蒙皮效應

蒙皮效應

蒙皮效應是指在建築物的表面復蓋材料(屋面板和牆板)利用本身的剛度和強度對建築物整體剛度的加強作用。蒙皮效應的結構概念來自於飛機和輪船行業。它是在縱橫肋上蒙上金屬薄板而形成的帶肋薄殼結構,蒙皮與肋共同工作,蒙皮自身在其平面內具有很大的拉、壓和剪下強度,且由於有肋的作用,蒙皮不會失穩。蒙皮結構具有較大承載力及剛度,而自重卻很輕。

原理

其工作原理是:圍護板與檁條以及板與板之間通過不同的緊固件連線起來,形成了以檁條作為其肋的一系列隔板。這種板在平面內具有相當大的剛度,類似於薄壁深梁中的腹板,檁條類似於薄壁深梁中的加勁肋,板的四周連線牆梁或檁條類似於薄壁深梁中的翼緣,可以用來傳遞板平面內的剪力,承受板平面內的各種荷載作用。蒙皮效應在工程中只將其作為一種結構上的儲備。目前在滿足一定條件的壓型鋼板以及輕型鋼框架組成的輕鋼住宅和門式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應。

根據蒙皮效應的工作機理可以看出,並不是所有的結構和結構構造在設計時都可以考慮蒙皮效應,目前在滿足一定條件的壓型鋼板以及輕型鋼框架組成的輕鋼住宅和門式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應。

作用

滿足以上條件,蒙皮效應可以用來傳遞板平面內的水平力,在設計中加以利用,蒙皮效應的作用如下:

1)在門式剛架中的屋面板用於抵抗山牆抗風柱傳來的水平荷載,將其傳遞至檐口處,再通過牆面蒙皮效應或支撐傳至基礎。

2)門式剛架中山牆面,利用牆板抗剪蒙皮作用後,可將山牆面框架設計成排架且不加柱間支撐(牆面開洞面積過大則除外)。

3)在豎向重力作用下,屋面檁條會產生側彎曲和扭轉變形,通過連線在檁條上的板,將消除此變位,面板蒙皮效應將其剪力傳至檁條與屋面梁連線處,再通過檁條與屋面梁連線件傳至各個屋面樑上。

4)板平面內有足夠剛度可對檁條上翼緣形成側向約束,減少了檁條的穩定計算長度,大大提高了檁條的穩定承載能力。

5)屋面蒙皮使各個平面剛架連成整體空間結構,減少剛架側移。當檐口較高,由柱頂側移控制結構計算時,可帶來經濟效益。

總之,蒙皮效應使得各平面的剛架組合在一起,形成了具有空間剛度的和穩定的建築,可取代或部分取代屋蓋系統支撐間的縱向系桿,可減少屋面的橫向水平支撐,有很好的經濟效益;將山牆框架設計成全部簡支的小排架,且不設柱間支撐,對於邊牆,如果門窗開洞數量多,使蒙皮效應大大減弱,此時,可全部由柱間支撐抵抗縱向水平荷載;可省去檁條上翼緣拉條系統的設定,帶來一定經濟效益;在檐口較高、由剛架側移控制設計時,可減小剛架側移,從而減少用鋼量。

在垂直荷載作用下,坡頂門式剛架的運動趨勢是屋脊向下、屋檐向外變形。屋面板將與支撐檁條一起以深梁的形式來抵抗這一變形趨勢。這時,屋面板承受剪力,起深梁的腹板的作用。而邊緣檁條承受軸力起深梁翼緣的作用。顯然,屋面板的抗剪下能力要遠遠大於其抗彎曲能力。所以,蒙皮效應指的是蒙皮板由於其抗剪下剛度對於使板平面內產生變形的荷載的抵抗效應。對於坡頂門式剛架,抵抗豎向荷載作用的蒙皮效應取決於屋面坡度,坡度越大蒙皮效應越顯著;而抵抗水平荷載作用的蒙皮效應則隨著坡度的減小而增加。

蒙皮單元

構成整個結構蒙皮效應的是蒙皮單元。蒙皮單元由兩榀剛架之間的蒙皮板、邊緣構件和連線件及中間構件組成,如圖2-6所示。邊緣構件是指兩相鄰的剛架梁和邊檁條(屋脊和屋檐檁條),中間構件是指中間部位檁條。

蒙皮效應的主要性能指標是強度和剛度。蒙皮單元有以下三種強度破壞的可能性:

1. 邊緣構件破壞

邊緣構件可能產生壓彎失穩破壞或強度破壞,這類破壞屬於脆性破壞,在實際工程中應儘量避免。

2. 蒙皮板的剪下屈曲

這也是一種脆性破壞,當荷載較大、鋼板較薄或板型較差時可能發生,在實際工程中也應儘量避免。

3. 連線破壞

連線破壞包括板之間的連線破壞和板與邊緣構件間的連線破壞。板與檁條之間的連線在平行於檁條方向的破壞屬於脆性破壞,其他破壞都屬於延性破壞。

影響蒙皮單元剛度的因素主要有以下三個:

1. 蒙皮板本身的變形剛度

蒙皮板的變形包括板的拱褶扭曲變形(所謂的“手風琴”效應)和剪下變形。

2. 連線件的變形剛度

3. 邊緣構件的軸向變形剛度

一般而言,中間構件對蒙皮單元的剪下剛度影響不大,但對強度影響較大。在屋面板型選中後,連線件和邊緣構件直接影響了蒙皮單元的抗剪剛度和強度。

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