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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(xué)建筑工程學(xué)院土木工程系天津300072）

摘要：本文是在文獻(xiàn)[1][7]的研究基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的合理建議。

關(guān)鍵詞：金屬拱形波紋屋面承載能力影響因素

根據(jù)文獻(xiàn)[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(jù)文獻(xiàn)[7]所提出的承載能力計(jì)算公式和計(jì)算機(jī)有限單元分析方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)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(yīng)的合理建議，權(quán)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(zhì)、跨度、矢跨比和鋼板厚度等五個(gè)方面。現(xiàn)就此五方面分別作具體的分析和計(jì)算。

1．1板型對(duì)金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

圖1國內(nèi)市場通行產(chǎn)品的型式和尺寸

所謂板型包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：即屋面的截面形式和尺寸。因?yàn)樵撐菝嫘问讲捎枚ㄐ突瘷C(jī)組批量生產(chǎn)，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(chǎn)廠家產(chǎn)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(jié)構(gòu)為例，各采用三種板型應(yīng)用通用結(jié)構(gòu)根據(jù)文獻(xiàn)[7]所提供的計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行極限承載力分析。矢跨比為1/4，拱腳點(diǎn)為鉸接。三種板型的承載力分析結(jié)果如圖2所示。

圖2屋面承載力與跨度的關(guān)系

截面的抗彎剛度與截面高度呈立方關(guān)系。顯然截面高度增大無疑會(huì)提高金屬拱形波紋屋面的整體剛度，從而使結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得以加強(qiáng)。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(gè)相互妥協(xié)的很優(yōu)值。與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)很好；加高U形的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很差，但它的承載能力很大。

1．2鋼板材質(zhì)對(duì)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(zhì)。根據(jù)作者對(duì)國內(nèi)市場的調(diào)研結(jié)果，國內(nèi)近三十余家施工企業(yè)，無論是國內(nèi)民主經(jīng)營，還是中外合資、國外獨(dú)資的，所用的鋼板幾乎都是上海寶山鋼鐵廠生產(chǎn)的TSTE28和TSTE34熱鍍鋅彩色鋼板，鋼板的材質(zhì)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(qiáng)度鋼板并不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度優(yōu)勢。因此我們建議，這種屋面結(jié)構(gòu)形式宜采用價(jià)格和強(qiáng)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(jī)組由于產(chǎn)品的高新技術(shù)的保密要求和企業(yè)的適當(dāng)利潤等因素，價(jià)格比較昂貴。一般的施工企業(yè)對(duì)于該機(jī)組擁有的數(shù)量和型號(hào)不會(huì)很多，因而當(dāng)業(yè)主與施工企業(yè)的合作關(guān)系一旦發(fā)生，屋面的板型和材質(zhì)也就隨之確定下來。對(duì)于特定的金屬拱形波紋屋面工程來說，當(dāng)其板型和板材一經(jīng)確定后，那么影響結(jié)構(gòu)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(duì)金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[7]和大跨度的足尺模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，該種屋面結(jié)構(gòu)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(zhì)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(yīng)對(duì)計(jì)算長度的調(diào)整系數(shù)；為初始缺陷調(diào)整系數(shù)；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(diào)整系數(shù)，對(duì)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(duì)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(guān)系

矢跨比是影響結(jié)構(gòu)承載力的一個(gè)重要因素。隨著矢跨比的不同，結(jié)構(gòu)在外部荷載的作用下的內(nèi)力分布和變形程度都相應(yīng)發(fā)生變化。對(duì)金屬拱形波紋屋面結(jié)構(gòu)的二階彈性分析表明，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的極限承載力，是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1．5鋼板厚度對(duì)金屬拱形波紋屋面承載能力的影響

理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)的承載能力與板厚也不呈線形關(guān)系。

圖4屋面承載能力與鋼板厚度的關(guān)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(jié)構(gòu)的極限承載力與鋼板厚度的關(guān)系。它和表1都能夠較直觀地反映出這一點(diǎn)。

2．對(duì)金屬拱形波紋屋面設(shè)計(jì)和施工的幾點(diǎn)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?shù)目缍?、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(fēng)雪荷載）等是相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)關(guān)系，并且還與具體工程所要求的可靠度指標(biāo)有關(guān)。因而問題的分析相對(duì)較為復(fù)雜，但根據(jù)絕大多數(shù)的工程實(shí)際分析，目前國內(nèi)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(jù)圖3所示的承載能力與矢跨比的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系，我們認(rèn)為對(duì)于金屬拱形波紋屋面的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于矢跨比的選擇，應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的跳躍失穩(wěn)點(diǎn)。因此對(duì)于絕大多數(shù)的工程來說，較為合理的矢跨比為：

當(dāng)金屬拱形波紋屋面結(jié)構(gòu)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(jìn)而成為影響具體工程造價(jià)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。所以，具體工程所需的鋼板厚度應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程實(shí)際，由其跨度和荷載指標(biāo)通過計(jì)算確定；反對(duì)那種只考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來確定鋼板厚度，不負(fù)責(zé)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(jié)構(gòu)，雖然它的承載能力由其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性來控制的，但它對(duì)于初始缺陷卻極為敏感，必須引起高度的重視。因此我們應(yīng)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(rèn)真調(diào)試和校驗(yàn)設(shè)備，細(xì)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(shí)補(bǔ)救，防止缺陷的蔓延和發(fā)展，以保證施工質(zhì)量。

主要參考文獻(xiàn)

1．劉錫良.一種新型空間鋼結(jié)構(gòu)——銀河金屬拱形波紋屋頂.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1996(4)

2．郭彥林，鄭浩然.彩色壓型鋼板波形拱殼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理——折曲屈曲破壞.工程力學(xué)增刊，1997年

3．郭彥林，鄭浩然.彩板波形拱殼結(jié)構(gòu)折曲屈曲試驗(yàn)研究。工程建筑。1997（11）

4．張勇.銀河金屬拱形波紋屋頂?shù)睦碚摲治黾霸囼?yàn)研究.天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.1997.6

5．張彥鵬.金屬拱形波紋屋頂?shù)脑囼?yàn)研究及幾何非線性分析.天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.1997.12

6．馬臣.廣義協(xié)調(diào)元在金屬拱形波紋屋頂動(dòng)力分析中的應(yīng)用.天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.1997.12

7．高福聚.金屬拱形波紋屋面的受力機(jī)理、設(shè)計(jì)理論研究和結(jié)構(gòu)可靠度分析.天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.1999.1

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