面面积。但是，由于影响蒙皮效应的因素非常复杂，所以有必要深人进行蒙皮效应的理论和试验研究，并相应提高施工质量和工艺水平，保证可靠的连接构造，从而促进蒙皮效应在工程中的应用。
参考文献：
[1]季渊，童根树．轻钢结构应力蒙皮设计研究综述[J]．工业建筑．
[2]陈友泉，王彦敏．轻钢结构蒙皮效应的应用探讨[J]．建筑结构．
[3]CECS 102：2002．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．
[4]祁颖．轻钢结构压型钢板蒙皮效应在鞍钢1700工程中的应用[J]．鞍钢技术．
[5]GB 50009—2001，建筑结构荷载规范[S]．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。