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拱形波紋鋼屋蓋結構的應用

目前國內拱形波紋鋼屋蓋結構工程中采用的彩涂鋼板，絕大多數(shù)是由寶鋼生產的熱鍍鋅彩色涂層鋼帶，也有一小部分是武鋼生產的熱鍍鋁鋅彩色涂層鋼帶。這兩種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，材料的力學性能會產生一些變化；另外，這類結構采用的冷連軋鋼帶的物理化學指標也與現(xiàn)行國家標準《碳素結構綱》和《低合金高強度結構鋼》中規(guī)定的Q系列鋼材有很大不同，是一種高強度、低含碳、中合金、低硫磷含量的優(yōu)質結構用鋼材。歐洲已有專門的連續(xù)熱鍍鋅/熱鍍鋁鋅鋼板及鋼帶的技術標準，我國目前尚無這方面的專用標準，所以如何命名材料、如何規(guī)定材料的理化指標，一直是困擾本《規(guī)程》編制的問題。2004年11月國家標準《彩色涂層鋼板與鋼帶》GB/T12754（修訂本）通過了專家審查，其中明確了彩涂鋼板的鋼材牌號，因此本《規(guī)程》直接按該標準的規(guī)定采用，即熱鍍鋅彩涂鋼板牌號TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS350GD+Z和熱鍍鋁鋅彩涂鋼板牌號TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ、TS320GD+AZ、TS350GD+AZ等。這些鋼材的理化指標在標準中都有規(guī)定。為便于設計采用，在《規(guī)程》的條文說明中給出了上述牌號鋼材的屈服強度、抗拉強度及伸長率等力學性能指標。需要明確的是，彩涂板的力學性能指標是指基板（含鍍層)的力學性能指標。當需進行力學性能檢驗時，應采用除去涂層的基板做試樣。

拱形波紋鋼屋蓋結構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材制造偏差等的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為提高結構的安全度，《規(guī)程》將彩涂板的抗力分項系數(shù)取1.17，大于國家標準《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》GB50018一2002中抗力分項系數(shù)的取值。

拱形波紋鋼屋蓋結構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件截面的計算剛度，另一方面會放大構件成型過程中所形成的各種缺陷的作用，因此《規(guī)程》規(guī)定，拱形波紋鋼屋蓋結構的基板厚度不得小于0.8mm，且基板厚度的供貨負偏差不得大于3%。規(guī)程在結構設計可靠度中已考慮了3%以內的板厚負偏差；對大于3%負偏差造成板厚的不足，《規(guī)程》規(guī)定在設計計算時應予扣除。

拱形波紋鋼屋蓋結構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?！兑?guī)程》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，以及不同面漆類型二涂二烘涂層的各項技術性能要求。相關內容均引自國家標準《彩色涂層鋼板及鋼帶》GB/T12754（修訂本）。

拱形波紋鋼屋蓋結構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構相連，這種連接構造只能約束拱腳的平動位移，轉動約束剛度很小，所以可簡化成固定鉸支座。若考慮柱頂水平位移的影響，可進一步將下部結構對屋蓋的支承作用簡化成具有一定水平支座位移的固定鉸支支座。研究表明，由于屋蓋剛度較小，在《規(guī)程》允許的范圍內，柱頂水平位移，（即屋蓋支座水平位移）對屋蓋承載力的影響不大（在5%以內），所以《規(guī)程》限制了屋蓋支座處的水平相對位移，而在屋蓋結構分析中不再考慮支座位移的影響。這樣屋蓋結構便成了兩邊固定鉸支的筒殼結構。

通過采用三維模型分析了屋蓋縱向長度、屋蓋兩端山墻的支承作用以及山墻處風荷載的縱向作用對結構跨度方向承載力的影響。發(fā)現(xiàn)只要結構的縱向長度與跨度的比值滿足一定要求，屋蓋的縱向作用對面內承載力的影響可忽略不計。為方便設計，《規(guī)程》規(guī)定當跨度不大于24m時，屋蓋的縱跨比不宜小于0.5；當跨度大于24m時，縱跨比不宜小于0.8。當屋蓋結構滿足此要求時（這個要求在實際工程中很容易達到），便可忽略結構的縱向作用和屋蓋山墻支承作用的影響，將屋蓋簡化成拱形結構進行計算。

拱形波紋屋蓋結構是一種薄壁結構，組成板件的局部穩(wěn)定性問題必須予以重視。由于成型的需要，拱形波紋鋼屋蓋結構上壓有許多橫向小波紋，小波紋對整個結構的力學性能有很大影響：

一方面可提高鋼板的局部穩(wěn)定承載力、增強結構的縱向抗彎剛度，另一方面則削弱了結構跨度方向的剛度、降低了結構跨度方向的穩(wěn)定承載力。因此，計算時還必須考慮小波紋對結構剛度的影響。另外，拱形波紋鋼屋蓋結構的整體剛度較小，在荷載作用下具有典型的幾何軟化特征，因此結構的二階效應也是設計時不可忽略的。

《規(guī)程》對于板件上橫向小波紋的影響采用了等效正交異性化方法，具體是在建立拱計算模型時運用了一個技巧，即按照等剛度原則改變等

效后平板的厚度，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)問題對結構剛度的削弱更大。而理論及試驗均已表明，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《規(guī)程》的做法很巧妙地處理了這種結構的局部穩(wěn)定問題。

結構的二階分析方法雖然可以很好地反映結構的二階效應，但由于這種方法理論及計算過程均較復雜，因此難以作為一種通用的設計計算方法而被《規(guī)程》采用。在對這種結構進行了大量二階分析的基礎上，《規(guī)程》給出了一種基于結構一階分析的簡化設計方法。該方法只需對結構進行一階分析，求出結構的一階內力，便可推導出結構的二階內力，并進而判斷結構的安全性。

研究表明，在荷載作用下這種結構的二階效應主要表現(xiàn)在兩個方面：一是荷載與結構變形之間的顯著非線性關系；另一是荷載與彎矩內力之間的顯著非線性關系。而當荷載達到極限荷載之前，荷載與軸力之間的關系基本上是線性的。由于變形控制是為了滿足結構的正常使用要求，而對于拱形屋蓋結構主要是滿足人們的心理安全要求。因拱形屋蓋即便產生較大的變形，人在室內

也不易察覺，所以《規(guī)程》不要求對這種結構進行正常使用極限狀態(tài)計算。

荷載與彎矩之間的非線性關系，規(guī)程通過公式（1)反映：

M。=EB1M(1）

即結構的非線性彎矩M。等于線性彎矩M.乘以彎矩放大系數(shù)A，A則可通過公式（2)求出：

A=1(2）iggen

很終，結構的承載能力通過式（3)檢驗：

M，Ma+語≤f(3）

從形式上看（3）式是一個強度驗算公式，但由于考慮了結構的二階效應，當結構存在失穩(wěn)可能時，其實質上是一個穩(wěn)定驗算公式。對于拱形波紋鋼屋蓋這種典型的薄壁鋼結構，結構出現(xiàn)屈服點后的剩余承載力非常有限，因此這里的穩(wěn)定承載力驗算采用了邊緣屈服準則?！兑?guī)程》根據(jù)不同板型給出了考慮板上波紋影響后的截面剛度Am、Ia、Wa，以及公式中Y、q。等參數(shù)的計

算公式。

拱形波紋鋼屋蓋結構的組成板件很薄，因此不能用來承受大的懸掛荷載，更不能承受直接動力荷載。實際工程中，這種結構所受荷載類型比較單一，設計時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、風荷載等。國內許多拱形波紋鋼屋蓋結構的坍塌事故均由半跨雪荷載引起，因此，按照現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》的規(guī)定，《規(guī)程》對這類結構的基本雪壓提高了10%，即Sk=1.1μ,S。

4.2、下部支承結構設計

拱形波紋鋼屋蓋結構的下部支承結構有鋼框架、混凝土框架以及配筋混凝土墻體等多種做法。拱形波紋鋼屋蓋結構對下部支承結構的反力可通過對屋蓋與下部結構的整體分析求得。但研究表明，當下部結構的剛度滿足一定要求時，整體計算得到的反力與按兩固定鉸支模型單獨計算屋蓋得到的反力相差不大。所以，為了簡化設計過程，也為提高屋蓋結構的承載力，《規(guī)程》規(guī)定下部支承結構的變形除應滿足相應結構設計標準的規(guī)定外，屋蓋支座處的相對水平位移不得大于100mm。在這一條件下，《規(guī)程》規(guī)定可不考慮上下部分的協(xié)同工作。設計下部結構時，可將屋蓋對下部結構的作用力作為外荷載考慮。

拱形波紋鋼屋蓋的下部支承結構基本上都是常規(guī)結構形式。本規(guī)程根據(jù)屋蓋結構的特點，僅提出了上述屋蓋支座處很大相對水平位移的特殊要求。除滿足這點外，下部結構可按現(xiàn)行國家有關標準的規(guī)定進行設計。比如，由于拱形波紋鋼屋蓋結構相臨構件之間采用鎖縫連接，連接處一般都有較大縫隙，而且構件本身為雙曲構形，這些都有利于結構釋放溫度應力，因此《規(guī)程》規(guī)定屋蓋結構可不設溫度縫，且不考慮溫度作用，但下部支承結構及連接角鋼應按現(xiàn)行國家有關標準的規(guī)定設置溫度縫，必要時考慮溫度應力。同樣地，由于拱形波紋鋼結構自重很小，其承載能力一般不受地震作用控制，因此《規(guī)程》認為屋蓋結構可不進行抗震計算，但其與下部結構的連接及下部支承結構均應按現(xiàn)行抗震規(guī)范的規(guī)定進行設計。