第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 应力蒙皮力学性能实验研究 区彤，谭坚，陈星，王湛，潘建荣”，胡淑军 （1广东省建筑设计研究院，广州510070） （2华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州510640） 摘要：建筑结构上，蒙皮效应是指围护结构（主要是屋面和境面）对主体结构的整体加强作用.
这种效应大大加强了结构 的空间整体性.
本文以2010年广州亚运会体操馆为背景工程，考察蒙皮效应，分析此结构形式在周期荷载作用下的滞回曲 线和破坏机理，考察其抗震性能滞回性能，确定不同参数如蒙皮板厚度、蒙皮连接方式的影响，对比分析未设置蒙皮钢板的 梁自身平面外稳定性能相对较好，所以没有体现出蒙皮优势.
可以考虑用工字型截面梁来研究蒙皮效应.
关键词：蒙皮效应：实验分析：滞回性能 1引言 建筑结构上，蒙皮效应是指围护结构（主要是屋面和墙面）对主体结构的整体加强作用，这种效应大 大加强了结构的空间整体性.
蒙皮效应很难明确地量化，它受很多条件影响，不同的工程情况下，蒙皮的 作用效应也不同，工程中只将其作为一种结构上的储备.
我国的规范尚未对蒙皮效应做出规定.
英国应力 蒙皮设计规范BS5950-913对屋面和墙面维护结构所用压型钢板的应力蒙皮作用包括设计与施工作了详 细的规定.
2010年广州亚运会体操馆屋面钢结构部分有23m的悬臂端，飘带单层网壳跨度达64m.
在其局部结 构上铺设5mm厚的钢板考虑应力蒙皮作用，如图1所示.
需保证钢板和支承构件的可靠连接，为了减少 板本身的挠度，板边嵌固于钢结构上表面，节点大样见图2.
蒙皮钢板 LEO LEOX 3 界钢板 5 蒙皮钢板 图1体操馆局部铺设蒙皮钢板 图2钢板连接大样 本文以此工程为背景，考察蒙皮效应，分析此结构形式的周期荷载作用下的滞回曲线和破坏机理，考
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 察其抗震性能滞回性能，确定不同参数如蒙皮板厚度、蒙皮连接方式的影响.
对比分析与未设置蒙皮钢板 的结构形式的周期荷载作用下的滞回曲线和破坏机理.
2试验模型及循环加载方案 2.1试件选取 根据试验条件采用缩尺比例模型（比例约取0.6（模型/原型）），梁高度适当调整（为了分析梁高的变 化对蒙皮作用的影响），且取一跨进行分析，增设一个未设置蒙皮的试件模型.
每组2个，共7个试件.
具体参数和构造见表1和图3.
表1试验模型尺寸表 试件 箱型梁 跨x长x厚 角焊缝 角钢 个 (bxlxt) 数 A组 B240x120x6x6 1200×3000x3 双面 L40x4 2 B400×120x6x6 单面-贴板 B组 1200×3000x3 加强 L40x4 2 C组 B400×120x6x6 1200x3000x2 双面 L40x4 2 D组 B400×120x6x6 1200x3000 一独立 悬臂梁 1 图3-B组示意图 2.2循环加载方案 加载设备及安装如图4所示（采用了两个油压千斤顶）.
试验时，将试件固定在反力墙上，两端上下 两面分别加一荷载分配梁：两个200吨油压千斤顶放于上下分配梁中点处，分别上下推压，因此试件在往 复的荷载作用下进行试验.
应变采集和位移计采集，均采用DH3816静态应变采集系统.
加载点位置在离梁端150mm处.
力和位移都取向下为负，向上为正.
弹性阶段采用力荷载控制，屈服 后采用位移加载控制，加载量要根据屈服时的位移待定.
试验全过程，均施加反复荷载，用以得到其相应 的滞回曲线.
性连统件 图4-1加载立面示意图 图4-2采用油压干斤顶的试件加载图 根据JGJ101-96《建筑抗震试验方法规程》的要求，并参考ECCS的方法，对试件A、B和C均采用 了位移加载，并得到相应的荷载一位移曲线.
试验前对各试件进行有限元分析，参照文献分析方法以确定试件的大致屈服荷载、屈服位移以及 可能发生最大应力位置，并在试验前贴上应变花.
实验时，初始采用力控制，根据有限元模拟得到的屈服 荷载在一半屈服荷载0.5F处循环加载3次.
进入弹塑性后，改用位移控制，（屈服位移值由最大应变值和 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 荷载位移值是否为线性变化两者共同确定），得到相应的屈服位移.
之后，按△y、2Ay、2.5Ay、3△y， 并拉压各做三次（均以试件梁端位移计来控制位移），直至构件被破坏.
具体加载制度和屈服位移见表2.
表2各试件的加载制度 试件编号 加载方式 屈服位移（mm） 加载方案 A1、A2 位移加载 yj=55.9Ay;=49.9 ±0.5F 三次 ±Ay三次 B1、 B2 位移加戟 Ayy=44.5Ay=49.9 ±2Ay三次 C1、C2 位移加戟 Ay=45.3Ay=45.7 ±2.5Ay三次 ±3Ay三次.. D 位移加载 y =45.3 注：表中的±Ay是从0加载到AykN，接着卸载到位移为0，再反向加载到Ay 试验过程中，需始终保持循环加载的均匀性和连续性，且正、反向加载和卸载速度保持一致，以保证 所采集数据的稳定性.
2.3试验现象及破坏形态 根据加载方案，研究试件的实验现象和破坏形态.
分析其应力分布、滞回性能，了解其破坏特点.
在试验过程中，对各试件采用循环加载后破坏形态大致相同：初始加载时根据应变花上的应变值和荷 载位移曲线确定各试件的屈服位移，再根据2.2节中的加载方式往复的加载和反向加载.
当各试件的位移 在23倍的屈服位移时，梁端根部处被拉裂，构件迅速被破坏.
各试件的破坏详图见图5.
实验现象和破坏形态分析：A、B、C组试件在加载到屈服时开始在梁根部与蒙皮焊接的位置出现细微 裂缝，加载到2倍屈服位移时裂缝进一步发展，同时梁下翼缘开始出现裂缝.
继续加载到2.5或者3倍屈 服位移时，构件完全破坏，无法继续加载.
由于上部有蒙皮的作用，在梁根部处有集中应力，所以试件总 是在梁根部上翼缘先开始出现裂缝，下翼缘后出现裂缝.
因此往下加载的荷载总是比往上加载的荷载小一 点.
单根梁试件D在屈服前并没有失稳，箱形截面梁的平面外稳定较好.
最终破坏时梁根部被压鼓并出现 一点失稳弯折.
各试件的破坏图如下所示： 图5-1节点A、B、C上翼缘、下翼缘破坏图 图5-2节点D上翼缘、下翼缘破坏图 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3 试件的滞回性能分析 通过对试件A、B、C和D试验分析可得，各试件的滞回性能如图6所示，屈服位移、屈服荷载、极 限荷载值如表3 A组的两个试件的荷载-位移滞回曲线最饱满.
进入届服后，由位移控制，在相同的位移下，上下两边 的力不相等.
A1上下的极限荷载相差为7.5%：A2上下的极限荷载相差为15.9%.
产生此现象的主要原因 是进入屈服强化后两边刚度不等.
B组两个试件荷载-位移滞回曲线比较饱满，滞回曲线中间略有“捏缩”.
由于B的梁截面是A的一倍， 所以B试件的承载力明显比A试件高，平均高出97.5%.
B1上下的极限荷载相差为15.7%：B2上下的极 限荷载相差为19.8%.
C试件的荷载-位移滞回曲线与B试件相似.
B与C蒙皮的厚度不同，但试件承载力基本相同，蒙皮 厚度的变化基本没有影响.
B1上下的极限荷载相差为8.1%：B2上下的极限荷载相差为14.8%.
试件D的荷载-位移滞回曲线比较饱满.
滞回曲线中间略有“捏缩”.
D与B、C梁截面相同，极限承载 力与B、C承载力的一半相比都略低，但相差不大，在5%以内，屈服时的承载力也基本一致.
表3各试件的试验参数值 试件编号 屈服位移 屈服荷载 极限荷载（下） 压力极值（上） A1 55.91mm 85KN 133kN 143kN A2 49.92mm 90KN 126kN 146kN B1 44.45mm 157.5KN 255KN 295KN B2 49.91mm 156.8KN 242KN 290KN C1 45.29mm 166.2KN 259KN 280KN C2 45.65mm 149.4KN 264KN 303KN D 44.47mm 81.5KN 129kN 140kN A1荷载-位移曲线 A2荷载-位移曲线 B1荷载-位移曲线 200 400 150 荷 150 荷 300 荷 100 载 100 载 (KN) 200 KN) KN 100 200-150 50 100 150 200 -200-150; 50 100 150 200 -150-10g 50 100150 加载点位移 加载点位移 s. (Ru) 15% 150 (mm) 加载点位 400 -300 移（mm） 荷 300 载 20 B2荷载-位移曲线 400 C1荷载-位移曲线 KN) 400 10 300 荷 300 载 200 荷 200-15 载 200 100 (KN) 109- 30-150 50 100 150 -150 50 100 150 加载点位移 加载点位 009- (u) 移 (um)
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 C2荷载-位移曲线 D荷载-位移曲线 400 200 荷载 300 荷 150 （KN） 200 100 10p （KN） 50 200-150-109 50 100 150 200 -150 -100 50 100150 加载点位移 (mm) 加载点位移 300 150 () 4结论 本文通过蒙皮试件的试验研究，可得到以下结论： 1、每个试件的滞回曲线都比较饱满，具有较好的耗能能力： 2、有蒙皮的试件，控制在相同的位移，当梁在负弯矩作用下时（千斤顶向下压，使梁上翼缘受拉， 蒙皮受拉）比梁在正弯矩作用下荷载略小.
这是因为由于蒙皮的作用，梁侧向失稳得到有效约束，但同时 在梁根部上翼缘处产生了一定的集中应力，使梁上翼缘最早出现裂缝，而下翼缘比上翼缘出现裂缝要晚， 所以上翼缘的裂缝比下翼缘的发展更厉害，导致负弯矩作用下的承载力比正弯矩作用下的承载力略低： 3、B的梁截面是A的1.67倍，所以B试件的承载力明显比A试件高.
理论计算B的承载力应该是A 的2.79倍，实际实验情况为B承载力是A的1.98倍.
主要原因是试件节点处过早开裂，节点处焊缝性能 不确定，导致构件达不到理想的材料强度： 4、B与C蒙皮的厚度不同，但试件承载力基本相同.
因此蒙皮厚度的变化对此试件没有影响.
B、C 的蒙皮连接方式也略有不同，但蒙皮与梁的连接没有出现任何破坏，所以这两种连接方式对此试件没有影 响： 5、D与B、C梁截面相同，屈服荷载、极限承载力与B、C的一半基本一致.
最终的破坏模式，有蒙 皮的都在梁根部开始出现裂缝.
而单根梁最终破坏时是失稳，但此时已经过了屈服.
箱形截面梁自身平面 外稳定性能相对较好，所以没有体现出蒙皮优势.
可以考虑用工字型截面梁来研究蒙皮效应.
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