拱形屋顶房屋围护结构设计与基础方案

拱形屋顶房屋是一种集承重、保温和围护于一体的无支撑轻钢结构体系，自重轻（10~25kg/m²）、跨越能力强（6~42m）、造价低、施工速度快（10000m²/25天）。然而，其薄壁褶皱特性导致整体刚度和稳定性相对较弱，围护结构的设计有其特殊性，需要科学的理论指导和合理的工程措施。

拱形屋顶房屋的应用范围

由于金属拱形波纹屋顶具有良好的经济和社会效益，比较适合现代建筑发展，在以下几类建筑中应用广泛：

• 仓储类房屋：机库、汽车库、物资和设备的储运及运输周转用仓库等，跨度不大于40m、无强烈侵蚀介质环境
• 体育健身类用房：游泳馆、训练馆、健身房等
• 商贸类展销厅：大中型超级市场展销厅、游艺娱乐厅等
• 交通枢纽：码头、汽车站等的候车（船）厅
• 影视放映厅及轻工业用房：起重量小于5吨的轻、中级工作制桥式吊车厂房
• 各类临时建筑

围护结构的受力特性

与屋架有撑体系、空间网架等传统结构体系相比，金属拱形波纹屋顶房屋的围护结构具有明显的不同特点。由于屋顶结构薄弱，其传力机理和受力特性与传统结构围护结构差异显著。这导致1996年冬天鞍山地区发生了6栋大跨度MIC-240型金属拱形波纹屋顶倒塌事故，引发了对围护结构安全性能的深入关注。

由于屋顶轻钢结构壁很薄（0.6~1.6mm），在拱脚处的变形对超静定拱的受力性能影响较大。金属拱形波纹屋顶作为超静定拱，由于支承梁刚度相对于彩板刚度很大，实际上已接近于无拱铰，拱脚处支座条件已接近于固接。

围护结构抗震计算模型的选取

地震作用传递的关键问题

地震作用下，沿跨度方向拱脚一侧围护结构的地震作用能否通过拱形波纹屋顶传到另一侧，是抗震计算模型选取的关键问题。由于屋顶轻钢结构壁很薄，传递水平地震力能力较弱，缺少有效机构将地震作用从拱脚一侧传到另一侧。

从工程抗震设计的概念设计角度考虑，可不考虑沿跨度方向拱脚一侧围护结构与另一侧之间的相互作用。即认为拱脚每一侧的墙和柱的地震作用仅由其自身承担，墙或柱按悬臂计算模型进行地震作用分析。

悬臂动力计算模型

这种悬臂动力计算模型理论上属于质量连续分布体系，具有无限自由度。工程实践中通常可采用集中质量法将其简化为多自由度动力计算模型。

设计应用实例

实例1：某3x30m的三跨金属拱形波纹屋顶仓库，建筑面积4920m²，拱脚标高3.50m，拱顶标高12.50m，抗震设防烈度为8度。钢筋混凝土柱柱距为6m。柱可取悬臂计算模型进行分析，通常按结构的层数确定动力计算的自由度数。为精确考虑竖向质量分布的影响，可沿竖向2m左右取一集中质量，在相应位置墙体中设置圈梁或60mm厚钢筋混凝土配筋带以加强联系。

实例2：某25m跨金属拱形波纹屋顶车间，建筑面积1765m²，拱脚标高5.0m，拱顶标高11.0m，抗震设防烈度为6度。钢筋混凝土柱柱距为6m。风载作用下按悬臂计算模型进行内力及变形分析。

实例3：某24m跨金属拱形波纹屋顶仓库，建筑面积1200m²，拱脚标高3.8m，拱顶标高9.8m，抗震设防烈度为7度。钢筋混凝土柱柱距为6m。风载和地震作用下采用悬臂计算模型。

拱脚标高处的水平位移控制

位移控制的重要性

金属拱形波纹屋顶房屋的屋顶拱脚标高通常都在3.0m以上。在拱脚处内力及风荷载等水平力作用下，围护结构在拱脚处必定产生一定的水平变形。设计时必须考虑拱脚标高处的水平位移控制值问题。

一般的金属拱形波纹屋顶生产厂家仅能提供拱脚的内力，并不能提供拱脚标高处的水平位移控制值。设计时可参照相应的规范要求确定，包括混凝土结构设计规范对受弯构件的允许挠度值，以及钢筋混凝土高层建筑结构设计规程给出的在风载和地震作用下的楼层水平位移限值。

位移控制的工程措施

由于产生柱顶水平位移的各种因素中，拱形波纹屋顶自重作用下的拱脚水平推力和弯矩是其主要因素，可根据钢筋混凝土梁支模板时预先起拱的原理采取措施：

• 在柱子支模板时柱顶有意向房屋内侧倾斜一特定值（如实例1中为15mm），以抵消金属拱形波纹屋顶在自重作用下拱脚内力产生的水平位移（相当于梁的反拱）
• 柱配筋计算时考虑柱几何偏心的影响。由于金属拱形波纹屋顶自重轻，拱脚轴力较小，柱几何偏心产生的弯矩影响较小
• 抵消屋顶自重产生的位移后，在风载和地震作用下的拱脚处柱顶水平位移限值就很容易满足规范要求

需要注意的是，支模时柱顶内倾值要控制在一定范围内，以免产生由柱几何偏心而引起过大的附加弯矩效应和其他不利影响。另外，拱脚处纵向连续梁的截面尺寸也不应取得太小，以免拱脚处梁产生较大的转角位移。

拱形屋顶房屋的基础设计

基础受力特点

由于金属拱形波纹屋顶自重轻，拱脚轴力较小而水平推力及支座弯矩则相对较大。前进柱在风载和地震作用下采用悬臂计算模型进行内力分析，柱传至基础底面的轴力较小而弯矩则相对较大。

偏心基础设计方法

为减少基础偏心弯矩的影响，根据这类结构的受力特点，可将基础几何中心与柱中心相对偏移一数值，使得在金属拱形波纹屋顶及墙和柱的自重作用下基础处于轴心受压状态，在风载、地震及其他荷载作用组合下基础处于偏心受压状态。

采用这种偏心基础形式与常规的基础几何中心与柱中心重合的基础形式相比，可显著减小基础平面尺寸。例如实例1中的边柱基础平面尺寸由常规形式的2600x5000mm变为1900x3200mm。这种设计方法能够获得以下效果：

• 基础平面尺寸明显减小，可取得较好的经济效益
• 基底反力实际分布更均匀
• 整体受力性能相对更好

需要注意的是，在进行偏心荷载作用下的基底压力分布计算时，x为柱中心与基础几何中心之间的偏离值。基础冲切验算时的计算公式也需要根据偏心基础的特点进行相应调整，不能直接套用常规计算公式。

柱截面设计的控制内力

地震与非地震荷载的对比

虽然在地震作用下围护柱和墙只能按悬臂计算模型进行内力分析，但由于金属拱形波纹屋顶自重轻，在各种不利荷载组合中地震作用所占的份量相对较小。即使在8度抗震设防区，有地震作用的荷载组合也不一定是柱截面设计的控制内力。

柱截面设计时还需考虑无地震作用的不利荷载组合。例如在实例1中，抗震设防烈度为8度，有地震作用的荷载组合时柱底内力设计值为M=438.95kN·m、N=132.1kN，但无地震作用的荷载组合时柱底内力设计值为M=347.2kN·m、N=132.1kN。经计算后无地震作用的荷载组合反而是柱截面设计的控制内力。

柱配筋设计的特殊处理

由于柱轴力相对较小而弯矩相对较大，柱截面设计时有可能出现柱截面混凝土受压区高度小于2a的情况。此时应根据混凝土结构设计规范的相关规定按其他条款的规定进行柱子配筋计算，否则将出现柱子配筋偏小的不利情况。

在实例1、2、3中，柱子配筋计算均不满足2a的要求，需要按相应规范条款重新进行柱子配筋。这说明对于此类结构，在进行柱子配筋设计时需要特别关注混凝土受压区高度的计算和相应的规范条款适用。

常见问题解答

为什么拱形屋顶围护结构的设计与传统结构不同？

金属拱形波纹屋顶的轻薄特性导致其整体刚度和稳定性与传统结构差异显著。屋顶结构薄弱，传递水平地震力能力较弱，导致围护结构的受力机理和计算方法都需要特殊考虑。地震作用不能通过屋顶有效传递，因此围护结构的地震作用需由自身承担。

拱脚处为什么容易产生较大位移？

拱形波纹屋顶在自重作用下会产生拱脚水平推力和弯矩，这是导致围护结构柱顶产生水平位移的主要因素。特别是当拱脚标高在3.0m以上时，这种位移效应更加明显。通过适当的设计措施如支模时的反拱、合理的基础设计等，可以有效控制这种位移。

偏心基础设计是否会影响结构安全？

偏心基础设计是根据拱形屋顶房屋的特殊受力特点而开发的一种科学方法。通过将基础几何中心与柱中心相对偏移，可以使基础在屋顶和柱自重作用下处于更有利的受压状态，同时在地震和风荷载等偶发荷载作用下处于受控的偏心受压状态。这种设计方法既安全可靠，又能取得经济效益。

小结

金属拱形波纹屋顶房屋的围护结构设计具有其特殊性，必须充分考虑该结构形式的力学特点。在抗震计算模型的选取上，应采用悬臂动力计算模型进行分析。在拱脚标高处的水平位移控制上，可采取支模反拱、偏心基础等工程措施。在基础设计上，根据结构的受力特点采用偏心基础形式可以显著减小基础尺寸并改善整体受力性能。在柱截面设计上，需要特别关注控制内力的选取和混凝土受压区高度的验证。

江苏杰达钢结构工程有限公司在承接拱形屋顶房屋工程时，严格遵循这些设计原则和工程措施，与设计院、建筑专家密切合作，确保围护结构安全可靠，为业主提供安全高效的拱形屋顶解决方案。

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