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摘要： 本文阐述了蒙皮效应的工作机理、构造条件以及影响蒙皮效应的各种因素，并阐明了在具体结构设计中应注意的各种事项
关键词： 蒙皮效应 工作机理 影响因素
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
一、引言
轻钢建筑具有自重轻、工业化程度高、结构抗震性能好、综合效益优良等优点，因而被广泛应用到工程建设中。屋面板和墙面板等围护体系相对于轻质的主体结构有着不可忽视的作用，当围护体系(主要指屋面板和墙面板)与主体框架结构具有可靠连接时，围护体系就会产生一定的平面内抗剪强度及抗剪刚度，与主体框架结构共同协调作用承担荷载，可以有效加强结构整体刚度，这种效应我们称之为蒙皮效应。围护体系中能产生蒙皮作用的最小单元称为蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。考虑蒙皮效应不仅使工程造价更加经济，而且更符合建筑结构实际受力状态，使得结构设计更为合理。
二、蒙皮效应的工作机理
在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加，见图1所示。
图1蒙皮效应
虽然围护结构受力蒙皮效应最初是在考虑坡屋顶门式刚架结构的力学性能时发现的。然而对于平屋顶结构，屋檐标高处的侧向荷载直接施加在屋面板平面内，因而屋面板能够如上面提到的深梁一样，凭借应力蒙皮作用，有效地承受此种水平荷载。这种形式的受力蒙皮作用非常明显，以致有可能完全依靠屋面板来保证其结构的稳定性，而无需刚接框架或设置抗风支撑。这种受力蒙皮作用的效果取决于在山墙面的构造措施及其刚度。
平屋顶结构在承受竖向荷载时，受力蒙皮作用并不明显，由此可得出一个重要的总原则:受力蒙皮作用对于抵抗蒙皮板平面内的荷载十分有效，而对于垂直于蒙皮板的荷载几乎不起作用。因此对于坡屋顶框架结构，由于屋面坡度一般较小，受力蒙皮作用对于抵抗结构上的侧向荷载十分有效，而对于竖向荷载，受力蒙皮作用有效的程度取决于屋面的坡度，坡度减小，受力蒙皮作用也相应减弱。
三、应用蒙皮效应的构造要求
要使蒙皮板能与结构有效地产生受力蒙皮作用，建筑物的蒙皮构造必须满足以下的要求:(1)应当设置合适的构件和连接件，以便把蒙皮作用产生的内力传导到主体结构框架上，最后传递给基础。(2)每块屋(墙)面板的两端均应直接固定在周边构件上，其固定方法可以采用焊接或通过自攻螺钉、射钉、螺栓或其它紧固件，在使用期间紧固件不得松动，并在覆面材料撕裂前不得出现剪切破坏。所有这些紧固件均應穿过波谷固定，并应将面板直接紧固在周边构件上。不宜采用靠摩擦传递剪力的钩头螺栓或其它紧固件。(3)沿蒙皮板的跨度方向，所有板均应设有足够的边缘构件，这些构件及其连接应具有足够的强度，能承担蒙皮作用产生的翼缘内力。
一般情况下，常规的蒙皮结构根据应力蒙皮与框架的不同作用形式可分为两种:一种是完全依靠蒙皮作用来保证结构的稳定性，这类蒙皮结构的典型的结构形式是低层、平屋顶结构，因结构的梁柱节点刚度较差，当没有适当的柱间支撑时，结构的稳定性完全依赖蒙皮作用；另一种是应力蒙皮与刚架共同作用，这类结构形式应用较为普遍，荷载由刚架和蒙皮板共同承担。因此，在同样条件下可以比不考虑蒙皮效应的结构节省材料。在以下几类典型的情况中，蒙皮效应的作用特别明显:(l)刚架柱的截面尺寸主要由侧向荷载决定的门式刚架。(2)对于较高的坡屋顶结构，特别是有吊车的情况下，侧向位移对结构的安全性是起决定性作用的。(3)对于高度较高，平面布置为长条型的建筑在风荷载作用下，中间框架的位移将明显大于山墙的侧向位移，如果不考虑蒙皮作用，中间框架的内力将会很大。(4)对于有吊车的结构，由于小车的制动作用对框架产生集中荷载，由于蒙皮作用，集中荷载会被分配到相邻的框架。
四、蒙皮效应的影响因素
影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个：蒙皮板本身的变形刚度、连接件的变形刚度及边缘构件的轴向变形刚度。一般而言，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。在屋面板型选中后，连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。
从BS5950(1994) 规程中计算屋顶蒙皮板柔度的公式可以看出，蒙皮板的厚度与其柔度关系紧密，在柱顶水平荷载作用下，随着蒙皮板厚度的增加，中柱和边柱的柱顶侧移线性减小，因此，增加蒙皮板厚度对提高结构的整体刚度、增强结构的抗侧移能力是有效的。但是，在工程常用的压型钢板厚度范围内，这种减小的幅度并不大。因此，在实际工程中，单纯通过改变蒙皮板的厚度来提高其抗变形能力，意义不大。由于蒙皮板厚度增加，结构侧移逐渐减小，因此框架梁柱弯矩减小，剪力也逐渐减小。
钢架柱的长细比也是蒙皮效应的重要影响因素，对于不考虑蒙皮作用的门式刚架，随着柱长细比的增加，构件逐渐纤细，截面相对薄弱。因此，柱顶位移呈非线性增加趋势，结构变形越来越大。而对于考虑蒙皮作用的门式刚架，随着柱的长细比的增加，在柱顶水平荷载的作用下，柱顶位移虽然增加，但增加的幅度与相同长细比的无蒙皮门式刚架结构相比较小。这是因为屋面蒙皮拥有较强的整体性和较大的平面内刚度，它不仅协调结构变形，同时还能将结构所受荷载进行内力重分布，使考虑蒙皮作用的门式刚架柱顶位移虽然增加，但增加幅度很小。在设计考虑蒙皮作用的门式刚架时，柱长细比应大于35，否则不利于蒙皮作用的发挥。对于无蒙皮门式刚架，在荷载作用下，结构内力随荷载的增加呈线性增加的趋势，且长细比越大，内力增加幅度越大。而有蒙皮的门式刚架，在内力与荷载曲线出现分叉后，增加的幅度与相同长细比的无蒙皮门式刚架结构相比要小很多，并且内力随长细比增加的幅度也比无蒙皮门式刚架小。这是因为，在蒙皮发挥作用后，有蒙皮的门式刚架凭借蒙皮良好的整体性和空间刚度，蒙皮与刚架协同工作，大大加强了结构的整体刚度，减小了结构的变形，而且，由于蒙皮参加工作，分担了相当一部分荷载，使结构的内力显著减小。梁柱节点处的柱的剪力随荷载的变化规律与梁柱节点处的弯矩和梁剪力一致，但随柱长细比变化的规律则不同。不考虑蒙皮的情况下，粱柱节点处的柱剪力随柱长细比的增长，变化不大，并且剪力最大值减小了。而考虑蒙皮作用时，柱剪力随柱长细比的增长反而减小了。因此屋面蒙皮和刚架可靠连接，在柱顶水平荷载作用下，不仅可以有效地减小结构内力，而且显著改变结构内力值随柱长细比的变化规律。
另外，边框架(包括梁和擦条)的参数变化对蒙皮体的力学性能的影响主要通过改变连接件的布置形式来实现，本质是由于连接件设置形式不同导致了蒙皮体的力学性能的不同；板缝连接件的加密可以增强蒙皮板的整体性，改变板擦间连接件的内力分布情况，增加了连接件对擦条约束力矩的力臂，使得蒙皮单元的受力性能得到改善，其刚度的提高尤为明显，相比之下，强度的提高则较为有限；当未设置板缝连接件时，板梁间连接件的设置对蒙皮单元受力性能的影响很小，可以忽略不计；当同时设置板缝处连接件和板梁间连接件时，板梁间连接件的设置能够改变蒙皮单元的荷载传递方式，充分利用蒙皮板的平面内强度和刚度，.有效提高其强度和刚度。板棣间连接件的内力分布形式也有很大的改变，导致框架内部裸条的作用减小，其对蒙皮单元的贡献主要体现在约束蒙皮板的平面外变形上，对于此类蒙皮单元，框架内部攘条数目的增加对蒙皮单元的强度和刚度影响不大；由于板缝连接件和板梁(擦条)间连接件的力学性能有很大的不同，因此，三者的设置间距应相互协调，使各连接件能充分发挥自身承载能力，蒙皮单元的强度和刚度达到最大，同时又具有较好的经济性。
五、蒙皮效应设计注意事项
无论设计者是否意识到，受力蒙皮作用总是客观存在的，考虑蒙皮效应，实际是考虑结构的空间工作，从而较为真实地反映受力蒙皮参与轻钢结构体系共同工作的程度。设计时应注意：(1)由于端刚架的抗侧移能力对受力蒙皮作用的产生是至关重要的，因此端刚架应适当加强，使其承担端反力，同时加强边缘构件强度及其连接。(2)当蒙皮板长宽比过大时，其受荷能力就会减弱，变形可能增大，蒙皮效应就会变差。因此，应控制蒙皮板的长宽比。(3)蒙皮效应由于受到不同的连接方式、连接图5 蒙皮效应空间结构分析模型间距、材料及钢板规格的影响，也可能出现连接构件或者连接部位发生脆性破坏，对于脆性破坏形式，在设计中应至少保持有25％的富余量。(4)必须严格规定建筑物在使用和维护期间不得拆卸已用作蒙皮效应的围护体系，在设计图中宜标注。若必须拆卸，则应进行设计验算，采取拆卸前设置临时支撑等措施。
六、结语
由于蒙皮效应的机理和作用条件及效果十分复杂，在实际工程设计中定量地应用蒙皮效应还有一定困难。所以，现行设计规程没有明确给出利用蒙皮效应的条款，所有设计计算公式都忽略了蒙皮效应，只是规定在有充分依据的条件下可以考虑蒙皮效应。然而，必须注意的是，设计中无论我们是否考虑蒙皮效应，蒙皮效应客观上都是存在的。例如，现行轻型钢结构设计规程对水平位移的限制是很宽的，但实际上结构的实测值总是远小于计算值；而实际工程中也发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。所以，忽略蒙皮效应的设计方法有时能得到偏于安全的结果，有时又恰恰相反。考虑蒙皮效应的设计方法并不仅仅具有经济上的意义，更重要的是可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致。
参考文献
(1)史艳莉、王文达等. 考虑蒙皮效应的轻钢结构力学性能分析. 四川建筑科学研究[J]，2008(4)
(2)何剡江. 蒙皮效应在轻型钢结构中的应用[D]. 2007
(3)孔唯云、于安林. 考虑蒙皮效应门式钢架的空间受力性能. 苏州科技学院学报[J]，2008(2)
(4)白杨.蒙皮效应对于门式钢架结构性能影响研究[D]. 2008
关键词： 蒙皮效应 工作机理 影响因素
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
一、引言
轻钢建筑具有自重轻、工业化程度高、结构抗震性能好、综合效益优良等优点，因而被广泛应用到工程建设中。屋面板和墙面板等围护体系相对于轻质的主体结构有着不可忽视的作用，当围护体系(主要指屋面板和墙面板)与主体框架结构具有可靠连接时，围护体系就会产生一定的平面内抗剪强度及抗剪刚度，与主体框架结构共同协调作用承担荷载，可以有效加强结构整体刚度，这种效应我们称之为蒙皮效应。围护体系中能产生蒙皮作用的最小单元称为蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。考虑蒙皮效应不仅使工程造价更加经济，而且更符合建筑结构实际受力状态，使得结构设计更为合理。
二、蒙皮效应的工作机理
在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加，见图1所示。
图1蒙皮效应
虽然围护结构受力蒙皮效应最初是在考虑坡屋顶门式刚架结构的力学性能时发现的。然而对于平屋顶结构，屋檐标高处的侧向荷载直接施加在屋面板平面内，因而屋面板能够如上面提到的深梁一样，凭借应力蒙皮作用，有效地承受此种水平荷载。这种形式的受力蒙皮作用非常明显，以致有可能完全依靠屋面板来保证其结构的稳定性，而无需刚接框架或设置抗风支撑。这种受力蒙皮作用的效果取决于在山墙面的构造措施及其刚度。
平屋顶结构在承受竖向荷载时，受力蒙皮作用并不明显，由此可得出一个重要的总原则:受力蒙皮作用对于抵抗蒙皮板平面内的荷载十分有效，而对于垂直于蒙皮板的荷载几乎不起作用。因此对于坡屋顶框架结构，由于屋面坡度一般较小，受力蒙皮作用对于抵抗结构上的侧向荷载十分有效，而对于竖向荷载，受力蒙皮作用有效的程度取决于屋面的坡度，坡度减小，受力蒙皮作用也相应减弱。
三、应用蒙皮效应的构造要求
要使蒙皮板能与结构有效地产生受力蒙皮作用，建筑物的蒙皮构造必须满足以下的要求:(1)应当设置合适的构件和连接件，以便把蒙皮作用产生的内力传导到主体结构框架上，最后传递给基础。(2)每块屋(墙)面板的两端均应直接固定在周边构件上，其固定方法可以采用焊接或通过自攻螺钉、射钉、螺栓或其它紧固件，在使用期间紧固件不得松动，并在覆面材料撕裂前不得出现剪切破坏。所有这些紧固件均應穿过波谷固定，并应将面板直接紧固在周边构件上。不宜采用靠摩擦传递剪力的钩头螺栓或其它紧固件。(3)沿蒙皮板的跨度方向，所有板均应设有足够的边缘构件，这些构件及其连接应具有足够的强度，能承担蒙皮作用产生的翼缘内力。
一般情况下，常规的蒙皮结构根据应力蒙皮与框架的不同作用形式可分为两种:一种是完全依靠蒙皮作用来保证结构的稳定性，这类蒙皮结构的典型的结构形式是低层、平屋顶结构，因结构的梁柱节点刚度较差，当没有适当的柱间支撑时，结构的稳定性完全依赖蒙皮作用；另一种是应力蒙皮与刚架共同作用，这类结构形式应用较为普遍，荷载由刚架和蒙皮板共同承担。因此，在同样条件下可以比不考虑蒙皮效应的结构节省材料。在以下几类典型的情况中，蒙皮效应的作用特别明显:(l)刚架柱的截面尺寸主要由侧向荷载决定的门式刚架。(2)对于较高的坡屋顶结构，特别是有吊车的情况下，侧向位移对结构的安全性是起决定性作用的。(3)对于高度较高，平面布置为长条型的建筑在风荷载作用下，中间框架的位移将明显大于山墙的侧向位移，如果不考虑蒙皮作用，中间框架的内力将会很大。(4)对于有吊车的结构，由于小车的制动作用对框架产生集中荷载，由于蒙皮作用，集中荷载会被分配到相邻的框架。
四、蒙皮效应的影响因素
影响蒙皮单元刚度的因素主要有以下三个：蒙皮板本身的变形刚度、连接件的变形刚度及边缘构件的轴向变形刚度。一般而言，中间构件对蒙皮单元的剪切刚度影响不大，但对强度影响较大。在屋面板型选中后，连接件和边缘构件直接影响了蒙皮单元的抗剪刚度和强度。
从BS5950(1994) 规程中计算屋顶蒙皮板柔度的公式可以看出，蒙皮板的厚度与其柔度关系紧密，在柱顶水平荷载作用下，随着蒙皮板厚度的增加，中柱和边柱的柱顶侧移线性减小，因此，增加蒙皮板厚度对提高结构的整体刚度、增强结构的抗侧移能力是有效的。但是，在工程常用的压型钢板厚度范围内，这种减小的幅度并不大。因此，在实际工程中，单纯通过改变蒙皮板的厚度来提高其抗变形能力，意义不大。由于蒙皮板厚度增加，结构侧移逐渐减小，因此框架梁柱弯矩减小，剪力也逐渐减小。
钢架柱的长细比也是蒙皮效应的重要影响因素，对于不考虑蒙皮作用的门式刚架，随着柱长细比的增加，构件逐渐纤细，截面相对薄弱。因此，柱顶位移呈非线性增加趋势，结构变形越来越大。而对于考虑蒙皮作用的门式刚架，随着柱的长细比的增加，在柱顶水平荷载的作用下，柱顶位移虽然增加，但增加的幅度与相同长细比的无蒙皮门式刚架结构相比较小。这是因为屋面蒙皮拥有较强的整体性和较大的平面内刚度，它不仅协调结构变形，同时还能将结构所受荷载进行内力重分布，使考虑蒙皮作用的门式刚架柱顶位移虽然增加，但增加幅度很小。在设计考虑蒙皮作用的门式刚架时，柱长细比应大于35，否则不利于蒙皮作用的发挥。对于无蒙皮门式刚架，在荷载作用下，结构内力随荷载的增加呈线性增加的趋势，且长细比越大，内力增加幅度越大。而有蒙皮的门式刚架，在内力与荷载曲线出现分叉后，增加的幅度与相同长细比的无蒙皮门式刚架结构相比要小很多，并且内力随长细比增加的幅度也比无蒙皮门式刚架小。这是因为，在蒙皮发挥作用后，有蒙皮的门式刚架凭借蒙皮良好的整体性和空间刚度，蒙皮与刚架协同工作，大大加强了结构的整体刚度，减小了结构的变形，而且，由于蒙皮参加工作，分担了相当一部分荷载，使结构的内力显著减小。梁柱节点处的柱的剪力随荷载的变化规律与梁柱节点处的弯矩和梁剪力一致，但随柱长细比变化的规律则不同。不考虑蒙皮的情况下，粱柱节点处的柱剪力随柱长细比的增长，变化不大，并且剪力最大值减小了。而考虑蒙皮作用时，柱剪力随柱长细比的增长反而减小了。因此屋面蒙皮和刚架可靠连接，在柱顶水平荷载作用下，不仅可以有效地减小结构内力，而且显著改变结构内力值随柱长细比的变化规律。
另外，边框架(包括梁和擦条)的参数变化对蒙皮体的力学性能的影响主要通过改变连接件的布置形式来实现，本质是由于连接件设置形式不同导致了蒙皮体的力学性能的不同；板缝连接件的加密可以增强蒙皮板的整体性，改变板擦间连接件的内力分布情况，增加了连接件对擦条约束力矩的力臂，使得蒙皮单元的受力性能得到改善，其刚度的提高尤为明显，相比之下，强度的提高则较为有限；当未设置板缝连接件时，板梁间连接件的设置对蒙皮单元受力性能的影响很小，可以忽略不计；当同时设置板缝处连接件和板梁间连接件时，板梁间连接件的设置能够改变蒙皮单元的荷载传递方式，充分利用蒙皮板的平面内强度和刚度，.有效提高其强度和刚度。板棣间连接件的内力分布形式也有很大的改变，导致框架内部裸条的作用减小，其对蒙皮单元的贡献主要体现在约束蒙皮板的平面外变形上，对于此类蒙皮单元，框架内部攘条数目的增加对蒙皮单元的强度和刚度影响不大；由于板缝连接件和板梁(擦条)间连接件的力学性能有很大的不同，因此，三者的设置间距应相互协调，使各连接件能充分发挥自身承载能力，蒙皮单元的强度和刚度达到最大，同时又具有较好的经济性。
五、蒙皮效应设计注意事项
无论设计者是否意识到，受力蒙皮作用总是客观存在的，考虑蒙皮效应，实际是考虑结构的空间工作，从而较为真实地反映受力蒙皮参与轻钢结构体系共同工作的程度。设计时应注意：(1)由于端刚架的抗侧移能力对受力蒙皮作用的产生是至关重要的，因此端刚架应适当加强，使其承担端反力，同时加强边缘构件强度及其连接。(2)当蒙皮板长宽比过大时，其受荷能力就会减弱，变形可能增大，蒙皮效应就会变差。因此，应控制蒙皮板的长宽比。(3)蒙皮效应由于受到不同的连接方式、连接图5 蒙皮效应空间结构分析模型间距、材料及钢板规格的影响，也可能出现连接构件或者连接部位发生脆性破坏，对于脆性破坏形式，在设计中应至少保持有25％的富余量。(4)必须严格规定建筑物在使用和维护期间不得拆卸已用作蒙皮效应的围护体系，在设计图中宜标注。若必须拆卸，则应进行设计验算，采取拆卸前设置临时支撑等措施。
六、结语
由于蒙皮效应的机理和作用条件及效果十分复杂，在实际工程设计中定量地应用蒙皮效应还有一定困难。所以，现行设计规程没有明确给出利用蒙皮效应的条款，所有设计计算公式都忽略了蒙皮效应，只是规定在有充分依据的条件下可以考虑蒙皮效应。然而，必须注意的是，设计中无论我们是否考虑蒙皮效应，蒙皮效应客观上都是存在的。例如，现行轻型钢结构设计规程对水平位移的限制是很宽的，但实际上结构的实测值总是远小于计算值；而实际工程中也发生过屋面压型钢板在正常工作荷载下率先发生破坏的工程事故。所以，忽略蒙皮效应的设计方法有时能得到偏于安全的结果，有时又恰恰相反。考虑蒙皮效应的设计方法并不仅仅具有经济上的意义，更重要的是可以使结构的设计工作状态与实际工作状态更加一致。
参考文献
(1)史艳莉、王文达等. 考虑蒙皮效应的轻钢结构力学性能分析. 四川建筑科学研究[J]，2008(4)
(2)何剡江. 蒙皮效应在轻型钢结构中的应用[D]. 2007
(3)孔唯云、于安林. 考虑蒙皮效应门式钢架的空间受力性能. 苏州科技学院学报[J]，2008(2)
(4)白杨.蒙皮效应对于门式钢架结构性能影响研究[D]. 2008