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.1 蒙皮技术的发展与应用
多年来，国外在蒙皮技术的理论和应用性研究方面做了大量富有成效的工作。20世纪五十年代初期美国的Corlell大学开始对蒙皮效应进行系统的研究，该校的Witer和Nilson研究小组进行了50个足尺寸的大型系统的受力蒙皮试验，阐明了不同板形、波高、板厚和板跨对受力蒙皮抗剪强度和柔度的影响及受力蒙皮总变形的组成等，为蒙皮作用研究和应用奠定了基础。并在随后的几年里相继发布了关于轻钢龙骨结构体系的各种规范，在上一章节中已经有介绍。
在英美等国，考虑受力蒙皮作用效应的实际应用已有许多成功实例。比较典型的有：上世纪60年代英格兰东南建筑师协会设计并建筑的考虑蒙皮效应的学校、办公楼建筑体系房屋;70年代建成的新修道院果菜市场(386m×68.6m)、比斯顿药厂(36m)，诺丁汉郡女王大道工业仓库(14000m2)，斯图加特体育场主看台挑棚结构及建于旧金山和洛山矶机场的波音747机库等。而1983年匹斯堡采用蒙皮筒体建成54层、高222米、面积15.8万米2的文米隆银行大厦则开创了高层钢结构应用蒙皮技术的先河。这些结构都是完全依靠屋面或者中间楼层板的蒙皮效应来保证结构的稳定性。
蒙皮效应在国内也有应用的工程实例，（1）汉口轧钢厂某厂房设计中部分考虑了压型钢板传递面内剪力的功能；（2）连云港市宋跳开发区的罗盖特公司厂房虽然在设计的时候没有考虑墙体的蒙皮效应，但在实际上取消屋面支撑，利用屋面蒙皮传递剪力，带了一定的经济效益；（3）由哈尔滨工业大学和北京银河金属结构工程有限责任公司联合研究设计的某汽修车间40米跨的厂房中，考虑了受力蒙皮作用，完全取消了支撑，除了压型钢板外的用钢量仅为24Kg/m2，取得了较好的经济效益。
.2 蒙皮效应的定义
蒙皮这一结构概念来源于汽车、飞机和船舶行业，利用其壳面内的刚度和强度，抵抗侧向荷载，充分降低结构自重。在上世纪五十年代，国外把它引入到建筑结构领域。简而言之蒙皮效应就是利用建筑物表面覆盖的材料本身的强度和刚度对建筑物的整体刚度起到加强作用，这种力学上的加强作用就是蒙皮效应。这种作用能提高墙体的抗剪刚度和承载力，产生了和薄壁深梁效应一样的抗剪承载力的作用。当考虑这种作用时，不仅能降低材料的耗损，还能减少安装费用，提高工程的建设经济效益和施工效率[12]。
.3蒙皮效应产生机理
冷弯薄壁型钢结构中蒙皮效应的工作机理简要描述如下:围护板(既蒙皮板)与墙架结构框架之间通过足够可靠且变形较小的连接件连接起来，组合成一个以框架作为支撑的蒙皮板和墙架组合结构，使得结构的刚度增大。使得该种组合结构能够更好的来吸收结构平面内所受到的能量，抵抗在整个结构受力平面内的剪力等各种荷载的作用[9]。
4蒙皮效应产生的条件
经过许多研究人員大量的理论和试验分析研究表明,要使结构的蒙皮效应能够真正地发挥作用,在构造上必须满足如下的条件[14]：
(1)在钢结构体系中必须设置足够的结构构件和连接件,确保结构传力途经的正确。即应保证蒙皮板上的应力蒙皮作用能够传递到钢框架结构上，最后传递给基础；
(2)确保结构中相邻面板之间的接缝采用焊接、铆接或自攻螺栓等紧固件固定，且在使用期间内紧固件不得松动或拔出，在板材撕裂前不得出现剪切破坏；
(3)每块面板的两端均应直接固定在支撑构件上，其固定方法可以采用焊接或者通过自攻螺栓、射钉和螺栓连接等，且在使用期间内紧固件不得松动、拔出,在板材撕裂前不得出现剪切破坏；
(4)沿着蒙皮板跨度方向，所有的蒙皮板均应设置具有足够强大的边缘构件，同时还应保证其连接的节点的强度， 承担蒙皮作用产生的翼缘内力。在实际应用中还应注意:a)仅考虑蒙皮作为梁腹板的抗剪作用时,可以忽略其弯曲变形；b)规定的设计构造要求应与试验条件相同。在设计中一旦考虑蒙皮效应,就要保证其作用环境，视为整体结构的作用构件，不得随意拆除。
5受蒙皮效应的结构类型
实践证明，适用受力蒙皮设计的主要结构类型有以下两种[15]:
1.蒙皮板单独作用
低层、平屋顶结构是蒙皮板单独作用的典型结构，梁柱间为铰接，结构的稳定完全依靠屋顶与中间层楼板的隔板作用。目前在欧洲，这种结构是受力蒙皮结构的最常见形式，也是许多房屋建筑体系的基本组成部分。这类结构不仅取消掉屋顶平面内的抗风支撑，由于体系的简化、构件数日的减少和节点细部构造。这种结构可能比其它结构形式更加经济。
2.与框架协同工作的蒙皮效应
在这种结构中，蒙皮板与框架共同承担荷载，从而可以节省框架结构的材料。通常以下几种情况下应优先考虑蒙皮效应:
①.柱的设计由侧向荷载控制的系杆式门架结构；
②.较高的坡屋顶框架，特别是内部设有吊车而要求严格控制屋檐标高位移的框架；
③.在框架设计时，无论考虑与否其山墙框架与中间框架的相对变形会引起蒙皮结构中较大内力的较高的矩形框架形式房屋建筑；
④.承担侧向集中荷载作用的结构。受力蒙皮作用在将这种集中荷载分散传递给相邻框架时特别有效。
.6蒙皮效应设计
（1）蒙皮效应设计的基本假定
在对结构进行蒙皮设计中必须满足下列基本假设或规定:
①.作为蒙皮体系，根据力的平衡原理，假设内力在每个蒙皮宽度上内力平衡；
②.整个蒙皮结构的柔度可以由各个不同的变形和位移模式引起的柔度叠加而成；
③.蒙皮效应作为深梁腹板起抗剪作用，其弯曲变形和弯曲约束忽略不计；
④.设计中考虑了蒙皮效应时，在建筑结构使用期间内不得拆除已作为蒙皮效应的维护体系。
⑤.设计时，构造设计必须严格按照同等条件下的试验结果进行设计，对于有开洞的情况应扣除其蒙皮效应。
（.2）蒙皮效应设计时应考虑的因素
1.屋顶类型。如图 2.1中的平屋顶和坡屋顶，在考虑蒙皮效应时，因屋面坡度的不同，其简化模型也不同。因此，在蒙皮效应设计时应注意。
2.计算长度：结构计算长度应取山墙框架间距，如果有刚性框架时，应取这些框架间距。
3.荷载传递：水平荷载（例如吊车产生的水平荷载）只作用在一榀或两榀框架上，而蒙皮效应将荷载作用到许多框架构件上[17]。
（3）蒙皮单元的破坏形式
考虑蒙皮效应时，结构的力学性能指标主要有强度、刚度和稳定.蒙皮单元可能出现的破坏形式有[18]:
(1)边缘构件破坏：边缘构件产生压弯失稳破坏或拉弯、压弯强度破坏，这类破坏属于脆性破坏，在实际工程中应尽量避免。
(2)蒙皮板的剪切屈曲：当荷载较大、钢板较薄或板型较差时可能发生平面外屈曲破坏，这也是一种脆性破坏，在实际工程中也应尽量避免。
(3)连接破坏：连接破坏包括板与板之间的连接破坏、板与边缘构件间的连接破坏。其中板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏，其它破坏都属于延性破坏。
7计算理论
（.1）屋面钢板跨度垂直于屋面蒙皮的长度方向
1．蒙皮板强度[17]
1.1屋面钢板强度的组成
1）屋面板板缝的承载力
屋面板板缝的承载力如下：
：压型板板缝每侧的紧固件数量（包括压型板与檩条连接处）
：每个板缝紧固件的设计承载力（单位：kN）
：屋架数量（山墙端屋架+中间屋架）
：每个板与屋架紧固件的设计承载力（单位：kN）
：关于压型板宽度范围内板与屋架紧固件数量的参数
： 压型板在波峰连接时
压型板在波谷连接时
：每个压型板宽度范围内板与屋架紧固件的数量（包括搭接范围）
2） 山墙端屋架处抗剪连接件的承载力
山墙端屋架处抗剪连接件的承载力如下：
：每个山墙端屋架处压型板与抗剪连接件的紧固件数量
：压型板与抗剪连接件的紧固件的设计承载力（单位：kN）
3)中间屋架处抗剪连接件的承载力
中间屋架处抗剪连接件的承载力如下：
：每个中间屋架处压型板与抗剪连接件的紧固件数量
：压型板与抗剪连接件的紧固件的设计承载力（单位：kN）
4) 压型板两边连接
当压型板与檩条固定时只在端屋架处设有抗剪件：
中间压型板端部连接件的承载力为
檩条与屋架连接件的承载力为
：檩条的数量（中间檩条+边缘檩条）
：每个板与檩条紧固件的设计承载力（单位：kN）
：每个檩条与屋架连接件的设计承载力（单位：kN）
：关于压型板宽度范围内板与檩条紧固件数量的参数
1.2剪切设计承载力
剪切设计承载力 V *可以由 得到，，剪切设计承载力应在不同的破坏模式中进行复核。
1.3特殊情況下的计算方法
1)压型板与檩条紧固件的承载力
为了考虑压型板在剪切力和杠杆作用下的综合影响，压型板与檩条紧固件的抗剪承载力要折减 40%。
因此需按下式进行复核：
b：平行于压型板波纹方向的深度（单位：mm）
：每个板与檩条紧固件的设计承载力（单位：kN）
p：板与檩条紧固件的间距（单位：mm）
：与中间檩条数量有关的参数
（2）屋面钢板跨度平行于屋面蒙皮的长度方向
1．蒙皮板强度
1.1屋面压型板强度的组成
屋面板的抗剪承载力()与复合端山墙屋架处和中间屋架处的两种破坏模型有关。
① 压型板板缝的承载力
压型板板缝的承载力如下：
② 边缘构件紧固件的承载力
将压型板与屋架和边缘构件连接在一起的紧固件的承载力如下：
：沿边缘构件长度 b 的紧固件数量
③ 压型板的两边连接
当压型板只与屋架固定时，在端屋架处：
如果上式得出的值不满足，就必须在边缘压型板的端部构件处增加设置抗剪连接件。这种情况下，边缘压型板处的设计方法同②条，中间压型板处的设计方法为：
1.2剪切设计承载力
剪切设计承载力 V *可以取较小值时的数值，方法同上述。
特殊情况下的计算方法：
1) 压型板与檩条紧固件的承载力
需按下式进行复核：
a：垂直于压型板波纹方向的宽度（单位：mm）
2) 压型钢板边缘处的破坏
压型板内的剪力应满足下列条件：
每个波谷连接的情况：
隔一个波谷连接的情况：
3) 剪切屈曲
压型板剪切屈曲承载力表达式如下：
每个波谷连接的情况：
隔一个波谷连接的情况：
4) 边缘构件
如图 2.3 所示，边缘构件和它的连接件的承载力应能够抵抗蒙皮效应产生的轴力，表达式如下：
.8小结
本文主要对蒙皮效应产生的机理进行归纳分析研究，概述了国内外关于蒙皮效应研究的现状、方法和理论。介绍了蒙皮效应的概念、产生条件、设计假定、构造条件、受力理论、破坏形态和计算公式等。
多年来，国外在蒙皮技术的理论和应用性研究方面做了大量富有成效的工作。20世纪五十年代初期美国的Corlell大学开始对蒙皮效应进行系统的研究，该校的Witer和Nilson研究小组进行了50个足尺寸的大型系统的受力蒙皮试验，阐明了不同板形、波高、板厚和板跨对受力蒙皮抗剪强度和柔度的影响及受力蒙皮总变形的组成等，为蒙皮作用研究和应用奠定了基础。并在随后的几年里相继发布了关于轻钢龙骨结构体系的各种规范，在上一章节中已经有介绍。
在英美等国，考虑受力蒙皮作用效应的实际应用已有许多成功实例。比较典型的有：上世纪60年代英格兰东南建筑师协会设计并建筑的考虑蒙皮效应的学校、办公楼建筑体系房屋;70年代建成的新修道院果菜市场(386m×68.6m)、比斯顿药厂(36m)，诺丁汉郡女王大道工业仓库(14000m2)，斯图加特体育场主看台挑棚结构及建于旧金山和洛山矶机场的波音747机库等。而1983年匹斯堡采用蒙皮筒体建成54层、高222米、面积15.8万米2的文米隆银行大厦则开创了高层钢结构应用蒙皮技术的先河。这些结构都是完全依靠屋面或者中间楼层板的蒙皮效应来保证结构的稳定性。
蒙皮效应在国内也有应用的工程实例，（1）汉口轧钢厂某厂房设计中部分考虑了压型钢板传递面内剪力的功能；（2）连云港市宋跳开发区的罗盖特公司厂房虽然在设计的时候没有考虑墙体的蒙皮效应，但在实际上取消屋面支撑，利用屋面蒙皮传递剪力，带了一定的经济效益；（3）由哈尔滨工业大学和北京银河金属结构工程有限责任公司联合研究设计的某汽修车间40米跨的厂房中，考虑了受力蒙皮作用，完全取消了支撑，除了压型钢板外的用钢量仅为24Kg/m2，取得了较好的经济效益。
.2 蒙皮效应的定义
蒙皮这一结构概念来源于汽车、飞机和船舶行业，利用其壳面内的刚度和强度，抵抗侧向荷载，充分降低结构自重。在上世纪五十年代，国外把它引入到建筑结构领域。简而言之蒙皮效应就是利用建筑物表面覆盖的材料本身的强度和刚度对建筑物的整体刚度起到加强作用，这种力学上的加强作用就是蒙皮效应。这种作用能提高墙体的抗剪刚度和承载力，产生了和薄壁深梁效应一样的抗剪承载力的作用。当考虑这种作用时，不仅能降低材料的耗损，还能减少安装费用，提高工程的建设经济效益和施工效率[12]。
.3蒙皮效应产生机理
冷弯薄壁型钢结构中蒙皮效应的工作机理简要描述如下:围护板(既蒙皮板)与墙架结构框架之间通过足够可靠且变形较小的连接件连接起来，组合成一个以框架作为支撑的蒙皮板和墙架组合结构，使得结构的刚度增大。使得该种组合结构能够更好的来吸收结构平面内所受到的能量，抵抗在整个结构受力平面内的剪力等各种荷载的作用[9]。
4蒙皮效应产生的条件
经过许多研究人員大量的理论和试验分析研究表明,要使结构的蒙皮效应能够真正地发挥作用,在构造上必须满足如下的条件[14]：
(1)在钢结构体系中必须设置足够的结构构件和连接件,确保结构传力途经的正确。即应保证蒙皮板上的应力蒙皮作用能够传递到钢框架结构上，最后传递给基础；
(2)确保结构中相邻面板之间的接缝采用焊接、铆接或自攻螺栓等紧固件固定，且在使用期间内紧固件不得松动或拔出，在板材撕裂前不得出现剪切破坏；
(3)每块面板的两端均应直接固定在支撑构件上，其固定方法可以采用焊接或者通过自攻螺栓、射钉和螺栓连接等，且在使用期间内紧固件不得松动、拔出,在板材撕裂前不得出现剪切破坏；
(4)沿着蒙皮板跨度方向，所有的蒙皮板均应设置具有足够强大的边缘构件，同时还应保证其连接的节点的强度， 承担蒙皮作用产生的翼缘内力。在实际应用中还应注意:a)仅考虑蒙皮作为梁腹板的抗剪作用时,可以忽略其弯曲变形；b)规定的设计构造要求应与试验条件相同。在设计中一旦考虑蒙皮效应,就要保证其作用环境，视为整体结构的作用构件，不得随意拆除。
5受蒙皮效应的结构类型
实践证明，适用受力蒙皮设计的主要结构类型有以下两种[15]:
1.蒙皮板单独作用
低层、平屋顶结构是蒙皮板单独作用的典型结构，梁柱间为铰接，结构的稳定完全依靠屋顶与中间层楼板的隔板作用。目前在欧洲，这种结构是受力蒙皮结构的最常见形式，也是许多房屋建筑体系的基本组成部分。这类结构不仅取消掉屋顶平面内的抗风支撑，由于体系的简化、构件数日的减少和节点细部构造。这种结构可能比其它结构形式更加经济。
2.与框架协同工作的蒙皮效应
在这种结构中，蒙皮板与框架共同承担荷载，从而可以节省框架结构的材料。通常以下几种情况下应优先考虑蒙皮效应:
①.柱的设计由侧向荷载控制的系杆式门架结构；
②.较高的坡屋顶框架，特别是内部设有吊车而要求严格控制屋檐标高位移的框架；
③.在框架设计时，无论考虑与否其山墙框架与中间框架的相对变形会引起蒙皮结构中较大内力的较高的矩形框架形式房屋建筑；
④.承担侧向集中荷载作用的结构。受力蒙皮作用在将这种集中荷载分散传递给相邻框架时特别有效。
.6蒙皮效应设计
（1）蒙皮效应设计的基本假定
在对结构进行蒙皮设计中必须满足下列基本假设或规定:
①.作为蒙皮体系，根据力的平衡原理，假设内力在每个蒙皮宽度上内力平衡；
②.整个蒙皮结构的柔度可以由各个不同的变形和位移模式引起的柔度叠加而成；
③.蒙皮效应作为深梁腹板起抗剪作用，其弯曲变形和弯曲约束忽略不计；
④.设计中考虑了蒙皮效应时，在建筑结构使用期间内不得拆除已作为蒙皮效应的维护体系。
⑤.设计时，构造设计必须严格按照同等条件下的试验结果进行设计，对于有开洞的情况应扣除其蒙皮效应。
（.2）蒙皮效应设计时应考虑的因素
1.屋顶类型。如图 2.1中的平屋顶和坡屋顶，在考虑蒙皮效应时，因屋面坡度的不同，其简化模型也不同。因此，在蒙皮效应设计时应注意。
2.计算长度：结构计算长度应取山墙框架间距，如果有刚性框架时，应取这些框架间距。
3.荷载传递：水平荷载（例如吊车产生的水平荷载）只作用在一榀或两榀框架上，而蒙皮效应将荷载作用到许多框架构件上[17]。
（3）蒙皮单元的破坏形式
考虑蒙皮效应时，结构的力学性能指标主要有强度、刚度和稳定.蒙皮单元可能出现的破坏形式有[18]:
(1)边缘构件破坏：边缘构件产生压弯失稳破坏或拉弯、压弯强度破坏，这类破坏属于脆性破坏，在实际工程中应尽量避免。
(2)蒙皮板的剪切屈曲：当荷载较大、钢板较薄或板型较差时可能发生平面外屈曲破坏，这也是一种脆性破坏，在实际工程中也应尽量避免。
(3)连接破坏：连接破坏包括板与板之间的连接破坏、板与边缘构件间的连接破坏。其中板与檩条之间的连接在平行于檩条方向的破坏属于脆性破坏，其它破坏都属于延性破坏。
7计算理论
（.1）屋面钢板跨度垂直于屋面蒙皮的长度方向
1．蒙皮板强度[17]
1.1屋面钢板强度的组成
1）屋面板板缝的承载力
屋面板板缝的承载力如下：
：压型板板缝每侧的紧固件数量（包括压型板与檩条连接处）
：每个板缝紧固件的设计承载力（单位：kN）
：屋架数量（山墙端屋架+中间屋架）
：每个板与屋架紧固件的设计承载力（单位：kN）
：关于压型板宽度范围内板与屋架紧固件数量的参数
： 压型板在波峰连接时
压型板在波谷连接时
：每个压型板宽度范围内板与屋架紧固件的数量（包括搭接范围）
2） 山墙端屋架处抗剪连接件的承载力
山墙端屋架处抗剪连接件的承载力如下：
：每个山墙端屋架处压型板与抗剪连接件的紧固件数量
：压型板与抗剪连接件的紧固件的设计承载力（单位：kN）
3)中间屋架处抗剪连接件的承载力
中间屋架处抗剪连接件的承载力如下：
：每个中间屋架处压型板与抗剪连接件的紧固件数量
：压型板与抗剪连接件的紧固件的设计承载力（单位：kN）
4) 压型板两边连接
当压型板与檩条固定时只在端屋架处设有抗剪件：
中间压型板端部连接件的承载力为
檩条与屋架连接件的承载力为
：檩条的数量（中间檩条+边缘檩条）
：每个板与檩条紧固件的设计承载力（单位：kN）
：每个檩条与屋架连接件的设计承载力（单位：kN）
：关于压型板宽度范围内板与檩条紧固件数量的参数
1.2剪切设计承载力
剪切设计承载力 V *可以由 得到，，剪切设计承载力应在不同的破坏模式中进行复核。
1.3特殊情況下的计算方法
1)压型板与檩条紧固件的承载力
为了考虑压型板在剪切力和杠杆作用下的综合影响，压型板与檩条紧固件的抗剪承载力要折减 40%。
因此需按下式进行复核：
b：平行于压型板波纹方向的深度（单位：mm）
：每个板与檩条紧固件的设计承载力（单位：kN）
p：板与檩条紧固件的间距（单位：mm）
：与中间檩条数量有关的参数
（2）屋面钢板跨度平行于屋面蒙皮的长度方向
1．蒙皮板强度
1.1屋面压型板强度的组成
屋面板的抗剪承载力()与复合端山墙屋架处和中间屋架处的两种破坏模型有关。
① 压型板板缝的承载力
压型板板缝的承载力如下：
② 边缘构件紧固件的承载力
将压型板与屋架和边缘构件连接在一起的紧固件的承载力如下：
：沿边缘构件长度 b 的紧固件数量
③ 压型板的两边连接
当压型板只与屋架固定时，在端屋架处：
如果上式得出的值不满足，就必须在边缘压型板的端部构件处增加设置抗剪连接件。这种情况下，边缘压型板处的设计方法同②条，中间压型板处的设计方法为：
1.2剪切设计承载力
剪切设计承载力 V *可以取较小值时的数值，方法同上述。
特殊情况下的计算方法：
1) 压型板与檩条紧固件的承载力
需按下式进行复核：
a：垂直于压型板波纹方向的宽度（单位：mm）
2) 压型钢板边缘处的破坏
压型板内的剪力应满足下列条件：
每个波谷连接的情况：
隔一个波谷连接的情况：
3) 剪切屈曲
压型板剪切屈曲承载力表达式如下：
每个波谷连接的情况：
隔一个波谷连接的情况：
4) 边缘构件
如图 2.3 所示，边缘构件和它的连接件的承载力应能够抵抗蒙皮效应产生的轴力，表达式如下：
.8小结
本文主要对蒙皮效应产生的机理进行归纳分析研究，概述了国内外关于蒙皮效应研究的现状、方法和理论。介绍了蒙皮效应的概念、产生条件、设计假定、构造条件、受力理论、破坏形态和计算公式等。