復(fù)合材料的蒙皮效應(yīng)研究

種慧景　王國軍

摘 要：隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，和鋼產(chǎn)量的不斷提高，我國在輕鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，在低層民用住宅和低層廠房中得到了廣泛的應(yīng)用。這不僅響應(yīng)了我國限粘的政策，更貼合了可持續(xù)發(fā)展的方針，具有良好的社會意義。蒙皮效應(yīng)在輕鋼結(jié)構(gòu)中普遍存在，但其應(yīng)用依然受到很多限制。文章所研究的復(fù)合材料的蒙皮效應(yīng)對于輕鋼結(jié)構(gòu)的推廣以及設(shè)計有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；輕鋼結(jié)構(gòu)；蒙皮效應(yīng)

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，輕鋼結(jié)構(gòu)具有制作簡單、安裝方便、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，并且節(jié)能、綠色環(huán)保、可循環(huán)利用。變更傳統(tǒng)的住宅建筑理念，實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化，是我國國情的基本要求。

隨著輕鋼結(jié)構(gòu)在我國的迅速推廣，出于對建筑節(jié)能和環(huán)保的考慮，圍護(hù)材料僅使用壓型鋼板已不能滿足房屋的舒適性要求。壓型鋼板較薄，不能起到良好的保溫、隔熱作用，而夾芯板恰好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。夾芯板是由兩層成型金屬面板（或者其他材料面板）和直接在面板中間發(fā)泡、熟化成型的高分子隔熱內(nèi)心組成的，具有良好的整體性和優(yōu)異的材料性能，輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗震、防水、美觀。

1 復(fù)合材料夾芯板的蒙皮效應(yīng)

蒙皮結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：框架構(gòu)件、蒙皮板和連接件。當(dāng)夾芯板與檁條及板與板之間通過不同的緊固件可靠連接時，夾芯板與鋼骨架即可協(xié)同工作，提高建筑結(jié)構(gòu)的空間剛度和穩(wěn)定性，能夠有效地傳遞夾芯板平面內(nèi)的剪切力，進(jìn)而可取代或部分取代屋蓋體系支撐間的縱向系桿，減少屋面橫向水平支撐。下面以一3層冷彎薄壁型鋼密肋結(jié)構(gòu)體系住宅為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。該工程的有限元模型如圖1和圖2所示。

考慮蒙皮效應(yīng)與不考慮蒙皮效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z三個方向上的最大位移對比見表1。

根據(jù)最不利荷載工況，在有限元模型中施加荷載并求解，得裸鋼骨架和布置蒙皮兩種情況的位移圖，如圖3-圖6所示。

從圖中可以看出，僅一層結(jié)構(gòu)處Y方向出現(xiàn)了較大的撓度，原因在于此處屋面梁跨度大，為6.6m，蒙皮板于框架間的連接件布置較稀疏，另外屋面是上人屋面，荷載取值也大。布置蒙皮后，結(jié)構(gòu)Y方向位移降低了53.10%，更加趨于安全。表1表明，加有蒙皮的結(jié)構(gòu)比裸鋼骨架在X、Y、Z三個方向的位移均有明顯減小，其中以X方向最為突出，由-0.003147m降低到-0.000382m，降低幅度達(dá)87.86%。水平位移主要受水平荷載影響，在該模型中風(fēng)荷載從X的負(fù)方向吹向X的正方向，在該軸上產(chǎn)生了同向的作用力，考慮蒙皮效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)側(cè)移得到極大改善。蒙皮效應(yīng)使房屋的受力性能被改變，所以對于某些輕鋼結(jié)構(gòu)如要真實(shí)地反映工程實(shí)際狀況需在設(shè)計中考慮蒙皮效應(yīng)的影響。

2 蒙皮效應(yīng)的影響因素

2.1 夾心板厚度對蒙皮效應(yīng)的影響

夾芯板是一種復(fù)合材料，面板和芯材的厚度不同蒙皮效應(yīng)所體現(xiàn)的效用也不同，為研究其影響文章選擇了四種不同的夾芯板，其一，面板厚0.5mm，芯材厚85mm；其二，面板厚0.5mm，芯材厚90mm；其三，面板厚0.5mm，芯材厚95mm；其四，面板厚0.8mm，芯材厚85mm。通過有限元模型計算分析，得出結(jié)構(gòu)在上述各種情況下的最大位移值，其統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表2容易看出，不論是增加芯材的厚度，還是增加內(nèi)、外面板的厚度，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z三個方向上的最大位移均有所減小，進(jìn)而可以得出結(jié)論，增加復(fù)合材料蒙皮板的厚度可以降低結(jié)構(gòu)的位移值，使結(jié)構(gòu)剛度得到一定程度的提高?？v向?qū)Ρ龋瑥?fù)合材料蒙皮板板厚為（0.8+85+0.8）mm時，結(jié)構(gòu)各方向位移減小的幅度最大，因此增加內(nèi)、外面板的厚度比增加芯材的厚度效果更好。橫向?qū)Ρ?，Y方向上位移減小的幅度較大，X方向次之，Z方向保持不變?？傮w來說，雖然位移值都得到了一定程度的降低，但其調(diào)整幅度都限制在較小的范圍內(nèi)，由此可以說明，增加復(fù)合材料蒙皮板的厚度能夠提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，這種提高并不會大大改善結(jié)構(gòu)的抗變形能力，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)情況選用較為經(jīng)濟(jì)合理的厚度。

2.2 連接方式對蒙皮效應(yīng)的影響

蒙皮板與框架之間的連接狀況對能否考慮蒙皮效應(yīng)及蒙皮效應(yīng)的作用大小有很大影響，是輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)著重考慮的內(nèi)容。從圖3和圖4可知，僅一層的結(jié)構(gòu)處屋頂位移最大，為考查蒙皮連接間距對蒙皮效應(yīng)的影響，現(xiàn)改變此處連接件的間距，其他條件保持不變，以增加可比性。

減小連接件間距后，結(jié)構(gòu)在Y方向上最大位移值對比如表3。

由表3和表4可以看出，結(jié)構(gòu)Y方向上的最大位移值由-0.014528m減小為-0.007622m，減小了47.5%；結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力由原來的163MPa降到104MPa，降幅為35.4%?？梢?，連接件數(shù)量的增加使蒙皮板與框架的連接更加可靠，蒙皮效應(yīng)發(fā)揮的作用愈加明顯。設(shè)計中一旦考慮蒙皮效應(yīng)，必須嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)程嚴(yán)謹(jǐn)操作，確保蒙皮與框架的可靠連接及荷載的有效傳遞，并且是后期使用及維護(hù)過程中不能隨意拆除連接件和蒙皮板。

3 結(jié)語

第一，蒙皮與框架可靠連接可以增加結(jié)構(gòu)的剛度，提高抗側(cè)移的能力，同時還能夠改善框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

第二，蒙皮厚度愈大蒙皮效應(yīng)愈顯著，并且增加內(nèi)、外面板的厚度比增加中間芯材的厚度更有效，實(shí)際使用時應(yīng)根據(jù)具體情況確定合理的面層、芯層厚度。

第三，連接件的數(shù)量和布置方式對蒙皮效應(yīng)有很大影響，連接件間間距愈小，蒙皮與框架結(jié)構(gòu)的整體性能就愈好，所發(fā)揮的蒙皮作用就愈明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 季淵，童根樹.輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力蒙皮設(shè)計研究綜述[J].工業(yè)建筑，2002， 32（12）：61-63.

[2] 吳曉輝.薄壁冷彎型鋼小桁架建筑體系[J].建筑科技，2004（12）.

[3] 米嬋娟，周洪彬，趙燕青等.考慮蒙皮作用的剛架側(cè)移分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005（06）：50-51.

[4] 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，Voll4（02）：74-76.

[5] 趙滇生，何剡江，徐衛(wèi)敏.鋼框架中蒙皮效應(yīng)的若干影響因素.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，36（03）：305-310.

作者簡介：種慧景，女，河南商丘人，碩士，河南省眾慧電力工程咨詢有限責(zé)任公司。