支座不等高拱形波纹钢屋盖承载性能研究与应用

拱形波纹钢屋盖在实际工程应用中经常遇到支座不等高的情况，这种特殊结构的承载性能与等高支座的情况有较大差异。通过以18米跨MMR-238型波纹拱为研究对象，采用ABAQUS有限元分析，研究了支座高度差对结构承载力的影响。结果表明，在全跨竖向荷载作用下，支座不等高会显著降低波纹拱的极限承载力（降幅在30%以上），而在半跨竖向荷载作用下，支座高度差的影响相对较小。这些研究成果为支座不等高拱形屋盖的设计和应用提供了重要参考。

研究背景与问题提出

拱形波纹钢屋盖的应用现状

拱形波纹钢屋盖具有多种优势，已在多个领域得到广泛应用：

• 应用领域：工业厂房、仓库、室内体育场馆、飞机库等中小跨度结构
• 发展时间：自20世纪90年代引入我国以来，经过十多年发展已很成熟
• 技术规范：2004年中国工程建设标准化协会编制了《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》（CECS167：2004）
• 应用前景：应用领域不断拓展，建筑面积连续增长

特殊工程情况

在实际工程应用中出现的特殊情况：

• 支座不等高：由于地形或建筑设计需要，两端支座不在同一水平高度
• 高拱和浅拱：不同矢跨比的拱形结构
• 技术空白：这些特殊结构的竖向荷载下承载能力尚不清楚
• 规范缺失：《规程》中没有明确的计算方法

有限元模型建立与分析方法

研究对象与模型参数

研究选取了国内广泛应用的MMR-238型波纹拱作为基准：

• 跨度：18米
• 矢跨比：0.20和0.25两种
• 钢材等级：Q235
• 板厚：1.0mm
• 支座高度差：与矢高比分别为0、0.1、0.2、0.25、0.33、0.5的六种模型

有限元分析方法

采用ABAQUS有限元软件进行分析的关键要点：

• 材料模型：采用正交各向异性平曲板简化波纹结构，利用试验获取的等效弹性常数
• 单元选择：采用薄壳单元S4R模拟拱形结构
• 非线性分析：同时考虑材料和几何非线性
• 求解方法：采用Riks和General模块进行极限承载力分析
• 荷载工况：全跨均布荷载、低支座半跨荷载、高支座半跨荷载三种
• 支座条件：铰支座和滑动支座相结合
• 计算单元：取3片波纹单拱作为计算单元

支座不等高对承载力的影响分析

荷载位移曲线特征

通过荷载位移分析，得出了支座不等高对结构变形的影响：

• 全跨荷载下：当荷载较小时，支座不等高波纹拱的跨中竖向位移与等高情况接近；随着荷载增大，位移差别逐渐加大
• 半跨荷载下：支座不等高波纹拱的竖向最大位移与等高波纹拱相近，差异不明显

极限承载力降低幅度

支座不等高对极限承载力的影响量化结果：

• 全跨竖向荷载：承载能力明显降低，降幅在30%以上
• 降低趋势：随着支座高度差的增大，极限承载力呈明显下降趋势
• 半跨荷载：承载能力与等高波纹拱几乎相等，高度差影响很小
• 高度差影响：高支座半跨荷载时的极限承载力比低支座半跨时偏高

变形与破坏模态分析

全跨荷载下的变形特征

支座不等高波纹拱在全跨荷载下的变形和破坏模式：

• 变形特征：不对称变形，低支座侧向上突起，高支座侧下陷
• 应力分布：在距低支座1/8至1/6跨度段的应力较大
• 破坏位置：相应部位材料首先达到屈服应力值而使结构失稳

半跨荷载下的变形特征

支座不等高波纹拱在半跨荷载下的变形特点：

• 低支座半跨荷载：低支座侧下陷，高支座侧向上突起，在距低支座1/8至1/6跨段应力最大
• 高支座半跨荷载：高支座侧下陷，低支座侧向上突起，在距高支座1/8至1/6段应力最大
• 破坏位置：非对称变形，最大应力部位首先达到屈服而发生失稳

工程设计应用建议

全跨荷载工况下的设计

对于支座不等高的拱形屋盖，全跨荷载是最不利工况：

• 承载力评估：应充分考虑支座高度差的不利影响，降幅不小于30%
• 设计安全系数：应相应提高安全系数或加强结构措施
• 加固方案：可采用内拉式增强、加支撑等措施改善承载性能

半跨荷载工况的简化

半跨荷载下的设计相对简化：

• 高度差影响小：可基本按等高支座进行设计
• 位移控制：重点关注位移和挠度，而不是承载力降低
• 详细计算：建议采用有限元法进行精确计算

常见问题

支座不等高主要影响哪种荷载工况？

支座不等高对全跨竖向荷载的影响最为显著，会导致极限承载力大幅降低（30%以上）。而对半跨荷载的影响较小，基本可按等高支座设计。这是设计中需要特别关注的。

高度差有多大时需要特别考虑？

根据研究，当支座高度差与矢高的比值达到0.1及以上时，就应该进行专门的有限元分析。如果高度差与矢高的比值超过0.25，对承载力的影响就相当显著，必须采用计算来指导设计。

如何处理支座不等高的设计问题？

优质的做法是利用有限元软件（如ABAQUS）进行精确分析，获取具体的极限承载力数值。同时可考虑采用加内支撑、加外支撑或内拉式增强等加固措施，以提升结构的承载能力。

小结

支座不等高拱形波纹钢屋盖在竖向荷载作用下的承载性能与等高支座情况差异显著，特别是在全跨荷载工况下会出现30%以上的承载力降低。通过有限元分析可以准确获取不同工况下的承载能力，为工程设计提供重要指导。江苏杰达钢结构工程有限公司在设计支座不等高的拱形屋盖时，充分考虑这些影响因素，采用有限元分析方法确保结构安全，为客户提供可靠的技术方案。

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