蒙皮效应在建筑结构中的研究与应用进展*

杨联萍，王 萌，张其林，余少乐，韦 申

(1 同济大学土木工程学院， 上海 200092； 2 华东建筑集团股份有限公司， 上海 200011；3 中国建筑第八工程局有限公司， 上海 200135； 4 上海中梁地产集团有限公司， 上海 200062)

0 引言

20世纪50年代，蒙皮效应的概念被引入到建筑结构领域。在建筑结构中，通过各种连接件将金属蒙皮直接连接于建筑结构的承重系统上，形成一个可以共同运行工作的建筑整体，使金属蒙皮的抗拉、抗剪强度和刚度性能得到充分的发挥，大幅提高建筑结构的承载能力和建筑整体的刚度[1-2]。

本文对蒙皮效应产生的机理和条件进行了介绍，并且针对国内外关于蒙皮效应的理论研究和工程应用进行了总结和讨论，为蒙皮效应在建筑结构领域的研究、设计与应用提供参考。

1 蒙皮效应的产生机理及条件

蒙皮结构通常由三部分组成：第一部分是蒙皮板，包含压型钢板、金属屋面板、柔性薄膜材料等；第二部分是主体结构，包含轻钢结构、网格结构、金属骨架结构等；第三部分是蒙皮与主体结构的连接件，以保证蒙皮结构受力时，三种结构共同发挥抵抗外力的作用。

蒙皮效应最早发现于斜屋面门式刚架结构中，文献[1]中给出了坡面屋顶承受竖向荷载时蒙皮作用示意图(图1)和平屋顶承受水平荷载时蒙皮作用示意图(图2)。由图1可见，在竖向位移荷载分量的作用下，顶板有向下位移分量，屋檐有水平向外位移分量。如果屋面板在其平面上没有变形，山脊和屋檐就不会产生位移。然而，由于门式刚架结构不是绝对刚体，这种位移必然会发生。支撑结构与平面内刚度较大的屋面板形成了“深梁”结构来承担荷载。在屋面板平面内，由于建筑物的长宽比要远小于普通深度梁的横向跨高比，所以屋面板的弯曲效果较普通深度梁的横向弯曲效果低，剪切变形占据了主导。因此，在对钢结构进行了设计时，考虑了蒙皮板的剪切效果后可以忽略压型钢板的弯曲。

图1 坡面屋顶承受竖向荷载时蒙皮作用示意图

图2 平屋顶承受水平荷载时蒙皮作用示意图

由图2可见，在平屋面结构中，横向水平荷载作用在屋面板平面内，因此屋面板也类似于上述的深板梁。这种蒙皮效应通常可以依靠这种屋面板来保证其稳定性，以提高钢结构的整体稳定性和控制主体结构的横向位移和梁的水平挠度。

从斜屋顶结构和平屋顶结构的受力情况可以看出，蒙皮效应主要取决于两端山墙的刚度和连接构造措施。

现场实测结果也表明，考虑压型钢板围护结构的承载力和刚度均大于骨架结构承载力和刚度的计算值。因此，结构设计过程中考虑围护结构的带来的蒙皮效应不仅能反映结构的真实性能，提高计算结果的可靠性，更能节省工程成本。

2 常见的应用蒙皮效应的结构形式

2.1 常规结构

蒙皮结构中最常用的一种结构形式是单层或者多层的建筑，使用压型钢板作为墙体与屋顶。为了保证舒适性和安全性，通常将隔热材料或其他高性能材料填充在封闭板的双层异形钢板的中间，结构中的墙板可以抵抗骨架结构的平面内的载荷[3]。

2.2 轻型钢折板结构

轻型钢折板结构是在原坡屋顶门式刚架结构基础上演变而来的，坡屋顶门式刚架结构取消了中间框架，仅采用折线构件和面板组成的板结构覆盖两山墙之间的空间。

2.3 轻型薄钢双曲抛物面壳

双曲抛物面是一种特别适合轻型薄钢结构的几何形式，具有特殊的几何美感。在这种结构中，蒙皮板呈曲线布置，与主体结构的有效连接可以显著提高结构的整体稳定性，通常应用于大型的公共建筑中。

2.4 轻型薄钢圆柱壳

多个永久弯曲板都可以被组装成任何一种壳体的形状，且无需扭曲。最常见的一种方法就是把挤压式钢板直接卷成一个圆柱形表面，也就是说可以将挤压式钢板做成其他的形状。筒仓和仓体筒体都是常见的轻钢圆柱壳。

2.5 受力蒙皮箱形结构

蒙皮效应还广泛地应用于模块结构中，如盒式的箱形结构，这种结构通常被广泛应用于一些单层的活动性房屋，但也有一些单元可以广泛应用于其他多层建筑。

2.6 金属空间结构

随着现代军事的发展，蒙皮结构也广泛应用于雷达罩等军事设施中，在这种结构中，考虑到薄膜蒙皮与骨架的紧密连接，薄膜结构不仅用作外壳，而且还参与了骨架结构系统的整体工作，蒙皮效应更为显著。

3 蒙皮效应的研究进展

20世纪50年代，国外学者为验证计算模型的正确性，对门式刚架厂房的应力和应变进行了测量，发现现场测量值远小于计算值，这也是首次发现蒙皮效应[4]。

目前国内外学者对于蒙皮效应的研究主要包括以下几点：1)连接方式的性能的研究；2)蒙皮体支撑构件的静力特性；3)蒙皮体的抗剪性能；4)蒙皮单元和主结构的协同工作性能；5)空间结构蒙皮效应。下文针对上述几点的研究进展进行梳理与汇总。

3.1 连接方式的性能研究

蒙皮连接方式的性能研究始于20世纪60年代，对于这方面的研究主要是针对采用自攻螺钉连接、拉铆钉连接及电弧点焊连接的蒙皮连接方式性能研究。1965年，Luttrell[5]通过试验探索了焊接和螺钉两种连接方式在蒙皮结构中运用。该模型试验中充分考虑了滞回荷载对蒙皮性能的影响，并提出了两种连接件的半经验剪切刚度公式。1968年，英国学者Bryan[6]测量了蒙皮结构的整体剪切刚度，并提出了受力蒙皮板剪切柔度和强度的计算方法。1977年，Davies[7]将结构的蒙皮部分等效为由等截面构件组成的平面框架，并开发了相关的计算程序。同年，Easley[8]通过试验发现连接件处蒙皮的局部挤压和剪切破坏是最常见的破坏模式，且蒙皮的剪切刚度还取决于连接件的分布和数量。

1991年，卢铁鹰等[9]对电弧焊接件的抗剪连接件进行了试验研究和理论分析，提出了电弧焊接有效直径的计算公式，给出了节点刚度的定义和取值。1993年，龙莉萍等[10]采用压型钢板电弧焊连接试验方法对其进行了可靠性的分析，得出了两种失效模型下的可靠性指标及其对抗力评价的分项系数。1993年，龙莉萍等[11]对电弧焊接的蒙皮体的剪切特性进行了试验研究，获取了两个蒙皮体的荷载-位移曲线及其抗剪能力和刚度。1993年，林醒山等[12]测试了蒙皮结构中不同连接件的抗剪性能，并详细地分析了连接件对蒙皮板抗剪强度、刚度、破坏模式的影响规律。1995年，潘景龙[13]研究了影响自攻式螺钉连接性能的因素，结果表明连接件的构造对于蒙皮的刚度具有非常重要的影响。2008年及2010年，张雪丽[14-15]对抗剪螺钉的连接性能进行了实地试验和研究，分析了板厚和波高对蒙皮结构抗剪性能的影响。通过有限元分析获得不同荷载工况下的蒙皮体荷载-位移曲线、极限强度和最大剪切位移。2014年，郝际平等[16]对32个螺纹连接试件进行了试验研究，结果表明，钢板与钢板连接的失效模式为钢板在螺孔处受到局部压力，螺钉头被切断。2018年，管宇等[17]对三个足尺冷弯薄壁型钢楼板试件进行了水平低周往复加载试验。试验显示边框横梁与压型夹层钢板之间的自攻螺钉连接失效后将会引起压型楼板内部试件的连接失效，试验自攻螺钉失效模式及统计结果见图3。

图3 足尺冷弯薄壁型钢楼盖试件中自攻螺钉破坏模式

以上研究表明，连接件的有效连接是蒙皮结构能否发挥蒙皮效应的关键。因此，通过自攻螺钉、空心铆钉(拉铆钉)、射钉等紧固件连接压型钢板与主体结构的蒙皮组合具有较高的整体性能，能有效地发挥蒙皮效应。

3.2 支撑构件的力学性能研究

1996年，朱勇军等[18-20]研究了冷弯薄壁C形截面檩条在蒙皮板侧向支撑及扭转约束作用下的静力性能。结果表明，对于大长细比梁易出现失稳的情况，蒙皮效应产生的侧向支撑和扭转约束可以使其得到有效改善。2000年，李禄等[21]基于C形截面檩条在风吸力作用下的理论和足尺试验研究成果，指出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102—2012)中的取值较为保守。2007年，赵滇生等[22]研究了端部固定、板约束的H形钢梁的非线性屈曲，并分析了下翼缘高度和宽度变化时负弯矩区的侧向扭转屈曲对梁整体稳定性的影响。2018年，朱颖等[23]通过改变约束条件考虑蒙皮对冷弯薄壁型钢檩条稳定性的影响，证明了蒙皮对冷弯薄壁型钢檩条有明显的约束作用。

目前国内研究工作主要集中于利用有限元软件对蒙皮支撑系统内力和变形等因素进行仿真分析，利用有限元分析和试验研究结合的方法对蒙皮支撑系统在风吸力作用下整体稳定性展开研究。但仍需要进一步研究，建立符合我国实际情况的实用简化计算方法。

3.3 蒙皮体的抗剪性能研究

Lucas等于1997年建立了蒙皮结构的精细和简化有限元模型，计算了不同边界条件约束下蒙皮结构的剪切刚度，与其试验结果吻合较好[24-25]。Matteis等[26]对于蒙皮连接件结构的动力学特性问题进行了系统的分析和研究，探讨了蒙皮连接件在风荷载和地震应力作用下的滞回特性。

1993年，李文等[27]对W-600型高波压型钢板的蒙皮效应进行了试验分析，结果表明W-600型高波压型钢板具有显著的蒙皮效应，高波压型钢板下板侧连接件及其支撑在增强蒙皮横向刚度方面发挥了良好的作用。1993年，卢铁鹰等[28]对电弧点焊连接的蒙皮进行了抗剪试验，推导出点焊连接件的蒙皮极限承载能力和抗剪刚度的简化计算方法。

2005年，龙莉萍等[29]采用悬臂梁-蒙皮-板试验研究蒙皮在静载荷下的承载力。结果表明国产V840型钢板与框架、檩条组成的受力蒙皮组合具有明显的蒙皮效应，但抗剪承载力不高。2019年，田稳苓等[30]对轻钢龙骨-蒙皮-板复合墙体的抗剪承载力实施了试验，确定了基于轻钢龙骨-蒙皮-板复合墙体螺旋群破坏模型的抗剪承载力，相关结果如图4所示。该研究中考虑到蒙皮板起到的承载作用，假定不同行间(图10(b)中的Ⅰ行与Ⅱ行)的螺钉承受的水平方向剪力值相等，基于此推导了复合墙体抗剪承载力的计算公式。

图4 轻钢龙骨蒙皮板复合墙体抗剪承载力测试试验

2005年，陈剑等[31]通过试验分析了有孔蒙皮和无孔蒙皮之间的蒙皮效果，结果表明开口附近存在明显的应力集中，如果未及时加强保护筋带或做适当的强度加强保护处理，开口附近的筋会变得脆弱，无法正常运行使用。2010年，彭敏[32]通过对HV-75-380型钢板蒙皮连接件进行试验分析，重点考虑连接件布置数量和方式、手动咬合板之间的连接方式以及支架的厚度和扭转刚度。2018年，褚云朋[33]对带蒙皮的复合墙体-楼板节点的抗震性能进行了试验研究，结果显示有蒙皮试件初始刚度比无蒙皮试件强，但是刚度受到的损伤略高，结果如图5所示。

图5 考虑蒙皮的组合墙体-楼板节点抗震性能试验研究

综上所述，国内外专家和学者已经对连接件的抗拉和抗剪性能问题进行了很多试验和研究，并根据试验成果提出了连接件的承载力的计算公式，但并没有推导出适合连接件刚度的一种通用计算公式。目前，对连接件刚度的选择和取值主要是通过对连接件剪切试验来确定。

3.4 蒙皮体与主结构协同工作性能的研究

2001年，完海鹰等[34]研究了在高层钢结构中考虑蒙皮效应，分析表明考虑压型钢板时，围护结构成为了承载结构的一部分，可以有效地提高结构的整体刚度。2005年，尚万祥等[35]分析了蒙皮效应对檩条的约束作用以及整个结构的水平承载能力，结果表明考虑蒙皮效应可以节省约10%的钢材。

2007年，孔唯云等[36]对无蒙皮的普通门式刚架和有蒙皮的门式刚架进行了分析，结果表明蒙皮本身与结构共用工作时，门式刚架柱顶侧向位移和内力得到了较大程度的削弱和减少，蒙皮效应对于钢柱长细比也是具有一些要求，如果长细比过大，蒙皮效应的有益效果将不再明显。2009年，卢林枫等[37]研究了无蒙皮和蒙皮门式刚架的整体性能。计算分析结果显示蒙皮效应在结构刚架的两向位移上均具有非常强的横向约束作用。2017年，王晓君[38]对轻钢龙骨复合墙体抗侧力行为进行了试验研究，如图6所示，结果表明，普通骨架被覆盖钢丝网后，模型构件的侧向力增加约32%。

图6 轻钢龙骨复合墙体抗侧性能试验研究

2016年，Peng等[39]开展了基于遗传算法的冷弯薄壁型钢门式刚架应力蒙皮优化设计，用于考虑半刚性节点影响的冷弯薄壁型钢门式刚架体系的框架优化设计。对于具有两个内框架的建筑，与忽略应力蒙皮影响的设计相比，内框架的材料成本可降低53%。2017年，Leerkes等[40]研究了蒙皮效应下钢桥面横隔梁的荷载变形特性，并建立了一个由750多个样本组成的数据库。2018年，鄢迹[41]研究了蒙皮效应对立体停车结构静动力性能的影响规律，计算模型和结果如图7所示。结果显示，考虑到蒙皮效应时，停车结构横向刚度可以得到较大的提高。2018年，李宗谕[42]通过数值模拟对考虑蒙皮效应的钢结构冷却塔进行了动力学稳定性的分析。结果显示在相同高度下，网架尺寸越大，结构承载力越小，蒙皮效应对结构的影响越大；冷却塔高度越高，蒙皮效应对结构的影响越大。2020年，李强[43]对建筑结构中蒙皮和轻钢结构进行整体抗剪分析，围护结构中的蒙皮可以显著地减小山墙框架与中间围护结构之间相对位移，从而提高建筑物的抗剪承载力。

图7 蒙皮效应对立体停车结构的静力与动力性能的影响数值分析

上述研究表明，蒙皮效应对结构的整体性能有显著的影响，无论是极限承载力还是结构稳定性。目前，国内外的研究大多集中在结构的整体性能上，但有些细节还需要进一步的考虑，例如，如何评估开孔对蒙皮结构中抗剪强度的弱化程度是一个现实问题，蒙皮结构在强风荷载、地震等往复剪切荷载作用时的滞回特性有待于进行进一步试验和研究。

3.5 空间结构蒙皮效应

近年来，大量学者开始关注空间结构的蒙皮效应问题。2015年，Liu等[44]通过有限元软件建立了考虑蒙皮效应的铝合金网壳结构模型，通过与无蒙皮的结构对比发现蒙皮效应将铝合金结构的整体稳定性提高了3倍左右。2016年，丁敏等[45]通过数值模拟研究了蒙皮效应对温室结构整体性能的影响，结果表明蒙皮效应显著提高了温室结构的整体性能，其承载力在风荷载下提升约0.35倍，雪荷载下提升4倍左右，如图8所示。2017年，Liu等[46]在考虑了几何非线性和材料非线性双重非线性的基础上分析了蒙皮效应对单层球面网壳结构整体性能的影响，结果表明屋面板产生的蒙皮效应能显著改善铝合金单层球面网壳的整体刚度和极限承载力，对跨度为30，60，90，120,150m的铝合金单层球面网壳的极限承载力分别提升了2.5，2.1，1.95，1.75,1.5倍。2020年，为了研究蒙皮效应对雷达罩铝合金结构整体性能的影响，武岳等[47-48]通过对三种工况的比较，揭示了蒙皮与骨架协同工作的机理，试验过程如9所示。试验结果表明外覆蒙皮的存在为骨架结构提供了侧向支撑，改善了杆件的稳定性。

图8 蒙皮效应对空间结构性能的影响

图9 考虑蒙皮效应的雷达罩结构受力性能试验

对于空间结构，传统设计方法仅仅考虑了覆盖材料的自重，但未考虑其对整体结构承载力的贡献。事实上，空间结构的主体构件在外覆蒙皮的约束下，其刚度和承载力都能得到显著改善，继而增强了空间结构的整体性，起到侧向支撑的作用。这间接导致了蒙皮在一定程度上能提高结构的竖向刚度、面内剪切刚度和强度。

4 结语

本文基于国内外学者对蒙皮效应的研究成果，总结了蒙皮效应在建筑结构中的应用。由前人的研究成果可得，蒙皮结构中蒙皮与主体结构的有效连接是发挥蒙皮效应的关键所在，采用滑动连接的蒙皮结构将失去蒙皮带来整体结构性能提升的功效。此外，外覆蒙皮的类型、尺寸、是否穿孔及连接件的类型、数量、布置均对蒙皮效应存在影响。

目前蒙皮效应的研究主要集中在轻钢结构中，铝合金由于其独有的特点，在与空间结构相结合的过程中逐渐发挥出优势，其中铝合金单层网壳以其优秀的表现力和适用性实现了众多建筑和结构设计师的独特设计理念，到目前为止，我国各地已建成了多座铝合金单层网壳结构。但在铝合金网壳结构中，对于考虑蒙皮效应后弹性及弹塑性的稳定承载力、稳定极限承载力的影响因素等问题，尚没有系统的研究。

蒙皮效应与不同的边界条件和不同的材料都有着紧密的关系，随着新型材料在空间结构中的应用，传统的连接方式也会发生变化，不同的连接方式、连接间距、材料及材料规格的变化可能出现多种破坏模式，需要进行更深入的研究分析，进一步推动蒙皮效应的研究进展。