金屬拱型波紋屋蓋結構在我國的應用與研究

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簡介： 金屬拱型波紋屋蓋結構在我國發(fā)展歷史不長，但在世界上已有一百多年的歷史。本文系統回顧了這種結構的發(fā)展歷程，總結了這種結構的科研狀況，最后詳細介紹了我國這種結構技術規(guī)程的編制情況及規(guī)程主要內容。
關鍵字：金屬拱型波紋屋蓋結構 技術規(guī)程 應用 研究

　1 金屬拱型波紋屋蓋結構的應用狀況

　　作為冷彎型鋼結構的一個分支，金屬拱型波紋屋蓋結構產生于十九世紀八十年代。這種結構的第一個專利則出現在1896年的美國。目前世界上尚存的最古老的金屬拱型波紋屋蓋結構是1890年建于英國的某化工廠廠房（圖1）。盡管金屬拱型波紋屋蓋結構屬于冷彎型鋼結構范疇并有著很久的應用歷史，但到目前為止世界上還沒有一部這種結構的專用技術規(guī)程，這其中原因很耐人尋味。

　　這種結構歷經一百多年也沒能在世界范圍內形成統一的名字，從目前搜集到的文獻資料看，以下幾種叫法均指這種結構：1、Light Gauge Steel Cylindrical Shells，2、Barrel Vaults，3、Doubly Corrugated Shells，4、Orthotropic Barrel-Shells。這四個名字都是從結構特點角度來命名的，從中可以看出這是一種殼體結構，而且是一種筒殼。名稱1反映出這種筒殼是由薄鋼板制成的，名稱3從結構的幾何構形上加以描述，認為這是一種雙向波紋殼體，名稱4則更進一步，將這種幾何上的雙曲構形在力學性能上的表現描述為正交異性。 “金屬拱型波紋屋蓋結構”這個名稱是目前我國這種結構技術規(guī)程草案中的暫用名，最早由北

　　 圖1 建于1890年的化工廠 圖2 采用螺栓連接的結構構件

　　京市銀河金屬屋頂成型技術研究所提出。該名稱在一定程度上反映了這種結構的外形特征，而且通俗、易于理解和記憶，因此是目前國內最為普遍接受名稱。從這個名稱可進一步總結出這種結構的結構特點。

　　（1） 這種結構由薄鋼板軋制而成。隨著世界冶金技術的發(fā)展這種結構所用鋼板的性能也不斷改善。最初采用的鋼板防腐能力差，力學指標也較低，因而鋼板較厚（達3—4mm），結構最大跨度在20m左右。由于鋼板厚，板件之間可以實施栓焊連接，因此當時這種結構構件之間的連接主要螺栓連接（圖2），也有一部分采用焊接。那時，這種結構自重大，經濟性差，使用范圍受到限制，一般主要用于對施工速度要求較高的軍營、機庫等。目前采用的材料主要是預涂層卷板，其基板有以下幾類：熱鍍鋅鋼板、熱鍍鋅合金鋼板、熱鍍鋁鋼板、熱鍍鋅鋁合金鋼板、熱鍍鋁鋅合金鋼板和電鍍鋅鋼板等。這些預涂層卷板的強度指標在210MPa－550Mpa之間，極限使用壽命可達40－50年。隨著鋼材強度的提高、抗腐蝕能力的增強，所用鋼板的厚度得以降低、結構適用跨度的范圍也得到擴大。目前這種結構通常所用預涂層卷板的基板厚度在0.6－1.5mm之間，最大跨度已達40m。由于材料機加工性能優(yōu)良且薄鋼板之間難以實施栓焊連接，因此這種結構構件之間的連接也由過去的栓焊連接發(fā)展為今天的鎖邊連接。鎖邊連接不僅改善了連接處的耐疲勞、耐腐蝕及防水性能，而且也簡化了施工工藝，加快了施工速度。

　　（2） 這種結構是靠在鋼板上軋制出波紋成型的。將卷板變成拱型屋蓋需要兩道成型工藝：第一步將鋼板軋成U形或梯形波紋直槽板，第二步通過在下部軋出橫向小波紋而將直槽板軋成拱型槽板（圖3）。拱型槽板的曲率大小就是靠槽板上橫向小波紋的深淺來調整的。雙向波紋徹底改變了鋼板的力學性能。第一步軋制成的槽形波紋極大地提高了鋼板的橫向剛度，是結構承載力的根本所在。而第二步軋成的橫向小波紋則可提高鋼板的局部穩(wěn)定承載力，增強結構縱向抗彎剛度，突出結構殼體受力特性。但橫向小波紋無疑削弱結構跨度方向的剛度。根據槽板橫截面形狀的不同可將這種結構劃分為不同類型。目前國際上廣為采用的板型是由美國MIC公司開發(fā)的MIC-X系列，主要有MIC-120型、MIC-160型和MIC-240型。文獻[1]介紹的MMR-118、MMR-178、MMR-238三種板型為國內廠家在吸取國外經驗基礎上開發(fā)的具有自主專利權的結構形式。

　　
圖3a U形槽板 圖3b 梯形槽板

　?。?）這是一種拱型結構。對于由預涂層卷板經冷加工制作的壓型鋼板很多人已很熟悉。由于壓型鋼板的受力機理類似于梁，內力分布很不均勻，因此它難以實現較大跨度。采用同樣材料和相似的加工工藝制作而成的金屬拱型波紋屋蓋由于呈拱式結構受力機理，內力分布較均勻，故此可實現很大跨度。

　　很多文獻都列舉了這種結構的諸多優(yōu)點，如施工速度快、用料省、跨越能力大，防水防腐性好、色澤艷麗、造型美等。目前在我國這種結構已實現40m跨度，而所用鋼板厚度僅為1.5mm，用鋼量約22kg/m²。機械化的施工手段賦予這種結構神奇的施工速度，一般情況下一個臺班可制作安裝這種結構600－1000m²，1萬m²的屋蓋可在20天內完工。這種結構艷麗的色彩來自于材料的彩色涂層，同一建筑可選用多種顏色的彩色鋼板進行組合。因結構成型工藝的限制這種結構主要為圓弧外形，但這與目前國內常用的平屋蓋及人字屋蓋相比也是一種新變化，另外同一建筑通過搭配不同曲率的圓弧以及對圓弧拱殼進行切割或相貫處理，同樣可實現更為優(yōu)美的建筑造型。

　　金屬拱型波紋屋蓋結構的缺點和優(yōu)點一樣突出。造型單一、截面形式固定是這種結構一大缺陷。從結構受力角度說圓弧拱并非最理想結構形式，因為在常規(guī)荷載作用下，圓弧拱軸不是受力最合理的拱軸。由于一臺特定成型設備只能軋制一種截面形式的槽板，故而結構沿整個跨度是等截面的，這對結構受力也是不合理的。另外對于采用特定材料及特定板型的一定跨度的這種結構，其承載能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，變化這兩個參數對結構的承載力影響不大，因此對于荷載較大或跨度較大的建筑采用這種結構，設計人員可供選擇的空間很小。

　　總的說來這種結構的優(yōu)點是主要的。也正因如此，這種結構在世界范圍內得到了普及推廣。資料顯示在北美地區(qū)每年有1萬多棟建筑采用這種結構。美國在海灣戰(zhàn)爭期間調往海灣地區(qū)十余套成型機組，于一個月內完成了40多萬m²兵營、機庫的建設。在韓國大面積的廠房、倉庫，甚至街頭的休息長廊都采用了金屬拱型波紋屋蓋結構。但是由于前面提到的一些缺陷，在發(fā)達國家這種結構多被用于對建筑功能要求不太高的農業(yè)倉庫。因此有些文獻干脆稱這種結構為 Farm Buildings 或Silos。

　　海灣戰(zhàn)爭為這種結構在我國做了活廣告。從媒體對戰(zhàn)爭場面的報道中，我們經?？梢钥吹竭@種結構。在海灣戰(zhàn)爭之后的1992年我國通過引進美國設備引進了這種結構。由于其蘊涵很大的經濟及社會效益，很適合我國經濟飛速發(fā)展的社會主義初級階段的國情，再加上天津大學、清華大學、北京銀河屋頂研究所等科研機構在技術上的積極投入，因此這種結構在我國得到了蓬勃發(fā)展。目前國內已有很多廠家能夠生產這種結構的成型設備，北京銀河屋頂研究所的MMR-178型及遼寧營口三星公司的W760型成型設備在國外設備的基礎上都有很大創(chuàng)新。前者軋制的板材具有更大的截面剛度，可用于更大跨度的建筑。而后者軋制的板材截面更為開展，材料利用率更大，應用于較小跨度的建筑可實現更好的經濟指標。成型設備的全國產化使得開展這項業(yè)務的啟動資金由400萬元降低到80萬元，這對于這種結構在我國的普及推廣具有很大意義。短短幾年的時間國內便涌現出大批工程施工單位，工程應用面積也驟增到每年100多萬m²，應用領域涉及廠房、倉庫、展廳、禮堂、體育館、餐廳、娛樂廳、加油站、營房、教堂、車庫以及臨時建筑等方方面面。

　　2 金屬拱型波紋屋蓋結構在國外的研究狀況

　　 如前所述，到目前為止世界上還沒有這種結構的專用技術規(guī)程。盡管這是一種冷彎型鋼結構，而且早在1946年美國就頒布了冷彎型鋼結構設計規(guī)范，但從這種結構的構造特點不難看出它和一般的冷彎型鋼結構有很大的不同?？梢钥隙ǖ卣f目前世界上任何一部鋼結構規(guī)范都難以完全反映這種結構的特點，按照這些規(guī)范設計這種結構通常只能得出不合理的設計結果。國內外這類結構的工程事故已屢見不鮮。圖4為國外一落地拱殼在雪荷下坍塌，國內遼寧地區(qū)于97年初3萬余m²屋蓋塌落（圖5）對這種結構的市場產生的強烈沖擊波剛剛過去，今年年初新疆、遼寧、吉林等省區(qū)又有大面積這種結構塌落，其中還包括市場等公共建筑。頻繁的而工程事故無疑不利于這種結構的普及推廣。目前遼寧省已宣布在省內暫停這種結構的使用并對已建工程進行全面復查。因此總結已有研究成果，解決設計、施工中存在的技術問題并盡快推出這種結構的技術規(guī)程具有非?，F實的意義。

　　國外關于這種結構研究成果的文獻主要發(fā)表于六十年代末到八十年代初，文獻作者分

　　圖4 國外某事故現場 圖5 國內某事故現場

　　別來自美國、加拿大、意大利、前蘇聯、澳大利亞等國。文獻內容涉及足尺模型試驗、構件試驗以及結構計算、設計方法等。就結構設計而言，這種結構的計算模型分為殼和拱兩種。當結構跨度與縱向長度相比較小時，遠離兩端山墻的屋蓋受山墻影響較小，在荷載沿結構縱向均勻分布的情況下，可以將空間問題簡化為平面問題從而按照拱模型分析這種結構。但當結構跨度相對于縱向長度較大時，山墻對結構的影響不容忽視，因而采用殼體理論更符合實際?，F在看來這種結構也只能簡化為這兩種計算模型，問題的關鍵在于如何通過計算模型反映結構的特點。對于殼體模型文獻都作了很大的簡化處理，將整個屋蓋等效成正交異性殼。文獻對于拱計算模型多采用有限元法，并且忽略橫向小波紋的影響而直接采用直線梁單元以折代曲模擬拱。從掌握的文獻來看，對這種結構的分析多局限在線性階段，實際上從這種結構在荷載作用下表現出的大變形可以看出不考慮結構的幾何非線性，不對結構進行深入的二階分析難以得出符合實際的計算理論。

　　3 金屬拱型波紋屋蓋結構在我國的研究狀況

　　前面已經提到，金屬拱型波紋屋蓋結構在我國出現的時間雖不長，但由于很多科研院所的熱情投入及企業(yè)的積極支持，研究工作也同其市場發(fā)展一樣突飛猛進。目前國內已有三家單位的研究成果通過國家鑒定，中國工程建設標準化協會也已組織有關單位和個人編制這種結構的技術規(guī)程。而建設部建筑金屬結構協會已會同部分施工單位起草并頒布了這種結構工程應用暫行規(guī)定，供技術標準發(fā)布前使用。遼寧省也已編制了一本地方標準。

　　清華大學土木系在李少甫教授的指導下與中國新型建材公司合作開發(fā)了這種結構設計軟件MASSAP，并于1996年6月通過國家鑒定。天津大學土木系已有6位研究生把這種結構作為研究課題并取得碩士學位，學位論文內容涉及多種靜力穩(wěn)定分析及結構動力特性分析等。天津大學和北京銀河屋頂研究所合作進行的“銀河金屬拱型波紋屋頂結構設計、制作與安裝研究”項目于1997年4月通過國家鑒定。該研究項目不僅包含結構設計計算理論、大量的足尺模型試驗，而且包括成型設備研制、屋蓋制作安裝技術等內容，研究工作系統、深入，其成果被專家評為國際先進水平。清華大學土木系郭彥林教授與鞍山東方彩板公司合作，通過對單榀拱板的試驗研究建立了這種結構折曲破壞模型并提出折曲破壞理論，其研究成果于1998年3月通過國家鑒定。武漢工業(yè)大學王小平副教授在武漢鋼鐵（集團）公司的資助下不僅實施了4組足尺模型試驗，而且從理論和試驗兩個方面研究了殘余應力對結構力學性能的影響，完成了我國第一篇以這種結構為研究內容的博士論文。

　　目前國內這種結構的足尺模型試驗已做過二十多組，跨度包括7m、15m、18m、24m、27m、30m、33m、38m等，荷載類型主要有自重類荷載和半跨均布荷載。大量的足尺試驗使人們對這種結構在不同荷載下的力學性認識能更為全面，因此建立在試驗研究基礎上的設計計算理論也更為可靠。從理論研究方面看,國內學者都很重視這種結構的非線性行為。由于這是一種薄壁結構，采用邊緣屈服準既接近實際又可回避結構物理非線性問題，因此一般只考慮這種結構的幾何非線性。分析方法主要采用有限元法，也有學者嘗試了有限條法。象國外一樣，國內學者分別采用拱理論和殼體理論對結構進行分析。

　　采用殼體理論分析這種結構，國內學者建立了兩種計算模型。一種模型和國外文獻提到的一樣，以整個結構為研究對象，將整個屋蓋等效成正交異性殼，較國外文獻更進一步的是這里考慮了結構的幾何非線性。采用這種計算模型可確定結構矢跨比、長寬比、局部開口等因素對結構性能的影響。另一種殼體計算模型反映了結構槽形形狀，僅在考慮板件上橫向小波紋的影響時才引用等效正交異性近似化方法。用板殼單元模擬結構的實際形狀，可分析截面形式、局部穩(wěn)定性等對結構承載力的影響，并可望實現對這種結構的精確分析。但受到計算機解題能力及計算時間的限制，這種計算模型通常取一條拱板為研究對象，拱板之間的相互作用一般根據結構的對稱性簡化成一定的支持作用。顯然易見，殼體計算模型計算理論復雜、計算量大，難以為廣大工程設計人員所接受。

　　考慮了結構及荷載的對稱性，設計時將這種結構簡化為拱有一定的合理性。即便對于長跨比較小的屋蓋，采用拱模型、忽略山墻的支撐作用，只能得出偏于安全的結果。事實上包括美國MIC公司的設計軟件COSMIC及國內的設計軟件MASSAP在內的很多設計軟件都采用拱計算模型。但實踐表明很多軟件的設計結果偏于不安全，其中問題不應簡單地歸在計算模型上，而應考察軟件采用的計算參數。正如前面提到的，這是一種呈雙向波紋構形的薄壁結構，波紋尤其是橫向小波紋很大程度上改變了板件的力學性能，同時也給理論分析帶來難度。有些學者忽略了小波紋的影響，因此得出的結構極限承載力高于試驗結果數倍甚至十數倍。也有學者片面強調結構的破壞模態(tài)，將結構破壞時所表現出的特征看作結構破壞的根本原因，而忽視小波紋對結構幾何非線性性能的影響，同樣得出偏于不安全的結果。天津大學土木系在采用拱模型分析這種結構時，巧妙地引進正交異性化方法修訂結構幾何參數，不僅考慮了波紋構造的影響，而且有效回避了薄壁結構所共有的局部穩(wěn)定性問題，所得結果令人滿意。目前正在編寫的國家級技術規(guī)程采用了這種設計方法。

　　本文所列的參考文獻基本可以反映我國在這一領域的研究狀況，將國內的研究成果與國外相關文獻比較不難看出我國后來居上，在很多方面已達到國際領先水平。

　　4 《金屬拱型波紋屋蓋結構技術規(guī)程》編制情況

　　 從1992年引進金屬拱型波紋屋蓋結構到1998年9月中國工程建設標準化協會下達《金屬拱型波紋屋蓋結構技術規(guī)程》國家推薦性標準編制任務僅有六年的時間。六年里，從無到有，到遍地開花，這種結構在我國表現出迅猛的發(fā)展勢頭。但由于國內外對這種結構的理論研究均不成熟，沒有普遍認可的設計計算方法，更沒有可供操作的技術標準，而一般單位不懂這種結構的技術要領，使得很多工程質量得不到保證，屋蓋塌落的惡性事故時有發(fā)生。因此建筑市場要求制訂這種結構技術標準的呼聲很高。

　　由于國家標準的嚴肅性使得標準制訂周期一般很長，為了在國家標準出臺前盡可能地規(guī)范市場，減少工程事故，建筑金屬結構協會組織有關單位編制并于1999年10月發(fā)布了《壓型鋼板拱型屋蓋結構應用暫行規(guī)定》，而遼寧省也于1999年發(fā)布了《壓型鋼板拱殼結構技術規(guī)程》地方標準。這兩個標準發(fā)布時間接近，內容也幾乎完全相同，主要對這種結構的材料，制作、安裝誤差控制及構造措施進行了規(guī)定，并沒有給出結構設計方法。

　　《金屬拱型波紋屋蓋結構技術規(guī)程》國家推薦性標準編制組于1998年12月召開了第一次會議。參加規(guī)程編制的單位有輕型鋼結構委員會、天津大學、中南建筑設計院、清華大學、哈爾濱建筑大學、太原工業(yè)大學、南昌大學、北京銀河屋頂成型技術研究所等。第一次會議確定了規(guī)程的編制大綱，明確了各參編單位的技術分工，并制訂了規(guī)程編制進度計劃。會上代表對這種結構的名稱進行了討論，意欲給這種結構起一個概念清晰、易于理解和記憶的名字。雖然羅列了很多名稱（包括上面兩個標準采用的名稱），但沒有一個能夠贏得所有代表的認可，因此“金屬拱型波紋屋蓋”仍為這種結構的暫用名。由于要對這種結構的設計、制作、安裝以及工程驗收細則作出規(guī)定，故此規(guī)程被命名為技術規(guī)程。

　　規(guī)程編制組第二次會議也已于1999年12月召開。此次會議增補武漢工業(yè)大學為規(guī)程編制組成員。會上逐條討論規(guī)程草案，形成了草案修改意見。按照此次會議的計劃安排，將于2000年3月完成規(guī)程征求意見稿，2000年內完成規(guī)程送審稿，2001年3月完成規(guī)程報批稿。

　　5 《金屬拱型波紋屋蓋結構技術規(guī)程》內容簡介

　　目前《金屬拱型波紋屋蓋結構技術規(guī)程》已完成征求意見稿，內容分7章，包括總則、術語、材料、設計基本規(guī)定、結構計算、結構制作與安裝以及工程質量控制與驗收等。

　　規(guī)程第1章是總則，共有5條，內容包括規(guī)程編制目的、編制依據、適用范圍、設計、制作、安裝及檢驗的總體要求等。本章第3條規(guī)定這種結構適用跨度不大于36m，第4條強調如未采取可靠措施，這種結構不適用于強烈腐蝕、高溫等環(huán)境中的建筑，并不得用于直接承受動力荷載的建筑。本文前面已經提到，盡管目前國內已經建成40m跨度這種結構，但由于這是一種由厚度不能超過一定限值的鋼板通過特定設備軋制成特定形狀拼裝而成的拱結構，工程中難以通過增加材料用量和改變結構的幾何尺寸來增加結構承載力，而眾所周知，拱結構的承載能力與結構跨度三次方成反比，理論分析和工程實踐均表明當結構跨度較大時這種結構的承載能力很低，所以規(guī)程為確保結構安全，將這種結構適宜的最大跨度定為36m。另外結構跨度太大對下部結構的反力也很大，而且自身的用鋼量也不低，從結構經濟合理性要求考慮，也應限制結構的最大跨度。由于這是一種薄壁鋼結構，對集中荷載、動荷載、使用環(huán)境都有特殊要求，這里均給以規(guī)定。

　　規(guī)程第2章是術語符號，共分2節(jié)，在2.1節(jié)里針對這種結構的特點，對在設計工程中遇到的結構計算跨度跨度、矢高、矢跨比，在施工過程中要用到的單元板、組合單元板、基準組合單元板、屋脊線等概念以術語的形式給予定義。概念的統一對于規(guī)范技術管理具有非常大的意義。在2.2節(jié)對本規(guī)程各章所用到的符號進行整理并給出符號說明。

　　規(guī)程第3章是材料，共分6條，對這種結構所用到的彩色涂層鋼帶、自攻螺釘、螺栓錨栓等材料的材質要求給以規(guī)定。目前國內可自行生產的鍍層鋼板只有四種：熱鍍鋅鋼板、熱鍍鋅合金鋼板、熱鍍鋁鋼板和電鍍鋅鋼板。從這幾種鋼板的性能及產量來看，適用于這種結構的鍍層鋼板只有熱鍍鋅鋼板和熱鍍鋅合金鋼板，因此本章對熱鍍鋅鍍層板的鍍鋅層技術指標給出明確要求。針對彩色涂層鋼帶滿足建筑外用的功能要求本章對材料的彩色涂層技術指標也給出要求。根據國內鋼材及建筑市場況況，本規(guī)程規(guī)定這種結構的基板要采用現行國家標準《碳素結構鋼》規(guī)定的建筑結構用Q235鋼、Q280鋼和Q345鋼，并規(guī)定了基板要滿足的物理及化學指標。

　　規(guī)程第4章是基本設計規(guī)定，共分4節(jié)。4.1節(jié)規(guī)定結構設計原則，共有11條。前面4條規(guī)定結構設計采用極限狀態(tài)設計法并確定設計時荷載組合的原則。由于這種結構剛度較小，在常規(guī)荷載作用下結構變形較大。當下部結構剛度滿足常規(guī)結構變形要求時將屋蓋與下部結構整體計算得出的屋蓋支承反力與單獨計算屋蓋結構得出的支承反力相差不大，一般在5％以內，且單獨計算得出的結果偏于安全，所以為簡化設計過程，第5條規(guī)定設計時可不考慮屋蓋與下部支承結構的協同工作。在考慮了下部結構的允許變形后，屋蓋部分可單獨計算。在得到屋蓋的支承反力后，下部支承結構按照懸臂結構進行設計。由于這種結構所用鋼板很薄，對集中荷載非常敏感，因此第6條規(guī)定當屋蓋山墻采用直形槽板或其他形式的壓型鋼板且其連接可靠時，可以考慮屋蓋對直槽板的支承作用；當山墻采用其它結構形式時，不能考慮屋蓋的支承作用，上端按自由端考慮。由于這種結構自重小、彈性大，因此第7條規(guī)定屋蓋結構本身一般可不進行抗震計算，但其下部支承結構及其與下部結構的連接應按照現行抗震規(guī)范進行設計。金屬拱型波紋屋蓋結構表現為雙曲構形，且構件之間為鎖邊連接，存在很大縫隙，這些都有利于結構釋放溫度內力，因此第8條規(guī)定這種結構的設計可不設溫度縫，且不考慮溫度作用。本節(jié)第10條和第11條對結構的幾何參數取值進行規(guī)定。矢跨比是影響拱承載力的重要因素，由于跨度較小時各種矢跨比的這種結構承載能力均較高，而跨度較大時即便采用最合理的矢跨比結構承載力也很低，所以第10條規(guī)定結構的矢跨比一般可取0.1－0.5，當跨度較大時應嚴格控制結構矢跨比在合理的取值范圍0.2－0.3之內。

　　規(guī)程第4.2節(jié)包括2條內容，規(guī)定了基板的強度設計指標和物理性能指標，并給出了自攻螺釘和螺栓的設計依據。由于基板厚度一般在1.5mm以下，屬于典型的薄鋼板，因此本規(guī)程將這種材料的抗力分項系數取為1.15。

　　規(guī)程4.3節(jié)共分6條，對設計時要考慮的荷載及荷載組合進行規(guī)定。理論分析及大量的工程事故表明半跨荷載對拱結構承載力最為不利。在我國北方多雪地區(qū)，風的作用極易形成積雪半跨分布，但是國家現行荷載規(guī)范沒有考慮拱型結構積雪半跨分布情況。而不考慮半跨分布積雪荷載將導致結構設計嚴重錯誤。因此本節(jié)給出了半跨雪荷載分布系數。

　　規(guī)程第4.4節(jié)內容分為10條，規(guī)定了結構構造要求。其中包括各種板型的命名規(guī)則、屋蓋和下部結構的連接構造，屋蓋山墻處的連接構造、預埋件及連接角鋼的構造要求、結構變形縫的設置要求、連接螺釘（螺栓）的構造要求、通風采光孔洞構造要求以及結構避雷裝置設置要求等。由于這種結構對下部結構變形的適應能力很強，因此規(guī)定屋蓋結構的縱向長度不受建筑模數限制，但下部支承結構及異型連接角鋼要按相關規(guī)范規(guī)定設置變形縫。結構上開孔勢必降低結構的承載能力，尤其當開口面積較大將整條拱板斷開時，被切斷的拱板不再是拱結構，自身不但不具備承載能力，而且要作為荷載作用在相鄰拱板上，所以本節(jié)第7條對在這種結構上開孔要求給以規(guī)定，綜合考慮結構受力及施工時的可行性，本節(jié)第8條對拱腳連接處緊固件的構造要求進行了規(guī)定

　　第5章是本規(guī)程的重點與難點所在，共分9條，不僅規(guī)定了適用于這種結構的計算模型和分析方法，而且明確給出了采用拱計算模型一階分析設計方法。前面多次提到，這種結構只有兩種計算模型，即拱和殼，本章明確指出采用任何一種計算模型都要考慮結構波紋構造對結構受力的影響以及結構的非線性行為。本章首先在第2條規(guī)定結構上的小波紋對結構力學性能的影響可通過試驗確定也可采用近似化方法確定。緊接著在第3條引用美國康奈爾大學的研究成果，規(guī)定了當采用殼體計算模型時利用等效正交異性化方法將波紋板等效成平板的方法。第4條針對拱計算模型，在利用等效正交異性化方法考慮結構上波紋構造影響時運用了一個技巧，即不改變等效后平板的彈性常數，而是改變等效后平板的厚度，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仍然成立，而且物理意義明確。另外計算表明采用這種方法等效后的結構截面剛度降低很多，甚至比采用有效寬度法考慮不帶波紋的平板局部失穩(wěn)問題時對結構的剛度削弱更大。眾所周知波紋板的局部穩(wěn)定承載力遠較平板的局部穩(wěn)定承載力大，因此本條的做法很自然地回避了這種結構的局部穩(wěn)定問題，或者說很巧妙地考慮了局部穩(wěn)定問題。

　　本節(jié)第6條給出了采用線彈性小變形的拱計算模型進行結構設計時的簡化方法。該方法是在對結構進行大量的二階分析，通過二階分析確定各參數之間的關系后得到的。分析表明這種結構在荷載作用下，荷載、位移以及荷載、彎矩之間均呈顯著的非線性關系，而當荷載達到極限荷載之前，荷載、軸力之間的關系基本上是線性的。采用線彈性理論分析求得的彎矩和位移遠小于采用幾何非線性理論分析求得的結果。比較在各級荷載作用下按線彈性和按幾何非線性求得的彎矩，可以發(fā)現它們之間存在一定的關系，即 （式中M_n為非線性彎矩，M_l為線性彎矩，為彎矩放大系數。而，這里為彎矩調整系數，與荷載類型及結構的矢跨比有關；q為設計荷載值，q_cr為屋蓋在相應類型荷載作用下的極限承載力，其中，式中EI、R分別為拱的抗彎剛度及拱的曲率半徑，k為與支承條件、荷載類型以及結構矢跨比有關的極限承載力系數。以上式中的、k等值均在規(guī)程給出）。分析還表明，由于結構剛度太小，變化結構軸向剛度EA對結構極限承載力影響不大，而決定結構承載力的主要是結構的抗彎剛度。另外對這種結構進行的物理、幾何雙非線性分析表明，結構出現屈服點后剩余的承載力非常有限，因此可以采用邊緣屈服準則確定結構的極限承載力。綜合以上分析，采用近簡化方法設計這種結構時可采取以下步驟：1、對結構所受各類荷載進行組合，確定各種工況下各類荷載的設計值；2、按照線彈性理論計算出拱在各種設計荷載下的彎矩M_l、軸力N_l；3、將所求彎矩根據荷載類型乘以相應的彎矩放大系數β得到相應于二階分析求得的彎矩M_n；4、運用式檢算各工況下各截面的承載力。應該特別注意的是計算過程中遇到的結構抗彎剛度EI、抗拉剛度EA以及W_z等均要按照本章第5條的規(guī)定確定。

　　本章第7條規(guī)定對拱進行線彈性分析時可采用經典算法也可采用有限元法。當采用有限元法時可選用曲線梁單元，也可選用直梁單元。采用直梁單元時的單元數量應足以保證相鄰梁單元的切線夾角小于5⁰。第8條規(guī)定屋蓋對下部結構的支承反力也可采用線彈性分析方法求得，并給出在幾種特定荷載作用下的支承反力的經驗公式。這兩條都是在對這種結構進行深入分析的基礎上得出的便利設計的結論。

　　本章第8條明確規(guī)定考慮了屋蓋支撐作用的山墻板可按照簡支梁模型，依照《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》中的有關規(guī)定進行設計，當山墻板達不到承載要求時應設中間支撐。對于拱高較大的結構尤其是在風荷載較大地區(qū)，山墻板的設計非常關鍵，這里根據山墻板的特點采用了傳統薄壁結構設計方法。

　　規(guī)程第6章對在施工過程中控制結構制作、安裝質量的各個環(huán)節(jié)進行了規(guī)定。本章共分三節(jié)，第1節(jié)為一般要求，共分7條，規(guī)定了結構所用材料質量要求、材料搬運方法、材料防腐處理要求、施工程序、及檢驗工程質量時的丈量標準。第2節(jié)共分4條，規(guī)定了直槽板和拱型槽板制作過程中的各項誤差控制標準。第3節(jié)共分8條，規(guī)定了結構安裝工程中吊頂布置、吊裝方法、吊裝時的氣候要求等施工細節(jié)。由于這種結構施工時的吊裝單元自重很輕，而且受風面很大，因此本節(jié)規(guī)定當雷雨天氣和風力超過4級時不得進行吊裝作業(yè)。

　　規(guī)程第7章為質量控制與驗收，共分兩節(jié)。第1節(jié)為質量控制，有9條內容，規(guī)定了材料質量控制方法、連接角鋼制作及安裝誤差要求、結構構件制作及安裝誤差要求等。本節(jié)還針對各項誤差要求規(guī)定了明確的檢測方法。本章第2節(jié)規(guī)定這種結構驗收時應具備下列文件：1．屋蓋結構的設計和設計變更文件；2．材料及構配件的出廠質量合格證書；3．施工中重要問題的處理記錄；4．隱蔽工程檢驗記錄；5．工程質量檢驗記錄；6．工程竣工圖。

　　參 考 文 獻

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

　　2．張勇,劉錫良,張福海. 銀河金屬拱型波紋屋頂的靜力穩(wěn)定承載力試驗研究，建筑結構學報，1997;(6)

　　3．李少甫. 冷彎褶皺薄壁拱殼輕鋼房屋. 建筑結構，1998;(1)

　　4．郭彥林,鄭浩然.彩板波形拱殼屋面結構折曲試驗研究.工業(yè)建筑. 1997.(11)

　　5．郭彥林,鄭浩然.彩板波形拱殼屋面結構的破壞機理--折曲屈曲破壞.工程力學增刊. 1997.

　　6．張勇. 銀河金屬拱型波紋屋頂結構的理論分析與試驗研究. 天津大學學位論文.1997

　　7．李宗許.銀河金屬拱型波紋屋頂結構的樣條有限條分析與試驗研究.天津大學學位論文.1997

　　8．張彥鵬. 銀河金屬拱型波紋屋頂結構的試驗研究及幾何非線性分析.天津大學學位論文.1998

　　9． 馬臣. 運用廣義協調元分析銀河金屬拱型波紋屋頂結構的動力特性. 天津大學學位論文.1998

　　10．高福聚. 銀河金屬拱型波紋屋頂結構的可靠度分析及設計、施工技術研究.天津大學學位論文1998

　　11．劉永靈. 冷彎薄壁壓型鋼板拱屋蓋結構的研究. 清華大學學位論文 1996

　　12．王小平. 大跨度金屬拱型波紋屋頂試驗研究與有限元分析. 武漢工業(yè)大學學位論文 1999

　　13．Abdel-Sayed, G. "Critical Shear Loading of Curved Panels of Corrugated Sheets", J. of the Engineering Mechanics Division, ASCE, Dec.,1970

　　14．Erdal Atrek, Nilson, A. H. "Nonlinear Analysis of Cold-Formed Steel Shear Diaphragms", J. of the Structural Division, ASCE, 3, 1980

　　15．Briassoulis, D. "Equivalent Orthotropic Properties of Corrugated Sheets", Computers & Structures, 2, 1986

　　16．Zhang, Q. and Rotter, J. M. "Equivalent Orthotropoic Properties of Cylindrical Corrugated Shells", Proc. of the 11^th Australian Conference on the Mechanics of Structures and Materials,1988

　　17．Marzouk, O. A. and Abdel-Sayed, G. "Linear Theory of Orthotropic Cylindrical Shells", J. of the Structural Division, ASCE, 7, 1973

　　18．Marzouk, O. A. and Abdel-Sayed, G. "Stability of Half-Barrel Orthotropic Shells", J. of the Structural Division, ASCE, 7, 1975

　　19．Herbert A. M. and Smith, J. H. "Finite Element Analysis of Doubly Corrugated Shells", J. of the Structural Division, ASCE, 10, 1976

　　Application & Research Situation of Arched Corrugated Metal Roof and Introduction to Its Technical Specification

　　Zhang Yong Wang Yuanqing Shi Yongjiu Liu Xiliang

　　Abstract Arched Corrugated Metal Roof has been used in China only for 8 years, but it has a relatively long application history in the word. Nevertheless, for some reasons, there still have no technical specifications for it now, which is very disadvantageous to its further dissemination. In this paper, the application and research history of this kind of structure was reviewed systematically. As its technical specification is now being drawn up in China, the compiling course and main content of the specification are also been introduced.

　　Keywords Arched Corrugated Metal Roof; Technical Specification; Application; Research

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　　劉錫良，男，1928年6月出生，教授，博士生導師，長期從事鋼結構基本理論與空間鋼結構的科研及教學工作。