我国轻钢结构现有设计分析水平上对蒙皮效应的认识以及应用

编著：阮商陶

简介：蒙皮效应是指在建筑物的表面的材质由于本身具有一定的刚度，加之由于本身并不是纯平面板因而会有一定的惯性矩，所以这种建筑物表面的覆盖的材料会对建筑物的整体刚度有一个不可忽视的贡献，特别是在轻钢厂房的设计中，我们考虑这种蒙皮的作用是十分合理的，可以节省大量钢材。然而我国现行规范中并不提倡考虑蒙皮效应，仅把此项作用看作结构的安全储备。本文将列举各方面的研究意见，作一个可行性探讨。

关键字: stressed-skin diaphragm 应力蒙皮作用 冷弯薄壁型钢结构 门式刚架轻型房屋钢结构

我国蒙皮设计现状
我国自每年钢产量突破亿吨及实行合理利用钢材和积极采用钢结构的政策以来，建筑钢结构得到迅速发展。各类轻型钢结构的发展尤为迅速。 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，以压型钢板及轻型钢框架组成的轻钢结构住宅体系和门式刚架钢结构厂房建筑发展很快。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，应用范围越来越广泛。新的行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》于1999年发布实行；《压型钢板拱壳结构技术规程》和《轻型房屋钢结构技术规程》开始编制；现行国家标准《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》也已经修订更新。而考虑了应力蒙皮效应的压型钢板墙面板、屋面板具有平面内的抗剪能力，能够参与整体结构体系的共同工作，可增强结构的整体刚度，减小结构的侧移，为与它相连的构件梁柱、檩条提供有效的侧向约束作用，从而可以减小或取消一部分支撑构件，甚至还能够减小构件的截面面积。但由于国内有关屋面板的抗剪性能和板与构件螺栓连接性能的资料尚不充分，因此在目前的设计规程(CECS102)中建议一般不宜考虑应力蒙皮效应，这可能导致造价的提高。
在工程建设中使用压型钢板还只是作为维护结构，其受力蒙皮作用一直没有利用，这不但不能真实反映结构的受力性能，在经济上也是很大的损失。这主要是因为我国在这方面做的研究工作很少，尚没有适合于我国具体国情的蒙皮支撑的檩条实用计算方法和实际公式。其中一个制约因素是目前轻钢结构虽然发展迅速，但施工企业良蔫不齐，连接构造和工艺不能十分可靠地保证，所以，设计人员当然不愿意考虑蒙皮效应了。近期检索了国内的文章，发现的资料不多，近几年的很少，主要是90年代初张耀春老师领导的课题组作的工作。还有数次提及的《受力蒙皮设计规程》却始终没有下文。
国外许多学者对由蒙皮支撑的檩条的工作性能进行了大量的研究，取得了很多成果，如美国1986年版《冷弯型钢结构构件设计规范》中已包含有关蒙皮支撑钢构件的设计条款。由于轻型钢结构的一些具体问题，我国现行国家标准〈〈钢结构设计规范〉〉，〈〈冷弯薄壁型钢结构技术规范〉〉和〈〈钢结构施工及验收规范〉〉尚不能适用于轻钢结构的设计和施工要求，一般是参照国外的有关规范。因为不符合我国的实际情况，轻钢结构的事故时有发生，造成较大的经济损失。新编制的〈〈门式刚架轻型房屋钢结构技术规程〉〉引进了蒙皮支撑檩条的设计方法，但是这方面的研究尚未达到成熟阶段，仍有许多学者在从事这方面的研究。

蒙皮概念
蒙皮这一结构概念来自飞机和轮船的外壳，它是在纵横肋上蒙上金属薄板而形成的带肋薄壳结构，蒙皮与肋共同工作，蒙皮自身在其平面内具有很大的拉、压和剪切强度，且由于有肋的作用，蒙皮不会失稳。蒙皮结构具有较大承载力及刚度，而自重很轻。
不少高层建筑也借鉴了这种结构，如美国费城的梅隆银行（56层、高242m）。高层钢结构蒙皮体系的屋面和墙体采用压型金属板，压型金属板具有平面内的承载能力 ,亦即抗剪能力 ,这种能力称为结构的蒙皮效应。它可以使围护结构同时成为承重结构的一部分 ,从而提高结构的强度和刚度 ,并有效控制高层钢结构的侧移.
去买一个放衣服的金属骨架塑料外皮的快拆式衣柜，可以形象地体会蒙皮了，感觉就是增加整体性。量化起来是不太容易。
蒙皮效应使建筑物的表面的材质由于本身具有一定的刚度，加之由于本身并不是纯平面板因而会有一定的惯性矩，所以这种建筑物表面的覆盖的材料会对建筑物的整体刚度有一个不可忽视的贡献，特别是在轻钢厂房的设计中，我们考虑这种蒙皮的作用是十分合理的，可以节省大量钢材。我国在刚刚开始进行轻钢厂房的设计时由于设计之中并未考虑这种蒙皮效应的作用而使我国在刚刚具有这种结构的时候我们的用钢量远大于国外同行业得用钢量。
如果将压型钢板与檩条进行可靠连接，受力蒙皮作用可使维护结构（屋面板）同时也成为受力结构的重要组成部分，参与整个结构体系的工作，即可增加整个结构的整体刚度，减少甚至取消支撑。特别是对于抗扭及在弱轴方向抗弯能力较差的C型及Z型等截面的构件更能提高其刚度及稳定承载力。显然，考虑压型钢板的受力蒙皮作用将会在结构设计时取得非常经济的效果

蒙皮应用
对应力蒙皮效应的研究可以追溯到20世纪50年代，当时在门式刚架的试验研究中发现，实测的变形和应力值比设计计算的值要小。这些试验的研究对象是一部分工业厂房和仓库，其中不具有楼梯和隔墙。实测应力值偏小的唯一解释只能是这些建筑结构本身的屋面钢板分担了结构的一部分荷载。
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，在结构构造上，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，形成了以檩条作为其肋的一系列搁板。这种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。
事实上，结构的实际受力情况本来就存在蒙皮效应，只不过是不同连接方法的蒙皮效果不同而已。因此，不利用蒙皮效应时，也应该注意到蒙皮效果可能带来的影响。 若考虑蒙皮效应（更接近实际受力情况），面层（屋面或墙面）视为深梁，能够有效地传递面内的剪力，减少部分支撑体系，节省钢材，取得良好的经济效果。
但是影响蒙皮效应的因素非常复杂，这要求我们不仅需要参考国外规范进一步深入蒙皮效应的试验和理论研究，而且还要提高施工质量和工艺水平以保证可靠的连接构造，满足应力蒙皮效应的要求，从而促进蒙皮效应在工程中的应用。

某轻钢年会上天津大学刘锡良教授图片介绍了一个三层的建筑物，采用的就是密植薄壁方管结构加蒙皮的结构形式，既是墙体又是唯一受力结构，这应是蒙皮在工程建设中的一例。蒙皮作用增加了结构空间刚度，使得尽可能多的材料参与受力而不仅仅是荷载，形成蒙皮应是有效的直接连接，而不能采用间接连接。有檩体系由于檩条的变形会使外板受力滞后，国外规范似也未能加以考虑。个人认为，若不是直接性的螺钉或铆钉连接，蒙皮是不能考虑的。把蒙皮效应应用到实际工程上，以目前国内的施工能力和检测水平还需要谨慎对待。

在设计领域上，在考虑风吸力作用下，蒙皮板（屋面板）布置在檩条的受拉翼缘，由于蒙皮不能阻止檩条失稳时受压翼缘的侧向变形趋势，就存在稳定问题。这种情况比受重力作用更为不利，是檩条设计的控制因素。檩条承载力受许多因素的影响, 试验方法一直是一种直接可靠的获得某一特定蒙皮支撑檩条承载力的方法。尤其是足尺试验，是蒙皮支撑檩条研究不可缺少的一种手段，试验的结果将作为今后简化分析，理论公式修正，计算机方法的可靠依据。
目前，缺乏这方面合理的计算公式。我国薄壁型钢规范虽有檩条的计算公式，但未考虑屋面板对檩条下翼缘失稳的约束扭转作用，于是计算结果一般薄壁C形檩条均无法使用;现门式钢架规程采用了欧洲规范的计算公式，虽也考虑了屋面板约束檩条扭转作用，但约束效果不大，使薄壁C形檩条不能充分利用。而一些檩条设计手册考虑了屋面板约束檩条扭转作用，约束效果较充分，使薄壁C形檩条的应用更经济合理。
在现流行的PKPM-STS软件的钢结构工具箱计算檩条的输入界面中，有考虑蒙皮对檩条的约束选项，选择是和非，计算结果相差很大。不过这个要求设计人能保证檩条和屋面板有效连接才可以使用考虑蒙皮对檩条的约束项。

现行规范有关条文
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102:98）中6.3规定了实腹式檩条的设计方法:
1.当屋面能阻止檩条失稳和扭转时，可仅按下列公式计算檩条在风正压力作用下的强度，而整体稳定性可不作计算：
σ=Mx/Wenx+My/Weny《 f
式中 Mx, My --对截面主轴x和主轴y的弯矩
Wenx, Weny--对主轴x和主轴y的有效净截面模量
2．当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时，按下列公式计算檩条在风正压力作用下的稳定性：
σ=MxФbx/Wenx+My/Weny f
式中 Wenx, Weny -- 对主轴x和主轴y的有效截面模量(对冷弯薄壁型钢)或毛截面模量（对热压型钢）
Фbx—梁的整体稳定系数
3．当屋面能阻止上翼缘侧向失稳和扭转时，在风吸力作用下可按 2.中公式计算檩条的稳定性，或设置拉杆或撑杆防止上下翼缘扭转，或按欧洲规范EC3-ENV-1996进行计算。
采用欧洲规范的计算公式，其基本思想是引入屋面板（通过连接件）对檩条约束的弹簧系数K，推导出檩条在其平面内的计算长度折减系数，侧向弯曲效应则按作用于下翼缘的侧向荷载Qx计算。虽也考虑蒙皮板约束檩条扭转作用，但约束效果不大，使薄壁C型檩条不能充分利用；而一些厂家的檩条设计手册考虑蒙皮板约束檩条扭转作用，约束效果较充分，使薄壁C型檩条的应用更经济合理。

第5.1.2条提到：变截面门式刚架宜按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应。但有必要且有条件时，可考虑屋面板的应力蒙皮效应。
相应的条文说明解释：面板视为承担平面内横向剪力的腹板，四周的边缘构件视为翼缘，承担轴向拉力和压力。应力蒙皮隔板应主要用于抵抗风荷载、雪荷载和其他通过面板传递的荷载。它也可用于抵抗较小的瞬时荷载（如来自轻轨道式吊车的荷载），但不能用于承担永久性外荷载。并强调要满足下列条件方能将面板视为结构的一部分进行应力蒙皮设计。
1、面板除承担主要功能外，只能用作为抗剪隔板抵抗其平面内的位移；
2、这种隔板必须有纵向边缘构件，以承担由于隔板作用引起的翼缘力；
3、屋面板平面内的力，应通过支撑系统、其他蒙皮隔板或抗侧移方法传至基础；
4、应采用适当的连接将隔板中的力传至主刚架,隔板应与取翼缘作用的边缘构件相连；
5、面板作为受力构件处理时，不得将其随意拆除；
6、对房屋的各项技术要求，均应考虑到该建筑物的设计利用了应力蒙皮作用。
在有可靠的资料时，门刚规程允许有限制性的利用蒙皮效应。面板仅考虑面板平面内的作用，与实际情况比较吻合。一般，门式刚架的纵向刚度小于横向刚度，应强调纵向边缘构件的重要性。若横向刚度小于纵向刚度，则应该强调横向边缘构件的重要性，在刚架中间区域也应该设置加强区域。蒙皮（面板）中的剪力最终要通过连接件（自攻螺钉、焊缝等）传至刚架再到基础，因而要考虑活荷载的不同组合，验算连接件的强度（通常是拉剪受力）。进行应力蒙皮设计时，应注意存在剪力滞后现象，某些部位应加密连接件的数目等。 门刚规程提醒利用蒙皮作用时，要考虑带来相应的一系列问题。
事实上，结构的实际受力情况本来就存在蒙皮效应，只不过是不同连接方法的蒙皮效果不同而已。因此，不利用蒙皮效应时，也应该注意到蒙皮效果可能带来的影响。
若考虑蒙皮效应（更接近实际受力情况），面层（屋面或墙面）视为深梁，能够有效地传递面内的剪力，减少部分支撑体系，节省钢材，取得良好的经济效果。
在风吸力作用下，檩条的上翼缘为下翼缘提供类似弹性地基梁的约束。门刚规程要求计算檩条下翼缘的稳定性。验算结果往往不能满足要求，可以增大截面直到满足要求为止，或设置下翼缘支撑。若采用构造措施（加密自攻钉等），利用蒙皮效应，认为吊顶板能够对檩条的下翼缘取支撑作用，可不计算檩条下翼缘的稳定。
门刚规程要求在刚架梁转折的地方应设置刚性系杆，以有效地传递水平力。若采取一定的构造措施，利用蒙皮效应，认为面层对檩条取侧向支撑作用，檩条能够承担较大的压力，从而代替部分系杆。屋面水平支撑（通常做成柔性支撑），只有斜腹杆（圆钢），取消了竖腹杆，也是认为利用了蒙皮效应，檩条代替竖腹杆。

《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（以下简称冷弯规范）第4.1.9条提到：当采用不能滑动的紧固件连接压型钢板及其支撑构件形成屋面和墙面等维护体系时，可在单层房屋的设计中考虑受力蒙皮作用，但应同时满足一定的条件：
1. 应由实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荷载产生的内力外，还必须考虑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。
本条规定了利用蒙皮效应的一般原则。对门式刚架，不考虑蒙皮效应时，结构按平面受力体系分析。竖向荷载由主刚架承担，可取出典型刚架分析，水平荷载由相应水平支撑承担和传递。
第7.2.5条提到：当侧向采用扣合式或咬合式连接时，应采用高强度板材，且不能考虑蒙皮效应，应在檩条上设置与压型钢板波形相配套的专门固定支座，固定支座与檩条用自攻螺钉或射钉连接，压型钢板搁置在固定支座上。两片压型钢板的侧边应确保扣合或咬合连接可靠。
本条主要考虑到扣合式或咬合式的连接会产生一定的滑动。固定支座上预留有孔，孔径比自攻螺钉或射钉的直径大，因而易产生滑动。
在冷弯规范的征求意见稿的说明中提到：因为这种屋面和墙面等维护结构可提高房屋的空间整体刚度和承载能力，充分考虑和利用其在平面内的抗剪能力——受力蒙皮作用，不仅能真实反映结构的实际工作，而且还可获得可观的经济效益。
简结
根据蒙皮效应的工作机理可以看出，并不是所有的结构和结构构造在设计时都可以考虑蒙皮效应，目前在满足一定条件的压型钢板以及轻型钢框架组成的轻钢住宅和门式刚架体系中存在着较大的蒙皮效应。
个人观点认为，蒙皮效应的作用很多时候被我们设计工作者低估了，尤其是屋面檩条较密时。这个时候“蒙皮”在平面内的刚度是较大的，对整个结构体系整体性能的贡献是不应该忽略的。我们不妨做个拿砼屋面和钢屋面作个比较，既然设计框架梁柱时都考虑然砼板对结构体系的贡献，为什么设计钢屋面时就不能考虑呢？诚然砼扳在平面内的刚度比钢屋面要大的多，但钢屋面的刚度对整个钢结构而言，有时候丝毫不亚于砼板对框架结构的贡献。

我国在90年代由冷弯薄壁型钢结构技术委员会组织力量对国外的应力蒙皮结构进行资料翻译介绍的同时，做了很少量的试验，未能提出具体的设计参数，尽皆如此，在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中增加了考虑应力蒙皮作用的规定，专门的应力蒙皮设计规程也正在编制。但是，由于缺乏试验资料，采用应力蒙皮方法进行设计，尚需通过试验获得有关参数，仍处于理论研究阶段。另外由于施工企业良莠不齐，连接构造和工艺不能十分可靠保证，导致在绝大多数设计中只是作为一种刚度储备，没有考虑应力的蒙皮效应。但是在国内也有少量的结构考虑了蒙皮效应，例如鞍钢1700工程等钢结构厂房中利用了蒙皮效应。随着应力蒙皮的试验和理论研究的进一步深入和轻钢住宅和门式刚架厂房的迅速发展，考虑蒙皮效应的建筑物也越来越多。

参考文献：
1．陈友泉,王彦敏《轻钢结构蒙皮效应的应用探讨》 《建筑结构》杂志
2.祁颖《轻钢结构压型钢板蒙皮效应在鞍钢1700工程中的应用》 《鞍钢技术》杂志
3.韩方俊《轻型钢结构设计轻量化的主要途径》《工业建筑》杂志
4.陈绍蕃 《门式钢框架轻型化的技术措施》 《建筑结构》杂志
5.完海鹰,王梅,曾荻《考虑蒙皮效应的高层结构有限元分析》 《合肥工业大学学报(自然科学版) 》
6. 中华钢结构论坛

谢谢楼主提供的资料，对设计人员提高对蒙皮效应有新的认识