蒙皮效應(yīng)對單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的變形影響分析

肖亞明，朱薔

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 概 述[1]

輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)是指鋼結(jié)構(gòu)框架外表皮覆蓋的圍護(hù)材料，由于其自身平面內(nèi)的剛度和強(qiáng)度，所產(chǎn)生的減小結(jié)構(gòu)由于外荷載作用所產(chǎn)生的位移和變形的趨勢。蒙皮效應(yīng)的大小與其蒙皮板材料的力學(xué)性能有著直接的關(guān)系：如選用強(qiáng)度高的柔性材料，在荷載作用下，蒙皮板受壓屈服而產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；如選用具有高強(qiáng)度的脆性材料，荷載作用下材料由于受拉屈服從而產(chǎn)生裂縫繼而材料的抗剪剛度迅速降低，不再具有蒙皮板的使命。而目前建筑市場上輕鋼結(jié)構(gòu)多以壓型鋼板作為結(jié)構(gòu)屋面和墻面圍護(hù)材料，其延性較好，強(qiáng)度高，受力性能明確。傳統(tǒng)設(shè)計方法只將壓型鋼板作為主體結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮，不參與結(jié)構(gòu)整體計算，但其由于在自身平面內(nèi)抗拉和抗剪強(qiáng)度很大，在外荷載作用下，可與結(jié)構(gòu)一同承擔(dān)荷載作用，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并可提供一定的抗側(cè)向約束和抗扭約束。故將這種采用壓型剛板等作為其圍護(hù)材料的結(jié)構(gòu)，壓型鋼板參與結(jié)構(gòu)整體工作并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的現(xiàn)象稱為蒙皮效應(yīng)[1]。

2 蒙皮效應(yīng)作用機(jī)理[2-5]

鋼結(jié)構(gòu)在抵抗水平向荷載，如地震荷載、風(fēng)荷載等水平力作用時通常為保證結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性時要設(shè)置單獨(dú)的支撐系統(tǒng)。但是，如果結(jié)構(gòu)面層采用的是高強(qiáng)度剛度的鋼板，則該圍護(hù)薄壁鋼板面層將與主體框架結(jié)構(gòu)連接提供水平向荷載的抗力，起到橫向支撐作用，而無需再設(shè)獨(dú)立支撐系統(tǒng)。除了屋面板，鋼結(jié)構(gòu)建筑中的墻面板也可以通過板平面內(nèi)的抗剪能力為主體結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)移。這說明可與利用墻面板的蒙皮作用較小主體結(jié)構(gòu)側(cè)移，抵抗中低層框架結(jié)構(gòu)的水平荷載。研究和實(shí)驗證明雙層的壓型鋼板組裝而成的輕質(zhì)填充墻體能有效抵抗高層建筑的側(cè)移。

對于坡面屋頂門式框架結(jié)構(gòu)，蒙皮作用可以有效抵抗主體結(jié)構(gòu)上的水平荷載，當(dāng)屋面坡度減小時，抵抗橫向荷載能力作用更加明顯；而對于豎向荷載，蒙皮作用效果取決于屋面的坡度，坡度越大，蒙皮板所承受荷載越大，蒙皮效應(yīng)越明顯。

3 有限元模擬分析[6]

建立空間剛架模型，通過對蒙皮板的4 種不同作用位置進(jìn)行分析，為工程應(yīng)用蒙皮板的選擇提供參考。

結(jié)構(gòu)單跨24m,柱高7.5m，屋脊高度8.1m，縱向設(shè)置9 榀剛架，縱向柱距為7m，檁條間距1.5m，屋面坡度為5%。

3.1 模型建立

結(jié)構(gòu)蒙皮板作為薄型殼板建于空間結(jié)構(gòu)上，由于假定只考慮蒙皮板的面內(nèi)剛度而忽略其面外剛度，將在蒙皮板平面內(nèi)的剛度修正系數(shù)賦予0.7，面外剛度忽略不計。

3.2 計算結(jié)果分析

由于蒙皮板只考慮在自身平面內(nèi)抗剪強(qiáng)度，對構(gòu)件水平側(cè)移的影響不明顯，故本章節(jié)主要討論風(fēng)荷載作用下柱頂水平側(cè)移。取各榀剛架左柱為本節(jié)研究對象，縱向各鋼柱編號如圖1所示。

坡屋面門鋼結(jié)構(gòu)模型編號 表2

由表1、表2 可知，考慮當(dāng)屋面蒙皮板作用時，因為鋼板本身在其平面內(nèi)剛度很大，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受水平向荷載作用時，屋面板參與承受荷載并傳遞剪力。而考慮縱向墻面板蒙皮作用時，柱頂水平位移有所減小，但這種趨勢不夠明顯，這是由于縱向墻板平面外抗剪強(qiáng)度很小不能有效地抵御水平荷載作用。

考慮屋面蒙皮效應(yīng)時，其縱向兩端（第一榀跨和第九榀跨）的側(cè)移均大于不考慮屋面蒙皮板時的位移。在屋面蒙皮板作用下，由于板帶來的剛度影響，各柱頂猶如連接在一根鋼梁上，使得在荷載作用下，各柱頂?shù)奈灰菩杌疽恢?，而墻面蒙皮板對于結(jié)構(gòu)側(cè)移雖然有所貢獻(xiàn)，但效果甚微。

由圖2 可知，縱墻面蒙皮板對豎向荷載作用下的跨中撓度的影響顯然要比對柱頂側(cè)移顯著的多。這是由于在豎向荷載作用下墻面蒙皮板發(fā)揮其平面內(nèi)剛度優(yōu)勢，阻止結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向變形?？蓪⒋丝醋鳛槠矫鎰偧艿匿撝鶆偠群艽?，在豎向荷載作用下約束結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓度。而在同時考慮這兩種蒙皮板時，跨中撓度大于只考慮墻面蒙皮時的值。 這是因為在屋面增加蒙皮板后，其自重對于跨中撓度產(chǎn)生了一定影響。如圖2 所示，跨中撓度屋面蒙皮板作用下小于原結(jié)構(gòu)中撓度值，故墻面和屋面蒙皮板均有對減小結(jié)構(gòu)跨中撓度起著作用， 其中墻面蒙皮影響更大。

綜上所述，蒙皮板對于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生了積極的意義，其中屋面蒙皮板對于水平荷載下柱頂?shù)膫?cè)移影響較大；而墻面蒙皮板在豎向荷載下對結(jié)構(gòu)跨中撓度產(chǎn)生了一定的效果。

3.3 蒙皮板厚度對結(jié)構(gòu)的影響

影響蒙皮板性能的因素有很多，其中蒙皮板厚度作為自身規(guī)格的一種參數(shù),對結(jié)構(gòu)的影響比較明顯。由上節(jié)分析可知，墻面蒙皮對結(jié)構(gòu)的影響不大，甚至可以忽略，故本節(jié)只分析屋面板改變厚度對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。模型其他參數(shù)不變,蒙皮板厚度取0.4rnm、0.6mm 和0.8mm 三種不同厚度，由于結(jié)構(gòu)基本對稱，取1、5、9 榀鋼架計算得到的柱頂側(cè)移與無蒙皮時的模型進(jìn)行對比分析。表3、4 中的△1、△2、△3 分別為無蒙皮與0.4mm蒙皮板、0.4mm 蒙皮板與0.6mm 蒙皮板、0.6mm 蒙皮板與0.8mm 蒙皮板的柱頂位移差值。

由表3 可以看出，考慮蒙皮效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)的柱頂側(cè)移減小,這說明蒙皮能夠提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力;由圖3 曲線，當(dāng)蒙皮板厚度增加時，門式剛架每一榀柱頂側(cè)移值均減小,也即柱頂側(cè)移隨著板厚增加而減小，這是由于板厚度增加時,蒙皮板剛度也隨之增加,蒙皮效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的作用也隨之增強(qiáng),所以結(jié)構(gòu)的側(cè)移減小。但是從圖中還可以看出，隨著壓型鋼板厚度的增加,柱頂位移的雖然減小,但是曲線變化趨勢變緩；同時從表4 也可以看出，厚度增加越多位移減小幅度不大,同時板厚的增加使得鋼材用量加大。因此,在實(shí)際工程中,如果只依靠改變壓型鋼板的厚度來增加蒙皮效應(yīng)的作用,提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力，并不具有經(jīng)濟(jì)性,因此意義不大。故在設(shè)計中，要采用適中合理的板厚來提高結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性。

單跨結(jié)構(gòu)屋面蒙皮板不同厚度對柱頂位移的影響 表3

不同厚度蒙皮板柱頂位移差值（單位：mm） 表4

4 結(jié) 論

①通過建立蒙皮板作用前后的有限元模型，進(jìn)行靜力和模態(tài)分析。比對其分析結(jié)果，可知在考慮蒙皮板作用下，結(jié)構(gòu)的整體剛度顯著增加并有效地減少了結(jié)構(gòu)的位移。

②比對蒙皮板不同布置下的有限元分析結(jié)果，可看出縱向墻面蒙皮板對于結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)力和側(cè)移的影響并不顯著，但對結(jié)構(gòu)跨中撓度以及縱向荷載作用下的結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生一定的效果。

③輕鋼結(jié)構(gòu)縱向原由各榀剛架連接，在考慮屋面蒙皮效應(yīng)后，連接成為整體參與工作，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度提高結(jié)構(gòu)承載力。

④由于屋面蒙皮板在其自身平面內(nèi)有很大的抗剪剛度儲備，故結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的蒙皮效應(yīng)更為顯著，且分析得知蒙皮板厚度對結(jié)構(gòu)整體性能的影響不明顯。

⑤考慮蒙皮效應(yīng)后，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體剛度，減小了變形，結(jié)構(gòu)承載力有了一定的提高。 故在設(shè)計中若增加蒙皮效應(yīng)的影響，可有效減小構(gòu)件截面，在減輕結(jié)構(gòu)自重的同時使得結(jié)構(gòu)合理且經(jīng)濟(jì)。

[1]朱勇軍,張耀春.蒙皮支撐的鋼構(gòu)件靜力分析的有限元方法[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,1996(2).

[2]朱勇軍,張耀春,劉錫良.影響蒙皮支撐梁靜力性能的若干因素[J].天津大學(xué)學(xué)報,1999(2).

[3]柏樹新,姬廣華,林醒山.受力蒙皮的有限元分析[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報,1992(2).

[4]CECS102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社,2003.

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[6]尚萬樣,何永福.蒙皮效應(yīng)在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房中的應(yīng)用[J].淮海工學(xué)院學(xué)報,2005(2).