蒙网结构体系受力性能分析

蒙网结构体系的受力性能分析[摘要]蒙网结构体系是柱子沿房屋周边布置，中间无柱；刚桁架主要是混凝土结构，由高度有一层楼高，跨度等于建筑全宽的桁架纵横向交错布置；楼屋面板布置在刚桁架的上弦和下弦。

这种结构增大了建筑内部空间使用的灵活性、结构的可变性。

笔者认为采用钢筋混凝土作为材料的蒙网结构更适合于中国的国情。

但目前对该结构的设计只是停留在估算阶段，只有定性的认识。

本文对该体系在竖向力作用下的受力分析，期望能为该体系的软件化的计算形成一个开端。

首先我们通过力学分析发现：桁架内的力偶作用，使得刚桁架上下弦梁上的负弯矩和跨中弯矩都有了很大的降低。

通过结构的空间分析发现：板不仅仅能够承担板上的弯矩而且板的表面也可以承担剪力，传递轴力，而楼板与楼板之间形成的以空间桁架作为其肋的一系列隔板，增大了板的刚度，减小了整体结构的挠度，这就是蒙皮效应的作用机理。

上下楼板内的一组组力偶，对整个结构的弯矩、剪力、轴力有着很大的影响，降低了梁端等最不利位置处的弯矩。

同时通过一个具体实例对比两种结构设计软件计算的结构，进一步证实了蒙网结构的受力特性。

最后提出了蒙网结构体系设计的要点。

[关键词]蒙网结构；空间桁架；结构性能第一章： 蒙网结构体系综述1.1、前言言，24m ×18m 考虑采用了蒙网结构。

b 、c ）。

组成的一个钢筋混凝土结构体系。

在一个大空间中，柱子沿房屋周边布置，中间无柱，每榀直（斜）腹杆刚桁架根据柱距纵横向交错布置，楼屋面板布置在桁架的上弦和下弦，形成了一个上部是蒙网结构在大跨上面的初步运用，替我们打开了研究大跨结构的新的思路。

它不仅可以运用于单层厂房上，为以后在一些多层及高层结构上采用或部分采用该结构提供了应用基础。

1.2名称由来为什么称为蒙网结构？主要是因为该体系具有结构上所说的蒙皮效应。

蒙皮效应是指在建筑物表面覆盖的材料（屋面板或墙板）利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度起加强作用。

蒙皮效应这一结构概念来自于飞机和船舶行业。

最初的飞机是用传统的布料来作飞机的表面材料，直到二十世纪二三十年代，德国人胡戈·容克斯，作为一名飞机设计师，他第一个提倡飞机的一体化设计，第一个造出了全金属飞机，也第一个提出了蒙皮的概念。

试验表明，当蒙皮上无数细微凹槽顺飞行方向铺设时，在大幅度提高机体表面强度的同时，相对飞行阻力最小。

这种蒙皮的构造在某些方面抗变形能力很强，自身有较好的强度。

所以在当时的好些飞机型号上得到成功运用。

在建筑结构中蒙皮效应的工作机理是围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了以檩条作为其肋的一系列隔板。

这种板在平面具有相当大的刚度，类似于薄壁深梁中的翼缘。

这种构造可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用。

而蒙网结构正是利用了这种蒙皮效应原理，上下层楼板都是通过梁与梁之间、梁与板之间刚性连接，形成了以梁作为其肋的一系列搁板，如同密肋楼盖。

同时又区别于密肋楼盖，它并不是孤立的一层密肋板，上下层板之间还通过一系列直或者斜腹板的连接，形成一个整体蒙网结构。

就如同我们常见的纸面石膏板，石膏和纸面板的强度和刚度都很小，而如果把石膏通过上下两层纸面板压合而成石膏板，这种板就具有一定的强度和刚度，可以用来作为装饰材料使用。

蒙网结构的道理也相同，如果把蒙网结构这一层看作一整体的话，它整层具有较大的刚度和强度，可以用于承受跨度较大的结构。

1.3结构体系与平面布置1.3.1桁架蒙网结构体系中腹杆桁架根据其腹杆体系布置的不同可以分为：直腹杆桁架、斜腹杆桁架及混合桁架。

斜腹杆桁架是在桁架的每个节间设置斜拉杆，但是斜腹杆桁架也因桁架内设有斜杆，在建筑使用上影响很大。

直腹杆桁架是蒙网结构中常用的形式，其节间无斜杆，故可以方便地在建筑上布置门洞及走廊，设置小开间。

混合桁架借鉴了直腹杆桁架和斜腹杆桁架的共同特点，部分采用直腹杆桁架，部分采用斜腹杆桁架。

如某帘子布厂就在纵向一侧设置斜腹杆桁架，另一侧设置直腹杆桁架。

可以看出，在相同的条件下（同荷载、同跨度、同边界条件、同截面尺寸），采用斜腹杆桁架的跨中挠度可以明显减小，而且杆件受力也可以得以改善。

因此在蒙网结构设计时，应根据具体条件选择合适的平面桁架形式。

1.3.2楼盖蒙网结构中可供选择的楼盖体系很多，但通常多选择混凝土楼板。

一是施工比较方便，二是造价相对低廉。

而楼板对于发挥蒙网结构体系的作用却很关键。

为了充分发挥蒙皮效应的工作原理，板必须满足以下诸多条件。

a楼板与四周梁要刚性连接。

b因为柱距大、跨度大，楼板的厚度相应有所增加。

c楼板必须具有足够平面内的强度和刚度，能同时承受水平力和垂直荷载。

d如果板的某一方面抗剪能力较弱，那么由较弱方面的抗剪能力决定了结构整体的抗剪能力。

e蒙网结构中的板的受力将参与到整个结构工作，那么板上的开洞将受到限制，或者说板上开洞要经过结构计算并进行补强。

1.3.3节点构造蒙网结构因为也是一种混凝土结构体系，可以方便的采用混凝土结构的节点构造。

具体可以参考混凝土结构施工的构造详图。

1.3.4建筑平面布置相对来说，蒙网结构体系的建筑平面布置要求比较高，最适宜的是有一定宽度的矩形平面，其结构布置可用几乎相同的桁架结构来完成。

当然，如果建筑密度变化不大，也可以布置成L形和凹形平面。

在居住建筑中，建筑师一直希望结构工程师提供跨中无竖向结构的空间，这样建筑师可根据用户的需要进行建筑平面内的灵活隔断，而蒙网结构可以达到这样的效果，因此具有广阔的应用前景。

1.4国内外研究现状、发展动态研究蒙网结构体系，我们得提到和蒙网结构体系很相像的交错桁架结构体系。

随着现代科学技术的高速发展，以及人们对房屋的功能齐全、使用方便、居住舒适、安全节能、有益健康等方面的要求，使体系建筑正成为一支新生力量。

交错桁架结构体系是美国麻省理工学院于20世纪60年代中期开发的一种结构体系，它主要适用于住宅、旅馆、办公楼等平面为矩形或由矩形组成的高层钢结构房屋。

在美国、澳大利亚等国家已有不少应用，但研究工作开展较少。

据报道90年代初期，该体系已在美国和澳大利亚等国建成，最高已建至35－40层。

交错桁架结构是在钢框架结构上演变而来的可用于高层钢结构建筑的一种结构方案，而该体系无论是在建筑功能方面还是在力学特性上都有着胜过普通钢框架结构的优点。

该体系的基本组成是柱子、平面钢桁架和楼面板（见图2）。

柱子沿房屋周边布置，中间无柱，且桁架在相邻柱子上为上下交错布置，楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端则搁置在相邻桁架的下弦。

这样在建筑上可获得两倍柱距的大开间，便于建筑平面自由布置，具有良好的适应性。

同时在结图2：交错桁架结构模型构上采用小柱距和短跨楼板，楼板的跨度仅为一个桁架上弦到相邻桁架下弦的距离，同具有相同内部开间的其他结构相比，楼板跨度减小，从而可以减小楼板的厚度，在整体上降低了结构的高度，减轻结构自重。

与混凝土结构和普通钢结构相比，该体系还有施工速度快，工期短，综合经济效益好的特点。

因此它已越来越引起结构师的重视。

我国最早的交错桁架建筑是1994年11月建于上海北蔡的8层和5层钢结构住宅，采用冷弯成型矩形钢管混凝土和U型冷弯薄壁组合梁组成框架。

建造该试验住宅的上海现代房地产公司，于1999年还在新疆和上海分别建造了8层和5层钢结构住宅，并试用错列桁架体系的结构形式，使小开间取得了大开间的效果，引起了各界重视。

虽然交错桁架结构和蒙网结构有其相似的一面，都是大空间，都是柱、刚桁架和楼面板组成，但受力形式、结构组成都不相同。

因此对于蒙网结构的研究目前现在尚属空白。

1.5蒙网结构研究前景和优势蒙网结构同交错桁架一样，它不仅可以在单厂结构中能够发挥作用，作为大空间结构的一种形式，它可以灵活地运用于各种建筑类型中，结构的可变能力得以增强。

蒙网结构为住户提供了大而可划分的空间，适应了商品房市场多品种、多样化的居住需求。

由于隔墙的轻质化和可拆改化，居住空间大小可以随意布置，空间组合创造的余地不受限制，可以最大化的满足客户对住宅功能和设备的高品位追求。

又由于隔墙的可拆改性，便于住宅的更新改造。

同时蒙网结构同交错桁架相比，又有它自身无法比拟的优势：a蒙网结构采用钢筋混凝土作为材料更适合于中国的国情中国钢材的产量目前还很有限，所以在现阶段的我国以钢结构作为大量推广的结构形式还不现实。

同时与传统的结构形式相比，钢结构的价位较高。

蒙网结构对于预应力或者钢结构等大跨建筑而言，它的建造的费用相对低廉，更便于推广。

同时钢结构中还存在防火性能、抗震性能和防腐蚀性能的技术难点。

因此采用混凝土结构更科学、更合理。

b蒙网结构的实用性也得到了增强蒙网结构体型适中，可以灵活运用于各类建筑中。

同时它是钢筋混凝土结构可以和框架、框剪等结构形式无缝对接。

在一幢建筑中可以局部采用框架、框剪，局部采用蒙网结构。

在商场、宾馆等大型公共建筑中，它的技术层可以作为辅助用房。

在住宅中，技术层又可以作为小开间的房间使用。

因此房屋的利用率得以提高。

c蒙网结构真正体现了蒙皮效应蒙网结构是纵横向交错布置的井字桁架，板于板之间形成了以桁架作为其肋的一系列隔板。

这种板在平面内具有相当大的刚度，类似于薄壁深梁中的腹板，桁架的上下弦类似于薄壁深梁中的加劲肋。

因此同交错桁架相比，这种结构更适合于跨度大的结构。

1.6研究方法和存在问题根据国外已发表的文献看，对于交错桁架体系主要进行空间整体的弹塑性全过程分析，既考虑结构的几何非线性，又考虑结构的材料非线性，采用的主要方法是内力屈服面塑性铰法和塑性铰区域法，如Conci和Gattass，Shi和Atluri，以及Chandra等。

这些方法的优点是计算精度高，而过程又不过于复杂。

但在结构的加载过程中如何使杆件单元的弹塑性杆端力增量能始终保持在屈服面上或屈服面内均未能很好的处理。

也有一些学者提出过自己的方法，但或是因为仅局限于对柔性结构的分析，或是因为以小挠度理论为基础，再或是由于计算过于复杂而受到不同程度的限制。

我国的清华大学和湖南大学主要在做交错桁架结构的研究工作。

因为交错桁架在竖向力荷载作用下其受力特性同传统框架体系类似，所以一般不太把竖向力荷载下的受力性能作为研究的课题。

但由于其同一榀框架的抗侧移刚度沿高度分布不均匀，其抗侧力特性既不同于纯框架结构，也不同于刚度分布较均匀的剪力墙结构体系，因此交错桁架的抗侧特性的分析是研究的重点，而常规做法是采用SAP2000、ETABS等软件进行分析研究，并已取得了很多的研究成果。

蒙网结构的布置特点决定了已不能按其交错桁架研究的重点来进行分析。

交错桁架结构体系是以每榀框架以一层桁架层和一层敞开层隔层相同布置，而蒙网结构体系不仅每榀框架以一层桁架层和一层敞开层隔层相同布置，同时结构每层还以一层桁架层和一层敞开层隔层相同的布置。