拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6的編制與應(yīng)用

劉錫良.張勇藝

(1.天津大學(xué)土木系,天津30()072;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京100044)

摘要:中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS167,20045拱形波紋鋼崖蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6于0240年21月正式碩布實(shí)施"這是世界上第一本拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的專用技術(shù)規(guī)程"總結(jié)挽程編制組對(duì)這種結(jié)構(gòu)所做的主要研究工作,并介紹該規(guī)程的主要特點(diǎn)及應(yīng)用案例"

關(guān)鍵詞:拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu);技術(shù)規(guī)程;設(shè)計(jì)方法;彩涂板;質(zhì)量控制

1998年9月中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)下達(dá)了協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)5金屬拱型波紋屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6的編制計(jì)劃"在協(xié)會(huì)輕型鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)主持下,經(jīng)主編單位天津大學(xué)和各參編單位近5年的辛勤工作,很終完成了編制任務(wù)"規(guī)程于2004年21月批準(zhǔn),于2005年2月1日開始實(shí)施,編號(hào)為CECS167,2004"CECS167,2o04(拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程)(以下簡(jiǎn)稱5規(guī)程)是世界上第一本拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的專用規(guī)程,在編制過程中現(xiàn)有可供直接借鑒的資料不多,編制困難較大"規(guī)程編制組為此進(jìn)行一了大量的針對(duì)性研究,并系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)_l二程經(jīng)驗(yàn),在此基礎(chǔ)上形成的規(guī)程內(nèi)容較全面,不僅規(guī)定了拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的材料!制作!安裝及使用等技術(shù)要求,而且提出了一套切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法!.}"本文首先總結(jié)規(guī)程編制組對(duì)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)所做的研究工作,然后介紹規(guī)程的主要特點(diǎn)及應(yīng)用案例"

1規(guī)程編制組完成的主要研究工作

1.1拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)足尺模型試臉研究.5川拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)構(gòu)造特點(diǎn)決定了無(wú)法通過縮尺模型試驗(yàn)來(lái)研究這種結(jié)構(gòu)的性能:一是這種結(jié)構(gòu)所用板材很薄(0.6~1.5mm),縮尺模型已無(wú)更薄的板材可用;二是這種結(jié)構(gòu)上壓有很多細(xì)小的波紋,縮尺模型上即便壓出波紋,波紋的性狀也很難和原結(jié)構(gòu)相同"由于板件很薄,波紋力學(xué)性能的改變對(duì)于板件的力學(xué)性能勢(shì)必產(chǎn)生很大的影響,甚至使縮尺模型具有與原結(jié)構(gòu)完全不同的力學(xué)特征"盡管足尺模型試驗(yàn)費(fèi)時(shí)!費(fèi)財(cái)!費(fèi)力,但對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的研究卻是必需的"規(guī)程編制組先后進(jìn)行了02組拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的足尺模型試驗(yàn),模型跨度為7~73.sm"另外,鞍山東方彩板公司于1998年n月在鞍山也做第一作者:劉錫良,男,1928年6月出生,教授,博士生導(dǎo)師劉錫良,等:CECS167,2OO4(拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6的編制與應(yīng)用了8組MIC一120型拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)"以上試驗(yàn)均為破壞性試驗(yàn),這些試驗(yàn)合在一起幾乎涵蓋了目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所有的板型"通過仔細(xì)觀察試驗(yàn)過程!深人分析試驗(yàn)結(jié)果,可以對(duì)這種結(jié)構(gòu)/豐富多彩0的力學(xué)性能有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),從中也得出以下結(jié)論:

1)拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度較小,在荷載作用下結(jié)構(gòu)變形較大,表現(xiàn)出顯著的幾何非線性特征"

2拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在全跨荷載作用下的承載力遠(yuǎn)大于在半跨荷載作用下的承載力"

3)在全跨荷載作用下的變形小于在半跨荷載作用下的變形;當(dāng)初始缺陷較小時(shí),結(jié)構(gòu)在全跨荷載作用下的失穩(wěn)類型表現(xiàn)出了非對(duì)稱的分枝型失穩(wěn)特征;當(dāng)初始缺陷較大時(shí)為非對(duì)稱的極值型失穩(wěn),結(jié)構(gòu)在半跨荷載作用下呈非對(duì)稱變形,失穩(wěn)形態(tài)為非對(duì)稱的極值型失穩(wěn),

4)初始缺陷對(duì)這種結(jié)構(gòu)的破壞模態(tài)及承載能力都有很大影響,這是一種缺陷敏感結(jié)構(gòu)"

)5槽板之間的鎖邊連接質(zhì)量對(duì)板件間協(xié)同工作狀況以及結(jié)構(gòu)的承載能力都具有很大影響結(jié)構(gòu)板件上的橫向小波紋對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很大,可有效提高結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定承載力"

1,2拱型連蚊鋼屋蓋結(jié)構(gòu)局部板組相關(guān)屈曲試及殘余應(yīng)力分布試驗(yàn)研究16目j作為一種冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu),拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性能必然受到研究者的關(guān)注"南昌大學(xué)對(duì)此進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:波紋板

組的屬曲承載能力明顯高于平板板組的承載力,但波紋板組幾乎沒有屬曲后承載能力"波紋的特殊構(gòu)形顯著增大板件在垂直于波紋伸展方向上的剛度,相當(dāng)于給平板加上加勁肋,因此波紋板組的屈曲承載能力要高于平板板蛆"板組屈曲后,平板板組截面上應(yīng)力發(fā)生重分布,很大應(yīng)力向壁板交線處移動(dòng),使截面有繼續(xù)承載的能力,板組的屈曲后承載力基本上取決于截面棱角部分的材料性能"對(duì)波紋板組而言,截面的應(yīng)力集中處除棱角外,還可能在波紋構(gòu)造的波峰!波谷位置.在其復(fù)雜的受力機(jī)理作用下,截面達(dá)到局部屬曲承載能力時(shí),這些部位的材料已進(jìn)人塑性.從而導(dǎo)致波紋板組一且屈曲便很快失去承載能力"

武漢工業(yè)大學(xué)運(yùn)用鉆孔法對(duì)拱波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試,得到了結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布形式,并分析了殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力

的影響"

1.3拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型研究19.]0

在上述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,天津大學(xué)對(duì)拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了3種可能的有限元模型(兩種殼體計(jì)算模型!一種拱計(jì)算模型),并逐一進(jìn)行理論與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析"

拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是一種筒殼結(jié)構(gòu),因此將其簡(jiǎn)化成殼體計(jì)算模型在概念上更容易被接受"殼體計(jì)算模型1是以單榻拱型槽板為研究對(duì)象,將其作為空間殼體,并用殼體有限元進(jìn)行模擬分析"對(duì)于這種縱向長(zhǎng)度較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu),若所受荷載沿縱向均勻分布,那么距離結(jié)構(gòu)端部較遠(yuǎn)的拱板由于受到相鄰拱板的制約將只發(fā)生平面內(nèi)的變形,此時(shí)若取這樣的一福拱板為研究對(duì)象,則相鄰拱板間的相互作用可簡(jiǎn)化為一定形式的平面外約束"殼體計(jì)算模型2以整個(gè)屋蓋為研究對(duì)象,對(duì)于矩形截面的屋蓋分別采用空間梁?jiǎn)卧翱臻g板單元模擬結(jié)構(gòu)的腹板及下翼緣,對(duì)于梯形截面屋蓋則用殼體有限元進(jìn)行模擬分析"顯然,采用殼體計(jì)算模型,結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算量是巨大的,而且殼體分析理論也比較復(fù)雜,難以為一般技術(shù)人員所掌握"因此,基于殼體模型的結(jié)構(gòu)分析方法不宜作為通用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行推廣"事實(shí)上,當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度與縱向長(zhǎng)度相比較小時(shí),遠(yuǎn)離兩端部的屋蓋受端部山墻的影響較小,在荷載沿結(jié)構(gòu)縱向?qū)ΨQ的情況下,這種結(jié)構(gòu)的空間作用并不顯著,若忽略這種空間作用將其按平面結(jié)構(gòu)來(lái)分析則可大大簡(jiǎn)化分析過程"故提出的第3種計(jì)算模型便是平面拱計(jì)算模型"模型試驗(yàn)已表明,無(wú)論采用何種計(jì)算模型,在確定結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)時(shí)都應(yīng)考慮小波紋的影響"對(duì)于波紋板的分析采用靜力等效法進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,具體是按照等剛度原則將波紋板的剛度矩陣等效成平板的剛度矩陣"具體到不同的計(jì)算模型,又分別采用了不同的變換技巧:在殼體模型中,等效變換直接變化的是板件的彈性模量和泊松比,而在拱計(jì)算模型中變化的是板件的厚度"

1.4拱型波紋鋼崖蓋結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定承載性能理論

研究[10川

由于這種結(jié)構(gòu)自重輕,剛度小,地震作用一般不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素,因此天津大學(xué)對(duì)其靜力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究:采用大撓度有限元理論,通過殼體模型2分析了結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度及山墻支承作用對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響;采用彈塑性大撓度有限元理論,通因素對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響;并運(yùn)用一致缺陷模態(tài)理論,討論了初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的影響"通過

理論分析得到了以下結(jié)論:在自重類荷載及類雪荷載等對(duì)稱荷載作用下,無(wú)缺陷拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)為非對(duì)稱的分枝屈曲;若考慮缺陷的影響,結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)將轉(zhuǎn)變成非對(duì)稱變形的極值失穩(wěn),而且此時(shí)的極值承載力明顯小于無(wú)缺陷拱的分枝穩(wěn)定承載力"；在半跨荷載作用下,拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)為非對(duì)稱的極值點(diǎn)失穩(wěn)；在類風(fēng)荷載作用下,四周封閉的拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)不存在穩(wěn)定問題,在力學(xué)上表現(xiàn)為強(qiáng)度問題；拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限承載力前,一般要經(jīng)歷彈塑性變形階段,而且在彈塑性階段結(jié)構(gòu)的變形增加很大而所能承受的荷載增加很小,因此在實(shí)際工程中可以采用邊緣屈服準(zhǔn)則判斷這種結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)"；對(duì)于拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力而言,固支條件下的結(jié)構(gòu)剛度要比鉸支條件下的結(jié)構(gòu)剛度大,因而固支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力也要比鉸支結(jié)構(gòu)高"6)在類風(fēng)荷載作用下,固支結(jié)構(gòu)的變形比鉸支結(jié)構(gòu)小,但其極限承載力卻不比鉸支結(jié)構(gòu)大(按邊緣屈服準(zhǔn)則判斷),在有些情況下(如矢跨比取0.15),鉸支結(jié)構(gòu)的極限承載力反而明顯大于固支結(jié)構(gòu)"一般情況下隨著矢跨比的增大,結(jié)構(gòu)剛度降低,結(jié)構(gòu)承載能力也相應(yīng)下降"在對(duì)稱荷載作用下結(jié)構(gòu)的較優(yōu)矢跨比為0.2一0.25;在半跨荷載作用下較優(yōu)矢跨比為0.51~0.52;在類風(fēng)荷載作用下為0.51一0.25"綜合考慮各種荷載工況及結(jié)構(gòu)承載力對(duì)各種缺陷的敏感度,這種結(jié)構(gòu)的較優(yōu)矢跨比應(yīng)為0.2~0.25"在各種荷載作用下,結(jié)構(gòu)的彎矩內(nèi)力都表現(xiàn)，出明顯的非線性特征,而軸力均呈線性"因此對(duì)于鉸支結(jié)構(gòu)采用線性化分析方法確定的結(jié)構(gòu)支承反力是準(zhǔn)確的"；支座位移將降低拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定承載力"但隨著結(jié)構(gòu)矢跨比的增加,結(jié)構(gòu)承載力對(duì)支座位移的敏感度將降低"實(shí)際工程中矢跨比較小(如0,2以下)的結(jié)構(gòu)不僅支承反力大,而且對(duì)支座位移反應(yīng)敏感,破壞前變形小,因此應(yīng)謹(jǐn)慎選用；由于實(shí)際工程所允許的支座位移非常有限,再考慮到這種結(jié)構(gòu)特殊的施工工藝,一般情況下在設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮支座位移的影響"對(duì)于允許支座移較大的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)人支座位移的影響；)由于這種屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度較低,其支承反力受支座位移的影響很小,因此在確定結(jié)構(gòu)支承反力時(shí)可對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行分析,而不必考慮屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用"另外,由于屋蓋難以給下部結(jié)構(gòu)提供有效支撐,因此下部支承結(jié)構(gòu)應(yīng)按懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)"

對(duì)于縱跨比較大的屋蓋結(jié)構(gòu),只要屋蓋所受荷載沿縱向均勻分布,便可以在計(jì)算時(shí)忽略結(jié)構(gòu)的縱向變形將屋蓋簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析"

1.5 拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法研究L.5.6j

試驗(yàn)研究及理論分析都表明拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度較小,在荷載作用下具有典型的幾何軟化特征,因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這種結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)"二階分析方法雖然可以很好地反映結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng),但由于其理論及計(jì)算過程均較復(fù)雜,難以作為一種通用的設(shè)計(jì)方法被規(guī)程采用"故此,天津大學(xué)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了專門研究"

前面提出的3種結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,大多對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化處理,相比較而言,拱計(jì)算模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的簡(jiǎn)化處理很大,但這些簡(jiǎn)化抓住了這種結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特征,另外再通過理論分析和試驗(yàn)的緊密結(jié)合,同樣能得到較滿意的結(jié)果"拱計(jì)算模型分析理論簡(jiǎn)單!計(jì)算量很小,非常適宜于工程設(shè)計(jì)"因此,這套簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法選用的便是拱計(jì)算模型"，這套簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法是一種在對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的二階分析的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的基于結(jié)構(gòu)一階分析的設(shè)計(jì)方法"該方法只需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一階分析,求出結(jié)構(gòu)的一階內(nèi)力,便可推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的二階內(nèi)力,

2.15規(guī)程6適用范圍

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外均沒有統(tǒng)一的名稱,本規(guī)程將其定名為/拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)0,從而在國(guó)內(nèi)統(tǒng)一作為該種結(jié)構(gòu)的叫法,這對(duì)于規(guī)范市場(chǎng)很有意義"另外,根據(jù)構(gòu)件橫截面的形狀,市場(chǎng)上又將這種結(jié)構(gòu)劃分為不同類型,且板型的命名規(guī)則很不統(tǒng)一,難以為設(shè)計(jì)人員理解和選用"因此5規(guī)程6根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T3035一19955城鎮(zhèn)建設(shè)和

劉錫良,等:CECS167:20045拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程6的編制與應(yīng)用

建筑工業(yè)產(chǎn)品型號(hào)編制規(guī)則6的規(guī)定,將這種結(jié)構(gòu)的板型統(tǒng)一命名為YJxxxx型和YTxxxx型"YJ和YT為產(chǎn)品的名稱代號(hào);其中Y表示壓型單元板!J表示矩形槽截面!T表示梯形槽截面;名稱中的xxxx代表4位數(shù)字,前兩位數(shù)代表單元板的上槽口寬度,后兩位數(shù)代表槽深"如YT6118表示上槽口寬61"m!槽深81cm的梯形槽壓型單元板"

按照5規(guī)程6規(guī)定,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是用專門的成型機(jī)組將彩涂鋼板壓制成具有褶皺波紋的弧形鋼槽板,經(jīng)鎖縫連接并安裝就位而形成的屋蓋結(jié)構(gòu)"受構(gòu)件成型工藝的限制,這種結(jié)構(gòu)截面形式所用鋼板的厚度也不能根據(jù)需要而隨意加大"理論分析和工程實(shí)踐表明,對(duì)于目前國(guó)內(nèi)常用的幾種板型,在加工能力許可的鋼板厚度范圍內(nèi),在跨度較大時(shí)結(jié)構(gòu)承載力(尤其是半跨荷載作用下)比較低,因此5規(guī)程6規(guī)定這種結(jié)構(gòu)適宜的跨度為30m以下,另外,現(xiàn)行GB50009一201(建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范6沒有給出開敞式拱形屋蓋的風(fēng)荷載體型系數(shù),所以開敞式建筑中的拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)不在本5規(guī)程6的適用范圍之內(nèi)

由于拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是一種薄壁鋼結(jié)構(gòu),對(duì)集中荷載!動(dòng)荷載敏感,對(duì)使用環(huán)境等也有特殊要求,所以5規(guī)程6不適用于強(qiáng)腐蝕!相對(duì)濕度長(zhǎng)期較高和高溫等環(huán)境中的建筑以及直接承受動(dòng)力作用的建筑"

2.2材料

目前,國(guó)內(nèi)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)工程中采用的彩涂鋼板的基板均為冷連軋鋼帶"冷連軋鋼帶經(jīng)熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅工藝后,材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一些變化;另外,這類結(jié)構(gòu)采用的冷連軋鋼帶的物理化學(xué)指標(biāo)也與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB70一88(碳素結(jié)構(gòu)鋼6和GBT1591一19945低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼6中規(guī)定的Q系列鋼材有很大不同,是一種高強(qiáng)度!低含碳!中合金!低硫磷含量的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)用鋼材"規(guī)程頒布前我國(guó)還沒有這類鋼材的專用標(biāo)準(zhǔn),所以如何命名材料!如何規(guī)定材料的理化指標(biāo),一直是困擾規(guī)程編制的問題"2004年n月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T127545彩色涂層鋼板與鋼帶)(修訂本)通過了專家審查,其中明確了彩涂鋼板的鋼材牌號(hào),因此5規(guī)程6直接按該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用,即熱鍍鋅彩涂鋼板牌號(hào)

TS25OGD+Z!TS28OGD+Z!TS32OGD十Z!

TS530GD+Z和熱鍍鋁鋅彩涂鋼板牌號(hào)

TS250GD+AZ!TS28OGD+AZ!TS30OGD+AZ!

TS32oGD+AZ!TS35oGD+AZ等"需要明確的是,彩涂板的力學(xué)性能指標(biāo)是指基板(含鍍層)的力學(xué)性能指標(biāo),當(dāng)需進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)采用除去涂層的基板做試樣"拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)所用基板厚度一般在1.5mm以下,屬于超薄鋼板"它受缺陷的影響較大,而目前尚缺乏這類板件制造偏差等的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),為提高結(jié)構(gòu)的安全度,5規(guī)程6將彩涂板的抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.17,大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50018一2002(冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范6中抗力分項(xiàng)系數(shù)的取值"

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的承載性能受基板厚度的影響很大,基板厚度太小一方面直接降低了構(gòu)件截面的計(jì)算剛度,另一方面會(huì)放大構(gòu)件成型過程中形成的各種缺陷的作用,因此5規(guī)程6規(guī)定,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的基板厚度不得小于0.8mm,且基板厚度的供貨負(fù)偏差不得大于3%"5規(guī)程6在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度中已考慮了3%以內(nèi)的板厚負(fù)偏差;對(duì)大于3%負(fù)偏差造成板厚的不足,5規(guī)程6規(guī)定在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)予扣除"

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的防腐性能依賴于鍍層和涂層的類型和厚度,具體的耐久性還與建筑物的使用環(huán)境有關(guān),5規(guī)程6在附錄A中按使用環(huán)境腐蝕性的不同給出了彩涂板鍍層的重量要求,以及不同面漆類型的二涂二烘涂層的各項(xiàng)技術(shù)性能要求"相關(guān)內(nèi)容均引自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T127545彩色涂層鋼板與鋼帶)(修訂本)"

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用拱形波紋鋼屋蓋的承重結(jié)構(gòu)一般由兩部分

組成:集圍護(hù)與受力功能于一體的拱形屋蓋結(jié)構(gòu)和由梁柱組成的下部支承結(jié)構(gòu)"從形式上看,屋蓋為連續(xù)的筒殼,下部支承結(jié)構(gòu)為線形構(gòu)件,將上!下合在一起進(jìn)行整體分析,很能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況,但計(jì)算量較大,且不方便建模"根據(jù)前面提到的研究成果,5規(guī)程6規(guī)定可將上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分開計(jì)算,這不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程,而且易于理解和掌握

2.3.1上部屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)一般在兩拱腳處通過布置在柱頂邊梁上的連接角鋼與下部支承結(jié)構(gòu)相連,這種連接構(gòu)造只能約束拱腳的平動(dòng)位移,轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度很小,所以可簡(jiǎn)化成固定鉸支座"若考慮柱頂水平位移的影響,可進(jìn)一步將下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋蓋的支承作用簡(jiǎn)化成具有一定水平支座位移的固定鉸支支座"由于在規(guī)范允許的范圍內(nèi),柱頂水平位移(即屋蓋支座水平位移)對(duì)屋蓋承載力的影響不大(在5%以內(nèi)),所以5規(guī)程6限制了屋蓋支座處的水平相對(duì)位移,而在屋蓋結(jié)構(gòu)分析中不再考慮支座位移的影響"這樣屋蓋結(jié)構(gòu)便成了兩邊固定鉸支的筒殼結(jié)構(gòu)"對(duì)于結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響,5規(guī)程6規(guī)定當(dāng)跨度不大于24m時(shí),屋蓋的縱跨比不宜小于0.5,當(dāng)跨度大于24m時(shí),縱跨比不宜小于0.8"

當(dāng)屋蓋結(jié)構(gòu)滿足上述要求時(shí)(這個(gè)要求在實(shí)際工程中很容易達(dá)到),便可忽略結(jié)構(gòu)的縱向作用以及屋蓋山墻支承作用的影響,將屋蓋簡(jiǎn)化成拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算"

5規(guī)程6對(duì)于構(gòu)件板件上橫向小波紋的影響采用了等效正交異性化方法,具體在建立拱計(jì)算模型時(shí)運(yùn)用了一個(gè)技巧,即按照等剛度原則改變等效板的厚度,而不改變等效后平板的彈性常數(shù),這樣可將拱板截面等效成板厚變化的不帶波紋截面,這種做法使得平截面變形假設(shè)仍然成立,而且物理意義明確"另外,計(jì)算表明:采用這種方法等效后的結(jié)構(gòu)截面剛度降低很多,甚至比采用有效寬度法考慮不帶波紋的平板局部失穩(wěn)問題對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的削弱更大"而理論及試驗(yàn)均已表明,波紋板的局部穩(wěn)定承載力遠(yuǎn)較平板的局部穩(wěn)定承載力大,因此5規(guī)程6的做法很巧妙地處理了這種結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定問題"對(duì)于結(jié)構(gòu)整體承載力的判斷,5規(guī)程6給出的是一套基于結(jié)構(gòu)一階分析的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法"該方法只需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一階分析,求出結(jié)構(gòu)的一階內(nèi)力,便可推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的二階內(nèi)力,并進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的安全性"研究表明,在荷載作用下這種結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是荷載與結(jié)構(gòu)變形之間的顯著非線性關(guān)系;另一是荷載與彎矩內(nèi)力之間的顯著非線性關(guān)系"而當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載之前,荷載與軸力之間的關(guān)系基本上是線性的"由于變形控制是為了滿足結(jié)構(gòu)正常使用要求,而對(duì)于拱形屋蓋結(jié)構(gòu)主要是滿足人們的心理安全要求,因拱形屋蓋即便產(chǎn)生較大的變形,人在室內(nèi)也不易察覺,所以5規(guī)程6不要求對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)計(jì)算"荷載與彎矩之間的非線性關(guān)系,

從形式上看,式(3)是一個(gè)強(qiáng)度驗(yàn)算公式,但由于考慮了結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng),當(dāng)結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)可能時(shí),其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)穩(wěn)定驗(yàn)算公式"對(duì)于拱形波紋鋼屋蓋這種典型的薄壁鋼結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈服點(diǎn)后的剩余承載力非常有限,因此這里的穩(wěn)定承載力驗(yàn)算采用了邊緣屈服準(zhǔn)則"5規(guī)程6根據(jù)不同板型給出了考慮板上波紋影響后的截面剛度A""!爪,!W",以及公式中y!吼r等參數(shù)的計(jì)算公式"拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的組成板件很薄,因此不能用來(lái)承受大的懸掛荷載,更不能承受直接動(dòng)力荷載"實(shí)際工程中,這種結(jié)構(gòu)所受荷載類型比較單一設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的荷載主要有:自重!保溫荷載!吊頂荷載!雪荷載(活荷載)!積灰荷載!風(fēng)荷載等"國(guó)內(nèi)許多拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的坍塌事故均由半跨雪荷載引起,因此,按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范6的規(guī)定,5規(guī)程6對(duì)這類結(jié)構(gòu)的基本雪壓提高了10%,即sk一1.1產(chǎn)ts""

2.3.2下部支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的下部支承結(jié)構(gòu)有鋼框架!混凝土框架以及配筋混凝土墻體等多種做法"拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的反力可通過對(duì)屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的整體分析求得,但研究表明,當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的剛度滿足一定要求時(shí),整體計(jì)算得到的反力與按兩固定鉸支模型單獨(dú)計(jì)算屋蓋得到的反力相差不大"所以,為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程,也為提高屋蓋結(jié)構(gòu)的承載力,5規(guī)程6規(guī)定下部支承結(jié)構(gòu)的變形除應(yīng)滿足相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外,屋蓋支座處的相對(duì)水平位移不得大于100mm"在這一條件下,5規(guī)程6規(guī)定可不考慮上下部分的協(xié)同工作"設(shè)計(jì)下部結(jié)構(gòu)時(shí),可將屋蓋對(duì)下部結(jié)構(gòu)的作用力作為外荷載考慮"

拱形波紋鋼屋蓋的下部支承結(jié)構(gòu)基本上都是常規(guī)結(jié)構(gòu)形式,本規(guī)程根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),僅提出上述屋蓋支座處很大相對(duì)水平位移的特殊要求"除滿足這點(diǎn)外,下部結(jié)構(gòu)可按現(xiàn)行國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)"比如,由于拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)相鄰構(gòu)件間采用鎖縫連接,連接處一般都有較大縫隙,而且構(gòu)件本身為雙曲構(gòu)形,這些都有利于結(jié)構(gòu)釋放溫度應(yīng)力,因此,5規(guī)程6規(guī)定屋蓋結(jié)構(gòu)可不設(shè)溫度縫,且不考慮溫度作用,但下部支承結(jié)構(gòu)及連接角鋼應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)置溫度縫,必要時(shí)考慮溫度應(yīng)力"同樣地,由于拱形波紋鋼結(jié)構(gòu)自重很小,其承載能力一般不受地震作用控制,因此5規(guī)程6認(rèn)為屋蓋結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行抗震計(jì)算,但其與下部結(jié)構(gòu)