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淺議金屬拱形波紋屋面承載能力影響因素

趙秋紅高福聚劉錫良

（天津大學建筑工程學院土木工程系天津300072）

摘要：本文是在文獻[1][7]的研究基礎上，對于影響金屬拱形波紋屋面承載力的主要因素作了具體的理論分析，并提出了對本結構設計及施工的合理建議。

關鍵詞：金屬拱形波紋屋面承載能力影響因素

根據文獻[1][7]，影響金屬拱形波紋屋面承載能力的因素主要有：板型、鋼板材料、跨度、矢跨比和鋼板厚度等。本文根據文獻[7]所提出的承載能力計算公式和計算機有限單元分析方法及試驗數據，對于影響金屬拱形波紋屋面承載能力的各種因素作了具體的分析和研究，并提出了相應的合理建議，權作拋磚引玉，以資商榷。

1．金屬拱形波紋屋面承載能力的主要影響因素

影響金屬拱形波紋屋面承載能力的因素主要有：板型、鋼板材質、跨度、矢跨比和鋼板厚度等五個方面?，F(xiàn)就此五方面分別作具體的分析和計算。

1．1板型對金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

圖1國內市場通行產品的型式和尺寸

所謂板型包括兩個方面的內容：即屋面的截面形式和尺寸。因為該屋面形式采用定型化機組批量生產，其截面形式和尺寸一般是確定的。從目前市場流行的截面形式而言，基本上有U形和V形兩種。各生產廠家產品之間的截面尺寸基本一致,差異很小。

現(xiàn)在我們以5m、10m、15m、20m、25m和30m的該種屋面結構為例，各采用三種板型應用通用結構根據文獻[7]所提供的計算方法對其進行極限承載力分析。矢跨比為1/4，拱腳點為鉸接。三種板型的承載力分析結果如圖2所示。

圖2屋面承載力與跨度的關系

截面的抗彎剛度與截面高度呈立方關系。顯然截面高度增大無疑會提高金屬拱形波紋屋面的整體剛度，從而使結構的整體穩(wěn)定性得以加強。但是隨著截面高度的增加，其局部穩(wěn)定性必然減弱。兩者之間是相互矛盾的，但必然有一個相互妥協(xié)的很優(yōu)值。與經濟指標加以綜合比較，不難發(fā)現(xiàn)：在這三種板型中，V形截面的自重很輕，經濟指標很好；加高U形的經濟指標很差，但它的承載能力很大。

1．2鋼板材質對金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

板材即所用鋼板的材質。根據作者對國內市場的調研結果，國內近三十余家施工企業(yè)，無論是國內民主經營，還是中外合資、國外獨資的，所用的鋼板幾乎都是上海寶山鋼鐵廠生產的TSTE28和TSTE34熱鍍鋅彩色鋼板，鋼板的材質比較穩(wěn)定可靠。但由于金屬拱形波紋屋面的承載能力是由其整體穩(wěn)定性所控制，高強度鋼板并不能充分發(fā)揮其強度優(yōu)勢。因此我們建議，這種屋面結構形式宜采用價格和強度都較為適中的TSTE28熱鍍鋅彩色鋼板。

該屋面形式所采用的定型化機組由于產品的高新技術的保密要求和企業(yè)的適當利潤等因素，價格比較昂貴。一般的施工企業(yè)對于該機組擁有的數量和型號不會很多，因而當業(yè)主與施工企業(yè)的合作關系一旦發(fā)生，屋面的板型和材質也就隨之確定下來。對于特定的金屬拱形波紋屋面工程來說，當其板型和板材一經確定后，那么影響結構承載力的主要因素就只有跨度、矢跨比和鋼板厚度了。

1．3跨度對金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

根據文獻[7]和大跨度的足尺模型實驗結果分析表明，該種屋面結構形式的承載能力與跨度的立方成反比。即

其中，為屋面板的截面慣性矩；為鋼板材質的泊松比；為截面中性軸到很外沿纖維的距離，按照表1取值；是考慮屋面板肋起波效應對計算長度的調整系數；為初始缺陷調整系數；是考慮到在均布荷載情形下，金屬拱形波紋屋面有彎矩作用，為非純壓拱，尤其是在半跨荷載作用下，這種彎矩作用更為顯著的荷載工況調整系數，對全跨均布荷載和半跨均布荷載的取值不同，為圓心角。

表1

板型

普通U形

加高U形

V形

9.83×105δ㎜4

4.64×106δ㎜4

3.17×106δ㎜4

0.084

0.133

0.090

1．4矢跨比對金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

圖3屋面承載力與矢跨比的關系

矢跨比是影響結構承載力的一個重要因素。隨著矢跨比的不同，結構在外部荷載的作用下的內力分布和變形程度都相應發(fā)生變化。對金屬拱形波紋屋面結構的二階彈性分析表明，結構的極限承載能力隨著矢跨比的變化差異較大。因此，選擇合理的矢跨比，有效地提高結構的極限承載力，是在結構設計中非常關鍵的一個環(huán)節(jié)。

1．5鋼板厚度對金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

理論分析和實驗結果表明，該種結構的承載能力與板厚也不呈線形關系。

圖4屋面承載能力與鋼板厚度的關系

金屬拱形波紋屋面所采用的鋼板厚度為0.6mm～1.35mm。通常有以下幾種規(guī)格：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm和1.35mm。圖4是上述三種板型20m跨度，矢跨比,均布荷載作用下結構的極限承載力與鋼板厚度的關系。它和表1都能夠較直觀地反映出這一點。

2．對金屬拱形波紋屋面設計和施工的幾點建議

2．1各種板型跨度范圍的界定

客觀地說，特定板型的金屬拱形波紋屋面拱殼屋頂的跨度、承載能力（鋼板厚度、矢跨比）和具體工程要求的恒荷和活載（風雪荷載）等是相互關聯(lián)的函數關系，并且還與具體工程所要求的可靠度指標有關。因而問題的分析相對較為復雜，但根據絕大多數的工程實際分析，目前國內三種板型屋面的適宜跨度如表2所列。

表2

板型

普通U形

加高U形

V形

跨度

6~30m

15~40m

5~40m

2．2矢跨比的合理選擇

根據圖3所示的承載能力與矢跨比的結構穩(wěn)定性關系，我們認為對于金屬拱形波紋屋面的設計過程中，對于矢跨比的選擇，應當遠離結構的跳躍失穩(wěn)點。因此對于絕大多數的工程來說，較為合理的矢跨比為：

當金屬拱形波紋屋面結構的其他因素確定后，其承載能力則主要由彩色涂層鋼板的厚度所決定。而且鋼板的厚度也將直接決定了工程的單方用鋼量，進而成為影響具體工程造價的主要經濟指標。所以，具體工程所需的鋼板厚度應當根據工程實際，由其跨度和荷載指標通過計算確定；反對那種只考慮經濟指標來確定鋼板厚度，不負責任的做法。

2．4軋板施工工藝

金屬拱形波紋屋面屬于超薄壁空間鋼結構，雖然它的承載能力由其結構的整體穩(wěn)定性來控制的，但它對于初始缺陷卻極為敏感，必須引起高度的重視。因此我們應在屋面單元板的軋制和吊裝、安裝和就位、固定的過程中，要認真調試和校驗設備，細心操作，合理施工，努力減少初始缺陷的發(fā)生，杜絕明顯的初始缺陷；發(fā)現(xiàn)問題，及時補救，防止缺陷的蔓延和發(fā)展，以保證施工質量。

主要參考文獻

1．劉錫良.一種新型空間鋼結構——銀河金屬拱形波紋屋頂.建筑結構學報.1996(4)

2．郭彥林，鄭浩然.彩色壓型鋼板波形拱殼結構的破壞機理——折曲屈曲破壞.工程力學增刊，1997年

3．郭彥林，鄭浩然.彩板波形拱殼結構折曲屈曲試驗研究。工程建筑。1997（11）

4．張勇.銀河金屬拱形波紋屋頂的理論分析及試驗研究.天津大學碩士學位論文.1997.6

5．張彥鵬.金屬拱形波紋屋頂的試驗研究及幾何非線性分析.天津大學碩士學位論文.1997.12

6．馬臣.廣義協(xié)調元在金屬拱形波紋屋頂動力分析中的應用.天津大學碩士學位論文.1997.12

7．高福聚.金屬拱形波紋屋面的受力機理、設計理論研究和結構可靠度分析.天津大學碩士學位論文.1999.1

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