高拱浅拱波纹钢屋盖承载力研究与应用参考

拱形波纹钢屋盖是一种新型空间钢结构，分为高拱、浅拱等多个类型。本文基于18m跨MMR-238型波纹拱的有限元分析，系统研究了不同矢跨比的高拱与浅拱结构在竖向荷载下的承载能力变化规律，为工程设计提供参考数据。

高拱与浅拱的定义与分类

在实际工程应用中，根据矢跨比的大小，波纹拱被分为以下两类：

• 矢跨比大于0.25的波纹拱，通常称为高拱
• 矢跨比小于0.2的波纹拱，通常称为浅拱

拱形波纹钢屋盖具有自重轻、造价低、适用跨度大、造型美观等优势，自20世纪90年代引入中国以来，已广泛应用于工业厂房、仓库、室内体育场馆、飞机库等大跨度建筑结构中。2004年中国工程建设标准化协会颁布的《拱形波纹钢屋盖结构技术规程CECS167：2004》为其设计和施工提供了可靠依据。

研究对象与有限元模型

本研究选用国内广泛应用的18m跨MIR-238型截面波纹拱，波纹板采用Q235钢材、厚度1.0mm。为全面反映高、浅拱结构的受力特性，建立了以下研究范围：

• 矢跨比为0.10、0.15的两种浅拱结构模型
• 矢跨比为0.35、0.40、0.45的三种高拱结构模型

采用ABAQUS有限元软件进行分析，在同时考虑材料与几何非线性的前提下，利用Riks求解器计算波纹拱在竖向荷载作用下的极限承载力及破坏模态。

材料参数与网格划分

根据试验数据，18m跨、拱高4.5m、彩板厚1.0mm的MMR-238拱型波纹钢屋盖的关键参数包括腹板与下翼缘两个方向的等效弹性模量、剪切模量和泊松比。采用薄壳单元（ABAQUS中的S4R四节点缩减积分单元）进行网格划分，网格大小一般为150-200个单元，以保证计算精度与收敛性。

荷载工况与支座条件

有限元模型中通过施加均布体积力来等效实现竖向均布荷载。支座约束条件设定为：

• 波纹拱下翼缘两端为铰支座
• 两侧弧边设为竖向平面内可移动的滑动支座

这样的约束设置能真实反映工程中波纹拱通过自攻螺钉与下部结构的连接方式。

高低拱结构的变形与破坏模态分析

荷载-位移曲线特征

通过有限元分析得到的荷载与跨中竖向位移关系表明：

• 在竖向荷载作用下，浅拱的跨中位移均比高拱小
• 浅拱随着矢跨比减小，跨中位移呈增大趋势；高拱则随矢跨比增大，跨中位移呈增大趋势
• 全跨荷载作用下高拱和浅拱的跨中竖向位移随矢跨比变化幅度比半跨荷载下的大

全跨竖向荷载下的破坏形式

在全跨竖向荷载作用下，波纹拱结构呈对称变形，在靠近支座两侧1/8～1/4跨度段处向上隆起，跨中则向下陷落。支座附近的隆起部位应力较大，首先达到材料屈服应力而发生破坏。

半跨竖向荷载下的破坏形式

在半跨竖向荷载作用下，结构呈非对称变形：荷载作用侧的波纹拱向下陷，另一侧则向上隆起。距离支座1/8～1/6跨度段的隆起侧应力较大，最先达到材料屈服应力值而发生破坏。

极限承载力与矢跨比的关系

从有限元分析结果可得出以下重要规律：

• 高拱和浅拱的极限承载力均低于矢跨比为0.25的标准波纹拱，浅拱降幅较小（全跨荷载下17.3%，半跨荷载下2.25%），而高拱降幅较大（全跨荷载下最大49.9%，半跨荷载下14.7%）
• 在全跨竖向荷载下，高拱极限承载力随矢跨比增大而快速减小，浅拱极限承载力随矢跨比减小而快速减小
• 在半跨竖向荷载下，矢跨比对高、浅拱极限承载力的影响相对较小
• 随着矢跨比变化，高拱在全跨荷载下与半跨荷载下的承载力差异变小，浅拱也有类似趋势但幅度相对较大

工程应用意义与参考数据

本研究成果对于拱形波纹钢屋盖结构的工程设计和施工具有重要参考价值。在选择矢跨比时，应根据实际荷载工况和结构跨度，合理权衡承载能力与经济性。江苏杰达钢结构工程有限公司拥有丰富的拱形钢屋盖设计和施工经验，可针对不同的工程条件提供定制化的结构方案。

常见问题

高拱与浅拱哪个承载力更强？

在相同荷载条件下，高拱的极限承载力均低于浅拱。这是因为高拱的矢跨比较大，在竖向荷载作用下容易产生较大的变形，导致结构刚度下降更快。因此在大跨度工程中需要根据具体的荷载和跨度要求进行专门设计。

矢跨比对承载力有多大影响？

矢跨比的影响因荷载工况而异。在全跨竖向荷载下，矢跨比的变化对承载力影响较大；而在半跨荷载下，影响相对较小。这说明在不同的使用工况下，应选择合适的矢跨比以获得最优的结构性能。

拱形波纹钢屋盖是否适合厂房应用？

拱形波纹钢屋盖因其自重轻、造价低、施工快等优点，在工业厂房和仓库等应用中广泛使用。但需要根据具体的跨度、荷载和地理条件，参考本研究的承载力数据进行合理设计和选择。

小结

本文通过有限元分析系统研究了高拱与浅拱波纹钢屋盖在不同矢跨比和荷载工况下的承载力特性。研究表明，矢跨比是影响承载能力的重要因素，在全跨荷载作用下影响更为显著。江苏杰达钢结构工程有限公司建议，在实际工程中应根据具体的建筑需求和荷载特点，结合本研究的数据和规律，合理确定波纹拱的矢跨比和结构尺寸，以获得安全可靠且经济合理的设计方案。

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