蒙皮效应对单层钢结构厂房的变形影响分析

肖亚明，朱蔷

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 概 述[1]

轻钢结构的应力蒙皮效应是指钢结构框架外表皮覆盖的围护材料，由于其自身平面内的刚度和强度，所产生的减小结构由于外荷载作用所产生的位移和变形的趋势。蒙皮效应的大小与其蒙皮板材料的力学性能有着直接的关系：如选用强度高的柔性材料，在荷载作用下，蒙皮板受压屈服而产生变形，结构失稳破坏；如选用具有高强度的脆性材料，荷载作用下材料由于受拉屈服从而产生裂缝继而材料的抗剪刚度迅速降低，不再具有蒙皮板的使命。而目前建筑市场上轻钢结构多以压型钢板作为结构屋面和墙面围护材料，其延性较好，强度高，受力性能明确。传统设计方法只将压型钢板作为主体结构的围护结构考虑，不参与结构整体计算，但其由于在自身平面内抗拉和抗剪强度很大，在外荷载作用下，可与结构一同承担荷载作用，提高了结构的稳定性并可提供一定的抗侧向约束和抗扭约束。故将这种采用压型刚板等作为其围护材料的结构，压型钢板参与结构整体工作并增强结构刚度的现象称为蒙皮效应[1]。

2 蒙皮效应作用机理[2-5]

钢结构在抵抗水平向荷载，如地震荷载、风荷载等水平力作用时通常为保证结构整体刚度和稳定性时要设置单独的支撑系统。但是，如果结构面层采用的是高强度刚度的钢板，则该围护薄壁钢板面层将与主体框架结构连接提供水平向荷载的抗力，起到横向支撑作用，而无需再设独立支撑系统。除了屋面板，钢结构建筑中的墙面板也可以通过板平面内的抗剪能力为主体结构抵抗侧移。这说明可与利用墙面板的蒙皮作用较小主体结构侧移，抵抗中低层框架结构的水平荷载。研究和实验证明双层的压型钢板组装而成的轻质填充墙体能有效抵抗高层建筑的侧移。

对于坡面屋顶门式框架结构，蒙皮作用可以有效抵抗主体结构上的水平荷载，当屋面坡度减小时，抵抗横向荷载能力作用更加明显；而对于竖向荷载，蒙皮作用效果取决于屋面的坡度，坡度越大，蒙皮板所承受荷载越大，蒙皮效应越明显。

3 有限元模拟分析[6]

建立空间刚架模型，通过对蒙皮板的4 种不同作用位置进行分析，为工程应用蒙皮板的选择提供参考。

结构单跨24m,柱高7.5m，屋脊高度8.1m，纵向设置9 榀刚架，纵向柱距为7m，檩条间距1.5m，屋面坡度为5%。

3.1 模型建立

结构蒙皮板作为薄型壳板建于空间结构上，由于假定只考虑蒙皮板的面内刚度而忽略其面外刚度，将在蒙皮板平面内的刚度修正系数赋予0.7，面外刚度忽略不计。

3.2 计算结果分析

由于蒙皮板只考虑在自身平面内抗剪强度，对构件水平侧移的影响不明显，故本章节主要讨论风荷载作用下柱顶水平侧移。取各榀刚架左柱为本节研究对象，纵向各钢柱编号如图1所示。

坡屋面门钢结构模型编号 表2

由表1、表2 可知，考虑当屋面蒙皮板作用时，因为钢板本身在其平面内刚度很大，当结构承受水平向荷载作用时，屋面板参与承受荷载并传递剪力。而考虑纵向墙面板蒙皮作用时，柱顶水平位移有所减小，但这种趋势不够明显，这是由于纵向墙板平面外抗剪强度很小不能有效地抵御水平荷载作用。

考虑屋面蒙皮效应时，其纵向两端（第一榀跨和第九榀跨）的侧移均大于不考虑屋面蒙皮板时的位移。在屋面蒙皮板作用下，由于板带来的刚度影响，各柱顶犹如连接在一根钢梁上，使得在荷载作用下，各柱顶的位移需基本一致，而墙面蒙皮板对于结构侧移虽然有所贡献，但效果甚微。

由图2 可知，纵墙面蒙皮板对竖向荷载作用下的跨中挠度的影响显然要比对柱顶侧移显著的多。这是由于在竖向荷载作用下墙面蒙皮板发挥其平面内刚度优势，阻止结构发生竖向变形。可将此看作为平面刚架的钢柱刚度很大，在竖向荷载作用下约束结构产生挠度。而在同时考虑这两种蒙皮板时，跨中挠度大于只考虑墙面蒙皮时的值。 这是因为在屋面增加蒙皮板后，其自重对于跨中挠度产生了一定影响。如图2 所示，跨中挠度屋面蒙皮板作用下小于原结构中挠度值，故墙面和屋面蒙皮板均有对减小结构跨中挠度起着作用， 其中墙面蒙皮影响更大。

综上所述，蒙皮板对于结构变形产生了积极的意义，其中屋面蒙皮板对于水平荷载下柱顶的侧移影响较大；而墙面蒙皮板在竖向荷载下对结构跨中挠度产生了一定的效果。

3.3 蒙皮板厚度对结构的影响

影响蒙皮板性能的因素有很多，其中蒙皮板厚度作为自身规格的一种参数,对结构的影响比较明显。由上节分析可知，墙面蒙皮对结构的影响不大，甚至可以忽略，故本节只分析屋面板改变厚度对结构侧移的影响。模型其他参数不变,蒙皮板厚度取0.4rnm、0.6mm 和0.8mm 三种不同厚度，由于结构基本对称，取1、5、9 榀钢架计算得到的柱顶侧移与无蒙皮时的模型进行对比分析。表3、4 中的△1、△2、△3 分别为无蒙皮与0.4mm蒙皮板、0.4mm 蒙皮板与0.6mm 蒙皮板、0.6mm 蒙皮板与0.8mm 蒙皮板的柱顶位移差值。

由表3 可以看出，考虑蒙皮效应后，结构的柱顶侧移减小,这说明蒙皮能够提高结构的抗侧移能力;由图3 曲线，当蒙皮板厚度增加时，门式刚架每一榀柱顶侧移值均减小,也即柱顶侧移随着板厚增加而减小，这是由于板厚度增加时,蒙皮板刚度也随之增加,蒙皮效应对结构的作用也随之增强,所以结构的侧移减小。但是从图中还可以看出，随着压型钢板厚度的增加,柱顶位移的虽然减小,但是曲线变化趋势变缓；同时从表4 也可以看出，厚度增加越多位移减小幅度不大,同时板厚的增加使得钢材用量加大。因此,在实际工程中,如果只依靠改变压型钢板的厚度来增加蒙皮效应的作用,提高结构抗侧移能力，并不具有经济性,因此意义不大。故在设计中，要采用适中合理的板厚来提高结构经济合理性。

单跨结构屋面蒙皮板不同厚度对柱顶位移的影响 表3

不同厚度蒙皮板柱顶位移差值（单位：mm） 表4

4 结 论

①通过建立蒙皮板作用前后的有限元模型，进行静力和模态分析。比对其分析结果，可知在考虑蒙皮板作用下，结构的整体刚度显著增加并有效地减少了结构的位移。

②比对蒙皮板不同布置下的有限元分析结果，可看出纵向墙面蒙皮板对于结构横向内力和侧移的影响并不显著，但对结构跨中挠度以及纵向荷载作用下的结构刚度产生一定的效果。

③轻钢结构纵向原由各榀刚架连接，在考虑屋面蒙皮效应后，连接成为整体参与工作，结构内力重分布，增强结构刚度提高结构承载力。

④由于屋面蒙皮板在其自身平面内有很大的抗剪刚度储备，故结构在水平荷载作用下的蒙皮效应更为显著，且分析得知蒙皮板厚度对结构整体性能的影响不明显。

⑤考虑蒙皮效应后，增强了结构整体刚度，减小了变形，结构承载力有了一定的提高。 故在设计中若增加蒙皮效应的影响，可有效减小构件截面，在减轻结构自重的同时使得结构合理且经济。

[1]朱勇军,张耀春.蒙皮支撑的钢构件静力分析的有限元方法[J].哈尔滨建筑大学学报,1996(2).

[2]朱勇军,张耀春,刘锡良.影响蒙皮支撑梁静力性能的若干因素[J].天津大学学报,1999(2).

[3]柏树新,姬广华,林醒山.受力蒙皮的有限元分析[J].南京建筑工程学院学报,1992(2).

[4]CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2003.

[5]史艳莉,王秀丽.受力蒙皮结构的研究及发展[J].钢结构,2004(4).

[6]尚万样,何永福.蒙皮效应在轻钢结构厂房中的应用[J].淮海工学院学报,2005(2).