江蘇杰達(dá)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司

金屬波紋拱形屋頂?shù)目缍扔?jì)算

大跨度拱形屋面結(jié)構(gòu)體系（又稱金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)）是由預(yù)涂層卷板經(jīng)軋制后形成的一種外形呈拱型的屋蓋構(gòu)體系。我國(guó)于1992年通過引進(jìn)美國(guó)的施工設(shè)備引進(jìn)了金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)體系。由于這種結(jié)構(gòu)具有用料省、施工速度快、跨越能力大、防水性能好等突出的優(yōu)點(diǎn)，很適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)尚不發(fā)達(dá)，但卻持續(xù)高速增長(zhǎng)的國(guó)情，因此在建筑市場(chǎng)上表現(xiàn)出了空前的發(fā)展勢(shì)頭。

這種結(jié)構(gòu)的主要特征如下：
1）結(jié)構(gòu)由薄鋼板軋制而成：目前采用的材料主要為預(yù)涂層卷板，其基板有以下幾類：熱鍍鋅鋼板、熱鍍鋅合金鋼板、熱鍍鋅鋁合金鋼板、熱鍍鋁鋅合金鋼板和電鍍鋅鋼板等，這些預(yù)涂層卷板的強(qiáng)度指標(biāo)在210~550MPa之間，極限使用壽命可達(dá)40~50年。隨著鋼材強(qiáng)度的提高、抗腐蝕能力的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)所用的鋼板的厚度得以降低，結(jié)構(gòu)適用跨度的范圍也得到擴(kuò)大，目前常用的預(yù)涂層卷板基板的厚度在0.6~1.5mm之間，可實(shí)現(xiàn)的很大跨度40m。由于材料機(jī)加工性能優(yōu)良且薄鋼板之間難以實(shí)現(xiàn)栓焊連接，因此這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接采用鎖邊連接形式，鎖邊連接不僅改善了連接處的耐疲勞、耐腐蝕及防水性能，而且也簡(jiǎn)化了施工工藝，加快了施工速度。

2）結(jié)構(gòu)靠在鋼板上軋制出波紋成型：將卷板變成拱型屋蓋需要二道成型工藝，第一步將鋼板軋成U型或梯形波紋直槽板，第二步通過在直槽板下部軋出橫向小波紋而將直槽板軋成拱型槽板，拱型槽板曲率大小就是靠板上橫向小波紋的深淺來調(diào)整的。雙向波紋徹底改變了原來鋼板的力學(xué)性能，第一步軋制成的槽形波紋極大地提高了鋼板的橫向剛度，是結(jié)構(gòu)承載力的根本所在，第二步軋成的橫向的小波紋則可提高鋼板的局部穩(wěn)定的承載力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)縱向的抗彎剛度，突出結(jié)構(gòu)的殼體受力特征，但同時(shí)也削弱了結(jié)構(gòu)跨度方向的剛度，降低結(jié)構(gòu)跨度方向上的穩(wěn)定承載力。

3）結(jié)構(gòu)呈拱型結(jié)構(gòu)：金屬拱型波紋屋蓋呈拱型（或筒殼）結(jié)構(gòu)受力機(jī)理，內(nèi)力分布較均勻，故而可在無梁無檁的情況下獨(dú)立實(shí)現(xiàn)很大的跨度。

這種結(jié)構(gòu)具有施工速度快、用料省、跨越能力大、防水防腐性好、色澤艷麗、造型美等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)很大跨度為40m，而所用的鋼板厚僅為1.5mm，用鋼量約為22kg/m2。由于在制作、安裝過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)均通過機(jī)械操作完成，因而施工速度非常快，一般情況下一個(gè)臺(tái)班可制作安裝500~800m2，1萬m2的屋蓋結(jié)構(gòu)可在20天內(nèi)完成。這種結(jié)構(gòu)艷麗的色彩來源于材料的彩色涂層，同一建筑可選用多種顏色的彩板進(jìn)行組合。因受結(jié)構(gòu)成型工藝的制約，這種結(jié)構(gòu)主要為圓弧外形，但與國(guó)內(nèi)常見的平屋頂及人字形屋頂相比不失為一種新的變化。另外不同曲率的圓弧，以及對(duì)圓弧拱殼進(jìn)行切割或相貫處理，可實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)美的建筑造型。

但也應(yīng)該看到金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)也有其自身難以克服的缺點(diǎn)，如造型單一、截面形式固定等。另外從結(jié)構(gòu)受力角度來看，這種結(jié)構(gòu)的圓弧外形并非理想形式，因?yàn)槌Ｒ?guī)荷載作用下，圓弧拱軸不是受力很合理的拱軸；對(duì)于一定特定的成型設(shè)備而言，只能軋制截面形式一定的一種槽板。這種結(jié)構(gòu)沿整個(gè)跨度方向是等截面的，從受力角度看這也是不合理的。另外由于采用一定材料及一定板型的一定跨度的這種結(jié)構(gòu)，其承載力取決于拱高和鋼板厚度，而研究表明在常用的鋼板厚度及拱高范圍內(nèi)，變化這兩個(gè)參數(shù)對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載力的意義并不大，因此對(duì)于荷載較大或跨度較大的建筑，這種結(jié)構(gòu)留給設(shè)計(jì)人員可供選擇的余地很小。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展和研究狀況

總的來說這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是主要的，也正因?yàn)槿绱诉@種結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)得到了普及及推廣。有資料顯示在北美地區(qū)每年就有一萬多棟建筑采用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)然由于前面提到的這種結(jié)構(gòu)的一些缺陷，在發(fā)達(dá)國(guó)家這種結(jié)構(gòu)多被用于對(duì)功能要求不太高的建筑和臨時(shí)建筑中。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)更是為了這種結(jié)構(gòu)作了活廣告，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后的1992年我國(guó)通過引進(jìn)美國(guó)設(shè)備引進(jìn)了金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)蘊(yùn)涵著很大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。非常適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的社會(huì)主義初級(jí)階段的國(guó)情，再加上天津大學(xué)，清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)在技術(shù)上的積極投入，這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了蓬勃發(fā)展。我公司研制的W610、W120型機(jī)組在吸取國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上有很大的創(chuàng)新，前者軋制的板材具有更大的截面剛度，可實(shí)現(xiàn)更大跨度的建筑，而后者軋制的板材應(yīng)用于較小跨度的建筑可實(shí)現(xiàn)更好的視覺效果。成型設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，大大地降低了設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，這對(duì)推動(dòng)這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)的普及推廣具有很大意義。短短幾年內(nèi)我公司工程應(yīng)用也驟增到每年10多萬m2，應(yīng)用領(lǐng)域涉及廠房、倉(cāng)庫(kù)、展廳、禮堂、訓(xùn)練館、體育館、餐廳、娛樂廳、加油站、營(yíng)房、車庫(kù)以及臨時(shí)建筑等方方面面。

從搜集到的有關(guān)資料看，國(guó)外關(guān)于金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)研究成果的文獻(xiàn)主要發(fā)表于六、七十年代，文獻(xiàn)作者分別來自美國(guó)、加拿大、意大利、前蘇聯(lián)和澳大利亞等國(guó)，文獻(xiàn)內(nèi)容涉及足尺試驗(yàn)、構(gòu)件實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算方法、設(shè)計(jì)思想等。盡管對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究并取得了很多成果，但這些成果多為互不聯(lián)系的學(xué)者所取得，很少有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和總結(jié)，更沒有從中提煉出實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的時(shí)間雖不常，但由于很多科研院所的熱情投入以及企業(yè)的積極支持，研究工作進(jìn)展很快，目前已有三家單位的研究成果通過國(guó)家鑒定，分別為清華大學(xué)兩家和天津大學(xué)一家。按金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)拱腳連接方式可分為鉸接、固接支座兩類。其常用的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)除支座節(jié)點(diǎn)（包括單跨、多跨）外，還包括單元板間連接、與山墻連接節(jié)點(diǎn)、拱腳防水防腐處理、屋面采光孔、采光帶設(shè)置、屋面通風(fēng)構(gòu)造等。其中因板型的差異，節(jié)點(diǎn)處理上略有不同。

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