拱形波纹钢屋盖结构的应用

目前国内拱形波纹钢屋盖结构工程中采用的彩涂钢板，绝大多数是由宝钢生产的热镀锌彩色涂层钢带，也有一小部分是武钢生产的热镀铝锌彩色涂层钢带。这两种彩涂钢板的基板均为冷连轧钢带。冷连轧钢带经热镀锌或热镀铝锌工艺后，材料的力学性能会产生一些变化；另外，这类结构采用的冷连轧钢带的物理化学指标也与现行国家标准《碳素结构纲》和《低合金高强度结构钢》中规定的Q系列钢材有很大不同，是一种高强度、低含碳、中合金、低硫磷含量的优质结构用钢材。欧洲已有专门的连续热镀锌/热镀铝锌钢板及钢带的技术标准，我国目前尚无这方面的专用标准，所以如何命名材料、如何规定材料的理化指标，一直是困扰本《规程》编制的问题。2004年11月国家标准《彩色涂层钢板与钢带》GB/T12754（修订本）通过了专家审查，其中明确了彩涂钢板的钢材牌号，因此本《规程》直接按该标准的规定采用，即热镀锌彩涂钢板牌号TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS350GD+Z和热镀铝锌彩涂钢板牌号TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ、TS320GD+AZ、TS350GD+AZ等。这些钢材的理化指标在标准中都有规定。为便于设计采用，在《规程》的条文说明中给出了上述牌号钢材的屈服强度、抗拉强度及伸长率等力学性能指标。需要明确的是，彩涂板的力学性能指标是指基板（含镀层)的力学性能指标。当需进行力学性能检验时，应采用除去涂层的基板做试样。

拱形波纹钢屋盖结构所用基板厚度一般在1.5mm以下，属于超薄钢板。它受缺陷的影响较大，而目前尚缺乏这类板材制造偏差等的统计数据。为提高结构的安全度，《规程》将彩涂板的抗力分项系数取1.17，大于国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018一2002中抗力分项系数的取值。

拱形波纹钢屋盖结构的承载性能受基板厚度的影响很大，基板厚度太小一方面直接降低了构件截面的计算刚度，另一方面会放大构件成型过程中所形成的各种缺陷的作用，因此《规程》规定，拱形波纹钢屋盖结构的基板厚度不得小于0.8mm，且基板厚度的供货负偏差不得大于3%。规程在结构设计可靠度中已考虑了3%以内的板厚负偏差；对大于3%负偏差造成板厚的不足，《规程》规定在设计计算时应予扣除。

拱形波纹钢屋盖结构的防腐性能依赖于镀层和涂层的类型和厚度，具体的耐久性还与建筑物的使用环境有关。《规程》在附录A中按使用环境腐蚀性的不同给出了彩涂板镀层的重量要求，以及不同面漆类型二涂二烘涂层的各项技术性能要求。相关内容均引自国家标准《彩色涂层钢板及钢带》GB/T12754（修订本）。

拱形波纹钢屋盖结构一般在两拱脚处通过布置在柱顶边梁上的连接角钢与下部支承结构相连，这种连接构造只能约束拱脚的平动位移，转动约束刚度很小，所以可简化成固定铰支座。若考虑柱顶水平位移的影响，可进一步将下部结构对屋盖的支承作用简化成具有一定水平支座位移的固定铰支支座。研究表明，由于屋盖刚度较小，在《规程》允许的范围内，柱顶水平位移，（即屋盖支座水平位移）对屋盖承载力的影响不大（在5%以内），所以《规程》限制了屋盖支座处的水平相对位移，而在屋盖结构分析中不再考虑支座位移的影响。这样屋盖结构便成了两边固定铰支的筒壳结构。

通过采用三维模型分析了屋盖纵向长度、屋盖两端山墙的支承作用以及山墙处风荷载的纵向作用对结构跨度方向承载力的影响。发现只要结构的纵向长度与跨度的比值满足一定要求，屋盖的纵向作用对面内承载力的影响可忽略不计。为方便设计，《规程》规定当跨度不大于24m时，屋盖的纵跨比不宜小于0.5；当跨度大于24m时，纵跨比不宜小于0.8。当屋盖结构满足此要求时（这个要求在实际工程中很容易达到），便可忽略结构的纵向作用和屋盖山墙支承作用的影响，将屋盖简化成拱形结构进行计算。

拱形波纹屋盖结构是一种薄壁结构，组成板件的局部稳定性问题必须予以重视。由于成型的需要，拱形波纹钢屋盖结构上压有许多横向小波纹，小波纹对整个结构的力学性能有很大影响：

一方面可提高钢板的局部稳定承载力、增强结构的纵向抗弯刚度，另一方面则削弱了结构跨度方向的刚度、降低了结构跨度方向的稳定承载力。因此，计算时还必须考虑小波纹对结构刚度的影响。另外，拱形波纹钢屋盖结构的整体刚度较小，在荷载作用下具有典型的几何软化特征，因此结构的二阶效应也是设计时不可忽略的。

《规程》对于板件上横向小波纹的影响采用了等效正交异性化方法，具体是在建立拱计算模型时运用了一个技巧，即按照等刚度原则改变等

效后平板的厚度，而不改变等效后平板的弹性常数。这样可将拱板截面等效成板厚变化的不带波纹截面，这种做法使得平截面变形假设仍然成立，而且物理意义明确。另外，计算表明采用这种方法等效后的结构截面刚度降低很多，甚至比采用有效宽度法考虑不带波纹的平板局部失稳问题对结构刚度的削弱更大。而理论及试验均已表明，波纹板的局部稳定承载力远较平板的局部稳定承载力大，因此《规程》的做法很巧妙地处理了这种结构的局部稳定问题。

结构的二阶分析方法虽然可以很好地反映结构的二阶效应，但由于这种方法理论及计算过程均较复杂，因此难以作为一种通用的设计计算方法而被《规程》采用。在对这种结构进行了大量二阶分析的基础上，《规程》给出了一种基于结构一阶分析的简化设计方法。该方法只需对结构进行一阶分析，求出结构的一阶内力，便可推导出结构的二阶内力，并进而判断结构的安全性。

研究表明，在荷载作用下这种结构的二阶效应主要表现在两个方面：一是荷载与结构变形之间的显著非线性关系；另一是荷载与弯矩内力之间的显著非线性关系。而当荷载达到极限荷载之前，荷载与轴力之间的关系基本上是线性的。由于变形控制是为了满足结构的正常使用要求，而对于拱形屋盖结构主要是满足人们的心理安全要求。因拱形屋盖即便产生较大的变形，人在室内

也不易察觉，所以《规程》不要求对这种结构进行正常使用极限状态计算。

荷载与弯矩之间的非线性关系，规程通过公式（1)反映：

M。=EB1M(1）

即结构的非线性弯矩M。等于线性弯矩M.乘以弯矩放大系数A，A则可通过公式（2)求出：

A=1(2）iggen

很终，结构的承载能力通过式（3)检验：

M，Ma+语≤f(3）

从形式上看（3）式是一个强度验算公式，但由于考虑了结构的二阶效应，当结构存在失稳可能时，其实质上是一个稳定验算公式。对于拱形波纹钢屋盖这种典型的薄壁钢结构，结构出现屈服点后的剩余承载力非常有限，因此这里的稳定承载力验算采用了边缘屈服准则。《规程》根据不同板型给出了考虑板上波纹影响后的截面刚度Am、Ia、Wa，以及公式中Y、q。等参数的计

算公式。

拱形波纹钢屋盖结构的组成板件很薄，因此不能用来承受大的悬挂荷载，更不能承受直接动力荷载。实际工程中，这种结构所受荷载类型比较单一，设计时要考虑的荷载主要有：自重、保温荷载、吊顶荷载、雪荷载（活荷载）、积灰荷载、风荷载等。国内许多拱形波纹钢屋盖结构的坍塌事故均由半跨雪荷载引起，因此，按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定，《规程》对这类结构的基本雪压提高了10%，即Sk=1.1μ,S。

4.2、下部支承结构设计

拱形波纹钢屋盖结构的下部支承结构有钢框架、混凝土框架以及配筋混凝土墙体等多种做法。拱形波纹钢屋盖结构对下部支承结构的反力可通过对屋盖与下部结构的整体分析求得。但研究表明，当下部结构的刚度满足一定要求时，整体计算得到的反力与按两固定铰支模型单独计算屋盖得到的反力相差不大。所以，为了简化设计过程，也为提高屋盖结构的承载力，《规程》规定下部支承结构的变形除应满足相应结构设计标准的规定外，屋盖支座处的相对水平位移不得大于100mm。在这一条件下，《规程》规定可不考虑上下部分的协同工作。设计下部结构时，可将屋盖对下部结构的作用力作为外荷载考虑。

拱形波纹钢屋盖的下部支承结构基本上都是常规结构形式。本规程根据屋盖结构的特点，仅提出了上述屋盖支座处很大相对水平位移的特殊要求。除满足这点外，下部结构可按现行国家有关标准的规定进行设计。比如，由于拱形波纹钢屋盖结构相临构件之间采用锁缝连接，连接处一般都有较大缝隙，而且构件本身为双曲构形，这些都有利于结构释放温度应力，因此《规程》规定屋盖结构可不设温度缝，且不考虑温度作用，但下部支承结构及连接角钢应按现行国家有关标准的规定设置温度缝，必要时考虑温度应力。同样地，由于拱形波纹钢结构自重很小，其承载能力一般不受地震作用控制，因此《规程》认为屋盖结构可不进行抗震计算，但其与下部结构的连接及下部支承结构均应按现行抗震规范的规定进行设计。