蒙皮效應

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接起來，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，板的四周連接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。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着較大的蒙皮效應。

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。

《冷彎薄壁型鋼結構技術規範》第4.1.10條提到：當採用不能滑動的緊固件連接壓型鋼板及其支撐構件形成屋面和牆面等維護體系時，可在單層房屋的設計中考慮受力蒙皮作用，但應同時滿足一定的條件：

（1）應由實驗或可靠的分析方法獲得蒙皮組合體的強度和剛度參數，對結構進行整體分析和設計；

（2）屋脊、檐口和山牆等關鍵部位的檁條、牆梁、立柱及其連接等，除了考慮直接作用的荷載產生的內力外，還必須考慮整體分析算得的附加內力進行承載力驗算；

（3）必須在建成的建築物的顯眼位置設立永久性標牌，標明在使用和維護過程中，不得隨意拆卸壓型鋼板，只有設置了臨時支撐後方可拆換壓型鋼板，並在設計文件中加以規定。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》第5.1.2條提到：變截面門式剛架宜按平面結構分析內力，一般不考慮應力蒙皮效應。但有必要且有條件時，可考慮屋面板的應力蒙皮效應。相應的條文説明解釋：面板視為承擔平面內橫向剪力的腹板，四周的邊緣構件視為翼緣，承擔軸向拉力和壓力。應力蒙皮隔板應主要用於抵抗風荷載、雪荷載和其他通過面板傳遞的荷載。它也可用於抵抗較小的瞬時荷載（如來自輕軌道式吊車的荷載），但不能用於承擔永久性外荷載。並強調要滿足下列條件方能將面板視為結構的一部分進行應力蒙皮設計。

（1）面板除承擔主要功能外，只能用作為抗剪隔板抵抗其平面內的位移；

（2）這種隔板必須有縱向邊緣構件，以承擔由於隔板作用引起的翼緣力；

（3）屋面板平面內的力，應通過支撐系統、其他蒙皮隔板或抗側移方法傳至基礎；

（4）應採用適當的連接將隔板中的力傳至主剛架,隔板應與起翼緣作用的邊緣構件相連；

（5）面板作為受力構件處理時，不得將其隨意拆除；

（6）對房屋的各項技術要求，均應考慮到該建築物的設計利用了應力蒙皮作用。在有可靠的資料時，門剛規程允許有限制性的利用蒙皮效應。面板僅考慮面板平面內的作用，與實際情況比較吻合。

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，通過連接在檁條上的板，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接處，再通過檁條與屋面梁連接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杆，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置，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，屋面板的抗剪切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切剛度對於使板平面內產生變形的荷載的抵抗效應[26][28][29]。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着坡度的減小而增加。

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、邊緣構件和連接件及中間構件組成。邊緣構件是指兩相鄰的剛架樑和邊檁條（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． 蒙皮板的剪切屈曲

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． 連接破壞

連接破壞包括板之間的連接破壞和板與邊緣構件間的連接破壞。板與檁條之間的連接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）和剪切變形。

2． 連接件的變形剛度

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切剛度影響不大，但對強度影響較大。在屋面板型選中後，連接件和邊緣構件直接影響了蒙皮單元的抗剪剛度和強度。

由於蒙皮效應，實際輕型鋼結構建築中，壓型鋼板在宏觀上參與了受力，為剛架構件分擔了一部分外荷載，同時在有良好連接的情況下為這些構件提供了很好的側向約束和扭轉約束，改善了結構的受力條件。特別對於受穩定控制的薄壁剛架構件和檁條構件，蒙皮效應尤為顯著。然而，由於蒙皮效應的機理和作用條件及效果十分複雜，在實際工程設計中定量地應用蒙皮效應還有一定困難。所以，現行設計規程沒有明確給出利用蒙皮效應的條款，所有設計計算公式都忽略了蒙皮效應，只是規定在有充分依據的條件下可以考慮蒙皮效應。然而，必須注意的是，設計中無論是否考慮蒙皮效應，蒙皮效應客觀上都是存在的。例如，現行輕型鋼結構設計規程對水平位移的限制是很寬的，但實際上結構的實測值總是遠小於計算值；而實際工程中也發生過屋面壓型鋼板在正常工作荷載下率先發生破壞的工程事故。所以，忽略蒙皮效應的設計方法有時能得到偏於安全的結果，有時又恰恰相反。考慮蒙皮效應的設計方法並不僅僅具有經濟上的意義，更重要的是可以使結構的設計工作狀態與實際工作狀態更加一致。