蒙皮效應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用進(jìn)展*

楊聯(lián)萍，王 萌，張其林，余少樂(lè)，韋 申

(1 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2 華東建筑集團(tuán)股份有限公司， 上海 200011；3 中國(guó)建筑第八工程局有限公司， 上海 200135； 4 上海中梁地產(chǎn)集團(tuán)有限公司， 上海 200062)

0 引言

20世紀(jì)50年代，蒙皮效應(yīng)的概念被引入到建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。在建筑結(jié)構(gòu)中，通過(guò)各種連接件將金屬蒙皮直接連接于建筑結(jié)構(gòu)的承重系統(tǒng)上，形成一個(gè)可以共同運(yùn)行工作的建筑整體，使金屬蒙皮的抗拉、抗剪強(qiáng)度和剛度性能得到充分的發(fā)揮，大幅提高建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和建筑整體的剛度[1-2]。

本文對(duì)蒙皮效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理和條件進(jìn)行了介紹，并且針對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于蒙皮效應(yīng)的理論研究和工程應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和討論，為蒙皮效應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究、設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 蒙皮效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及條件

蒙皮結(jié)構(gòu)通常由三部分組成：第一部分是蒙皮板，包含壓型鋼板、金屬屋面板、柔性薄膜材料等；第二部分是主體結(jié)構(gòu)，包含輕鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、金屬骨架結(jié)構(gòu)等；第三部分是蒙皮與主體結(jié)構(gòu)的連接件，以保證蒙皮結(jié)構(gòu)受力時(shí)，三種結(jié)構(gòu)共同發(fā)揮抵抗外力的作用。

蒙皮效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于斜屋面門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)中，文獻(xiàn)[1]中給出了坡面屋頂承受豎向荷載時(shí)蒙皮作用示意圖(圖1)和平屋頂承受水平荷載時(shí)蒙皮作用示意圖(圖2)。由圖1可見(jiàn)，在豎向位移荷載分量的作用下，頂板有向下位移分量，屋檐有水平向外位移分量。如果屋面板在其平面上沒(méi)有變形，山脊和屋檐就不會(huì)產(chǎn)生位移。然而，由于門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)不是絕對(duì)剛體，這種位移必然會(huì)發(fā)生。支撐結(jié)構(gòu)與平面內(nèi)剛度較大的屋面板形成了“深梁”結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)荷載。在屋面板平面內(nèi)，由于建筑物的長(zhǎng)寬比要遠(yuǎn)小于普通深度梁的橫向跨高比，所以屋面板的彎曲效果較普通深度梁的橫向彎曲效果低，剪切變形占據(jù)了主導(dǎo)。因此，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了蒙皮板的剪切效果后可以忽略壓型鋼板的彎曲。

圖1 坡面屋頂承受豎向荷載時(shí)蒙皮作用示意圖

圖2 平屋頂承受水平荷載時(shí)蒙皮作用示意圖

由圖2可見(jiàn)，在平屋面結(jié)構(gòu)中，橫向水平荷載作用在屋面板平面內(nèi)，因此屋面板也類似于上述的深板梁。這種蒙皮效應(yīng)通常可以依靠這種屋面板來(lái)保證其穩(wěn)定性，以提高鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和控制主體結(jié)構(gòu)的橫向位移和梁的水平撓度。

從斜屋頂結(jié)構(gòu)和平屋頂結(jié)構(gòu)的受力情況可以看出，蒙皮效應(yīng)主要取決于兩端山墻的剛度和連接構(gòu)造措施。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果也表明，考慮壓型鋼板圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和剛度均大于骨架結(jié)構(gòu)承載力和剛度的計(jì)算值。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的帶來(lái)的蒙皮效應(yīng)不僅能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)性能，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性，更能節(jié)省工程成本。

2 常見(jiàn)的應(yīng)用蒙皮效應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式

2.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)

蒙皮結(jié)構(gòu)中最常用的一種結(jié)構(gòu)形式是單層或者多層的建筑，使用壓型鋼板作為墻體與屋頂。為了保證舒適性和安全性，通常將隔熱材料或其他高性能材料填充在封閉板的雙層異形鋼板的中間，結(jié)構(gòu)中的墻板可以抵抗骨架結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)的載荷[3]。

2.2 輕型鋼折板結(jié)構(gòu)

輕型鋼折板結(jié)構(gòu)是在原坡屋頂門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，坡屋頂門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)取消了中間框架，僅采用折線構(gòu)件和面板組成的板結(jié)構(gòu)覆蓋兩山墻之間的空間。

2.3 輕型薄鋼雙曲拋物面殼

雙曲拋物面是一種特別適合輕型薄鋼結(jié)構(gòu)的幾何形式，具有特殊的幾何美感。在這種結(jié)構(gòu)中，蒙皮板呈曲線布置，與主體結(jié)構(gòu)的有效連接可以顯著提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，通常應(yīng)用于大型的公共建筑中。

2.4 輕型薄鋼圓柱殼

多個(gè)永久彎曲板都可以被組裝成任何一種殼體的形狀，且無(wú)需扭曲。最常見(jiàn)的一種方法就是把擠壓式鋼板直接卷成一個(gè)圓柱形表面，也就是說(shuō)可以將擠壓式鋼板做成其他的形狀。筒倉(cāng)和倉(cāng)體筒體都是常見(jiàn)的輕鋼圓柱殼。

2.5 受力蒙皮箱形結(jié)構(gòu)

蒙皮效應(yīng)還廣泛地應(yīng)用于模塊結(jié)構(gòu)中，如盒式的箱形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常被廣泛應(yīng)用于一些單層的活動(dòng)性房屋，但也有一些單元可以廣泛應(yīng)用于其他多層建筑。

2.6 金屬空間結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展，蒙皮結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于雷達(dá)罩等軍事設(shè)施中，在這種結(jié)構(gòu)中，考慮到薄膜蒙皮與骨架的緊密連接，薄膜結(jié)構(gòu)不僅用作外殼，而且還參與了骨架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體工作，蒙皮效應(yīng)更為顯著。

3 蒙皮效應(yīng)的研究進(jìn)展

20世紀(jì)50年代，國(guó)外學(xué)者為驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，對(duì)門(mén)式剛架廠房的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值遠(yuǎn)小于計(jì)算值，這也是首次發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)[4]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于蒙皮效應(yīng)的研究主要包括以下幾點(diǎn)：1)連接方式的性能的研究；2)蒙皮體支撐構(gòu)件的靜力特性；3)蒙皮體的抗剪性能；4)蒙皮單元和主結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能；5)空間結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)。下文針對(duì)上述幾點(diǎn)的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與匯總。

3.1 連接方式的性能研究

蒙皮連接方式的性能研究始于20世紀(jì)60年代，對(duì)于這方面的研究主要是針對(duì)采用自攻螺釘連接、拉鉚釘連接及電弧點(diǎn)焊連接的蒙皮連接方式性能研究。1965年，Luttrell[5]通過(guò)試驗(yàn)探索了焊接和螺釘兩種連接方式在蒙皮結(jié)構(gòu)中運(yùn)用。該模型試驗(yàn)中充分考慮了滯回荷載對(duì)蒙皮性能的影響，并提出了兩種連接件的半經(jīng)驗(yàn)剪切剛度公式。1968年，英國(guó)學(xué)者Bryan[6]測(cè)量了蒙皮結(jié)構(gòu)的整體剪切剛度，并提出了受力蒙皮板剪切柔度和強(qiáng)度的計(jì)算方法。1977年，Davies[7]將結(jié)構(gòu)的蒙皮部分等效為由等截面構(gòu)件組成的平面框架，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)的計(jì)算程序。同年，Easley[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)連接件處蒙皮的局部擠壓和剪切破壞是最常見(jiàn)的破壞模式，且蒙皮的剪切剛度還取決于連接件的分布和數(shù)量。

1991年，盧鐵鷹等[9]對(duì)電弧焊接件的抗剪連接件進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，提出了電弧焊接有效直徑的計(jì)算公式，給出了節(jié)點(diǎn)剛度的定義和取值。1993年，龍莉萍等[10]采用壓型鋼板電弧焊連接試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行了可靠性的分析，得出了兩種失效模型下的可靠性指標(biāo)及其對(duì)抗力評(píng)價(jià)的分項(xiàng)系數(shù)。1993年，龍莉萍等[11]對(duì)電弧焊接的蒙皮體的剪切特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲取了兩個(gè)蒙皮體的荷載-位移曲線及其抗剪能力和剛度。1993年，林醒山等[12]測(cè)試了蒙皮結(jié)構(gòu)中不同連接件的抗剪性能，并詳細(xì)地分析了連接件對(duì)蒙皮板抗剪強(qiáng)度、剛度、破壞模式的影響規(guī)律。1995年，潘景龍[13]研究了影響自攻式螺釘連接性能的因素，結(jié)果表明連接件的構(gòu)造對(duì)于蒙皮的剛度具有非常重要的影響。2008年及2010年，張雪麗[14-15]對(duì)抗剪螺釘?shù)倪B接性能進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)和研究，分析了板厚和波高對(duì)蒙皮結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響。通過(guò)有限元分析獲得不同荷載工況下的蒙皮體荷載-位移曲線、極限強(qiáng)度和最大剪切位移。2014年，郝際平等[16]對(duì)32個(gè)螺紋連接試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，鋼板與鋼板連接的失效模式為鋼板在螺孔處受到局部壓力，螺釘頭被切斷。2018年，管宇等[17]對(duì)三個(gè)足尺冷彎薄壁型鋼樓板試件進(jìn)行了水平低周往復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)顯示邊框橫梁與壓型夾層鋼板之間的自攻螺釘連接失效后將會(huì)引起壓型樓板內(nèi)部試件的連接失效，試驗(yàn)自攻螺釘失效模式及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 足尺冷彎薄壁型鋼樓蓋試件中自攻螺釘破壞模式

以上研究表明，連接件的有效連接是蒙皮結(jié)構(gòu)能否發(fā)揮蒙皮效應(yīng)的關(guān)鍵。因此，通過(guò)自攻螺釘、空心鉚釘(拉鉚釘)、射釘?shù)染o固件連接壓型鋼板與主體結(jié)構(gòu)的蒙皮組合具有較高的整體性能，能有效地發(fā)揮蒙皮效應(yīng)。

3.2 支撐構(gòu)件的力學(xué)性能研究

1996年，朱勇軍等[18-20]研究了冷彎薄壁C形截面檁條在蒙皮板側(cè)向支撐及扭轉(zhuǎn)約束作用下的靜力性能。結(jié)果表明，對(duì)于大長(zhǎng)細(xì)比梁易出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，蒙皮效應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)向支撐和扭轉(zhuǎn)約束可以使其得到有效改善。2000年，李祿等[21]基于C形截面檁條在風(fēng)吸力作用下的理論和足尺試驗(yàn)研究成果，指出《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102—2012)中的取值較為保守。2007年，趙滇生等[22]研究了端部固定、板約束的H形鋼梁的非線性屈曲，并分析了下翼緣高度和寬度變化時(shí)負(fù)彎矩區(qū)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲對(duì)梁整體穩(wěn)定性的影響。2018年，朱穎等[23]通過(guò)改變約束條件考慮蒙皮對(duì)冷彎薄壁型鋼檁條穩(wěn)定性的影響，證明了蒙皮對(duì)冷彎薄壁型鋼檁條有明顯的約束作用。

目前國(guó)內(nèi)研究工作主要集中于利用有限元軟件對(duì)蒙皮支撐系統(tǒng)內(nèi)力和變形等因素進(jìn)行仿真分析，利用有限元分析和試驗(yàn)研究結(jié)合的方法對(duì)蒙皮支撐系統(tǒng)在風(fēng)吸力作用下整體穩(wěn)定性展開(kāi)研究。但仍需要進(jìn)一步研究，建立符合我國(guó)實(shí)際情況的實(shí)用簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

3.3 蒙皮體的抗剪性能研究

Lucas等于1997年建立了蒙皮結(jié)構(gòu)的精細(xì)和簡(jiǎn)化有限元模型，計(jì)算了不同邊界條件約束下蒙皮結(jié)構(gòu)的剪切剛度，與其試驗(yàn)結(jié)果吻合較好[24-25]。Matteis等[26]對(duì)于蒙皮連接件結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，探討了蒙皮連接件在風(fēng)荷載和地震應(yīng)力作用下的滯回特性。

1993年，李文等[27]對(duì)W-600型高波壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明W-600型高波壓型鋼板具有顯著的蒙皮效應(yīng)，高波壓型鋼板下板側(cè)連接件及其支撐在增強(qiáng)蒙皮橫向剛度方面發(fā)揮了良好的作用。1993年，盧鐵鷹等[28]對(duì)電弧點(diǎn)焊連接的蒙皮進(jìn)行了抗剪試驗(yàn)，推導(dǎo)出點(diǎn)焊連接件的蒙皮極限承載能力和抗剪剛度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

2005年，龍莉萍等[29]采用懸臂梁-蒙皮-板試驗(yàn)研究蒙皮在靜載荷下的承載力。結(jié)果表明國(guó)產(chǎn)V840型鋼板與框架、檁條組成的受力蒙皮組合具有明顯的蒙皮效應(yīng)，但抗剪承載力不高。2019年，田穩(wěn)苓等[30]對(duì)輕鋼龍骨-蒙皮-板復(fù)合墻體的抗剪承載力實(shí)施了試驗(yàn)，確定了基于輕鋼龍骨-蒙皮-板復(fù)合墻體螺旋群破壞模型的抗剪承載力，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。該研究中考慮到蒙皮板起到的承載作用，假定不同行間(圖10(b)中的Ⅰ行與Ⅱ行)的螺釘承受的水平方向剪力值相等，基于此推導(dǎo)了復(fù)合墻體抗剪承載力的計(jì)算公式。

圖4 輕鋼龍骨蒙皮板復(fù)合墻體抗剪承載力測(cè)試試驗(yàn)

2005年，陳劍等[31]通過(guò)試驗(yàn)分析了有孔蒙皮和無(wú)孔蒙皮之間的蒙皮效果，結(jié)果表明開(kāi)口附近存在明顯的應(yīng)力集中，如果未及時(shí)加強(qiáng)保護(hù)筋帶或做適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度加強(qiáng)保護(hù)處理，開(kāi)口附近的筋會(huì)變得脆弱，無(wú)法正常運(yùn)行使用。2010年，彭敏[32]通過(guò)對(duì)HV-75-380型鋼板蒙皮連接件進(jìn)行試驗(yàn)分析，重點(diǎn)考慮連接件布置數(shù)量和方式、手動(dòng)咬合板之間的連接方式以及支架的厚度和扭轉(zhuǎn)剛度。2018年，褚云朋[33]對(duì)帶蒙皮的復(fù)合墻體-樓板節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示有蒙皮試件初始剛度比無(wú)蒙皮試件強(qiáng)，但是剛度受到的損傷略高，結(jié)果如圖5所示。

圖5 考慮蒙皮的組合墻體-樓板節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

綜上所述，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者已經(jīng)對(duì)連接件的抗拉和抗剪性能問(wèn)題進(jìn)行了很多試驗(yàn)和研究，并根據(jù)試驗(yàn)成果提出了連接件的承載力的計(jì)算公式，但并沒(méi)有推導(dǎo)出適合連接件剛度的一種通用計(jì)算公式。目前，對(duì)連接件剛度的選擇和取值主要是通過(guò)對(duì)連接件剪切試驗(yàn)來(lái)確定。

3.4 蒙皮體與主結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性能的研究

2001年，完海鷹等[34]研究了在高層鋼結(jié)構(gòu)中考慮蒙皮效應(yīng)，分析表明考慮壓型鋼板時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)成為了承載結(jié)構(gòu)的一部分，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。2005年，尚萬(wàn)祥等[35]分析了蒙皮效應(yīng)對(duì)檁條的約束作用以及整個(gè)結(jié)構(gòu)的水平承載能力，結(jié)果表明考慮蒙皮效應(yīng)可以節(jié)省約10%的鋼材。

2007年，孔唯云等[36]對(duì)無(wú)蒙皮的普通門(mén)式剛架和有蒙皮的門(mén)式剛架進(jìn)行了分析，結(jié)果表明蒙皮本身與結(jié)構(gòu)共用工作時(shí)，門(mén)式剛架柱頂側(cè)向位移和內(nèi)力得到了較大程度的削弱和減少，蒙皮效應(yīng)對(duì)于鋼柱長(zhǎng)細(xì)比也是具有一些要求，如果長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大，蒙皮效應(yīng)的有益效果將不再明顯。2009年，盧林楓等[37]研究了無(wú)蒙皮和蒙皮門(mén)式剛架的整體性能。計(jì)算分析結(jié)果顯示蒙皮效應(yīng)在結(jié)構(gòu)剛架的兩向位移上均具有非常強(qiáng)的橫向約束作用。2017年，王曉君[38]對(duì)輕鋼龍骨復(fù)合墻體抗側(cè)力行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如圖6所示，結(jié)果表明，普通骨架被覆蓋鋼絲網(wǎng)后，模型構(gòu)件的側(cè)向力增加約32%。

圖6 輕鋼龍骨復(fù)合墻體抗側(cè)性能試驗(yàn)研究

2016年，Peng等[39]開(kāi)展了基于遺傳算法的冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架應(yīng)力蒙皮優(yōu)化設(shè)計(jì)，用于考慮半剛性節(jié)點(diǎn)影響的冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架體系的框架優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于具有兩個(gè)內(nèi)框架的建筑，與忽略應(yīng)力蒙皮影響的設(shè)計(jì)相比，內(nèi)框架的材料成本可降低53%。2017年，Leerkes等[40]研究了蒙皮效應(yīng)下鋼橋面橫隔梁的荷載變形特性，并建立了一個(gè)由750多個(gè)樣本組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。2018年，鄢跡[41]研究了蒙皮效應(yīng)對(duì)立體停車結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能的影響規(guī)律，計(jì)算模型和結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，考慮到蒙皮效應(yīng)時(shí)，停車結(jié)構(gòu)橫向剛度可以得到較大的提高。2018年，李宗諭[42]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)考慮蒙皮效應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的分析。結(jié)果顯示在相同高度下，網(wǎng)架尺寸越大，結(jié)構(gòu)承載力越小，蒙皮效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響越大；冷卻塔高度越高，蒙皮效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響越大。2020年，李強(qiáng)[43]對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中蒙皮和輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗剪分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的蒙皮可以顯著地減小山墻框架與中間圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間相對(duì)位移，從而提高建筑物的抗剪承載力。

圖7 蒙皮效應(yīng)對(duì)立體停車結(jié)構(gòu)的靜力與動(dòng)力性能的影響數(shù)值分析

上述研究表明，蒙皮效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能有顯著的影響，無(wú)論是極限承載力還是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)外的研究大多集中在結(jié)構(gòu)的整體性能上，但有些細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步的考慮，例如，如何評(píng)估開(kāi)孔對(duì)蒙皮結(jié)構(gòu)中抗剪強(qiáng)度的弱化程度是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，蒙皮結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)荷載、地震等往復(fù)剪切荷載作用時(shí)的滯回特性有待于進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)和研究。

3.5 空間結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)

近年來(lái)，大量學(xué)者開(kāi)始關(guān)注空間結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)問(wèn)題。2015年，Liu等[44]通過(guò)有限元軟件建立了考慮蒙皮效應(yīng)的鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)與無(wú)蒙皮的結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)將鋁合金結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性提高了3倍左右。2016年，丁敏等[45]通過(guò)數(shù)值模擬研究了蒙皮效應(yīng)對(duì)溫室結(jié)構(gòu)整體性能的影響，結(jié)果表明蒙皮效應(yīng)顯著提高了溫室結(jié)構(gòu)的整體性能，其承載力在風(fēng)荷載下提升約0.35倍，雪荷載下提升4倍左右，如圖8所示。2017年，Liu等[46]在考慮了幾何非線性和材料非線性雙重非線性的基礎(chǔ)上分析了蒙皮效應(yīng)對(duì)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體性能的影響，結(jié)果表明屋面板產(chǎn)生的蒙皮效應(yīng)能顯著改善鋁合金單層球面網(wǎng)殼的整體剛度和極限承載力，對(duì)跨度為30，60，90，120,150m的鋁合金單層球面網(wǎng)殼的極限承載力分別提升了2.5，2.1，1.95，1.75,1.5倍。2020年，為了研究蒙皮效應(yīng)對(duì)雷達(dá)罩鋁合金結(jié)構(gòu)整體性能的影響，武岳等[47-48]通過(guò)對(duì)三種工況的比較，揭示了蒙皮與骨架協(xié)同工作的機(jī)理，試驗(yàn)過(guò)程如9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明外覆蒙皮的存在為骨架結(jié)構(gòu)提供了側(cè)向支撐，改善了桿件的穩(wěn)定性。

圖8 蒙皮效應(yīng)對(duì)空間結(jié)構(gòu)性能的影響

圖9 考慮蒙皮效應(yīng)的雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)

對(duì)于空間結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法僅僅考慮了覆蓋材料的自重，但未考慮其對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)。事實(shí)上，空間結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件在外覆蒙皮的約束下，其剛度和承載力都能得到顯著改善，繼而增強(qiáng)了空間結(jié)構(gòu)的整體性，起到側(cè)向支撐的作用。這間接導(dǎo)致了蒙皮在一定程度上能提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度、面內(nèi)剪切剛度和強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒙皮效應(yīng)的研究成果，總結(jié)了蒙皮效應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。由前人的研究成果可得，蒙皮結(jié)構(gòu)中蒙皮與主體結(jié)構(gòu)的有效連接是發(fā)揮蒙皮效應(yīng)的關(guān)鍵所在，采用滑動(dòng)連接的蒙皮結(jié)構(gòu)將失去蒙皮帶來(lái)整體結(jié)構(gòu)性能提升的功效。此外，外覆蒙皮的類型、尺寸、是否穿孔及連接件的類型、數(shù)量、布置均對(duì)蒙皮效應(yīng)存在影響。

目前蒙皮效應(yīng)的研究主要集中在輕鋼結(jié)構(gòu)中，鋁合金由于其獨(dú)有的特點(diǎn)，在與空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合的過(guò)程中逐漸發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，其中鋁合金單層網(wǎng)殼以其優(yōu)秀的表現(xiàn)力和適用性實(shí)現(xiàn)了眾多建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的獨(dú)特設(shè)計(jì)理念，到目前為止，我國(guó)各地已建成了多座鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。但在鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，對(duì)于考慮蒙皮效應(yīng)后彈性及彈塑性的穩(wěn)定承載力、穩(wěn)定極限承載力的影響因素等問(wèn)題，尚沒(méi)有系統(tǒng)的研究。

蒙皮效應(yīng)與不同的邊界條件和不同的材料都有著緊密的關(guān)系，隨著新型材料在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的連接方式也會(huì)發(fā)生變化，不同的連接方式、連接間距、材料及材料規(guī)格的變化可能出現(xiàn)多種破壞模式，需要進(jìn)行更深入的研究分析，進(jìn)一步推動(dòng)蒙皮效應(yīng)的研究進(jìn)展。