拱形波纹钢屋盖结构技术规程编制与应用实践

CECS167:2004《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》是世界上第一部专门针对拱形波纹钢屋盖结构的技术规程，于2004年正式颁布、2005年2月1日起实施。本文系统总结了规程编制组的主要研究工作、规程特点及工程应用实例，为设计师和施工人员提供了科学的技术依据。

规程编制的背景与意义

1998年9月，中国工程建设标准化协会下达了协会标准《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》的编制计划。经主编单位天津大学和各参编单位近5年的研究和工作，最终完成了编制任务。该规程为世界上第一本拱形波纹钢屋盖结构的专用技术规程，在编制过程中没有成熟的国际资料可以直接借鉴，编制难度很大。

规程编制组的主要研究工作

足尺模型试验研究

由于拱形波纹钢屋盖采用薄板（0.6~1.5mm）和细小波纹，无法通过缩尺模型试验研究其性能。规程编制组进行了20组足尺模型试验，跨度从7m到37.8m；另外鞍山东方彩板公司也进行了8组MIC-120型足尺试验。这些破坏性试验几乎涵盖了国内市场上所有板型。试验结论包括：

• 拱形波纹钢屋盖结构刚度较小，在荷载作用下变形较大，表现出显著的几何非线性特征
• 全跨荷载作用下的承载力远大于半跨荷载作用下的承载力
• 初始缺陷对破坏模态和承载能力都有很大影响，是一种缺陷敏感结构
• 槽板间的锁边连接质量对板件间协同工作和承载能力具有很大影响
• 结构板件上的横向小波纹可有效提高结构局部稳定承载力

局部屈曲与残余应力研究

南昌大学进行了波纹板组相关屈曲试验研究表明，波纹板组的屈曲承载能力明显高于平板板组，但波纹板组几乎没有屈曲后承载能力。波纹的特殊构形可以增大板件在垂直于波纹伸展方向上的刚度，相当于给平板加上加劲肋。

武汉工业大学运用钻孔法对拱形波纹钢屋盖结构中的残余应力进行了测试，分析了残余应力对结构承载能力的影响。

计算模型与设计方法研究

天津大学对拱形波纹钢屋盖结构的有限元计算模型进行了系统研究，提出了3种可能的有限元模型：两种壳体计算模型和一种拱计算模型。拱形波纹钢屋盖结构属于筒壳结构，但当结构跨度与纵向长度相比较小时，可简化为平面拱结构进行分析，大大简化了设计过程。

静力承载性能理论研究

采用大挠度有限元理论和弹塑性大挠度有限元理论，系统研究了结构纵向长度、山墙支承、支承条件、矢跨比、荷载类型等因素对结构承载力的影响。主要结论为：

• 在对称荷载作用下，无缺陷拱型波纹钢屋盖的失稳模态为非对称分枝屈曲；考虑缺陷影响则为非对称极值失稳
• 在半跨荷载作用下，失稳模态为非对称极值点失稳
• 在风荷载作用下，四周封闭的结构不存在稳定问题，表现为强度问题
• 固支条件下结构刚度大于铰支条件，但并非所有情况下承载力都更高
• 一般情况下，随着矢跨比增大，结构刚度和承载能力相应下降，较优矢跨比为0.2~0.25
• 支座位移会降低结构刚度和稳定承载力，但随矢跨比增加，敏感度降低

简化设计方法研究

由于二阶分析方法理论复杂、计算过程繁琐，不适于工程设计推广。规程编制组基于大量二阶分析，建立了一套基于一阶分析的简化设计方法。该方法只需进行一阶分析求出一阶内力，就可推导出二阶内力并判断结构安全性，大大降低了工程设计的复杂度。编制了拱形波纹钢屋盖结构设计软件ACSRSAP，具有良好的用户界面，可自动进行荷载组合、内力分析及承载力验算。

规程的主要特点

统一命名和适用范围

规程将这种结构统一命名为"拱形波纹钢屋盖结构"，并根据截面形状将板型统一命名为YJ和YT系列。根据实际工程应用的承载能力，规程规定这种结构适宜的跨度为30m以下。

由于该结构是薄壁钢结构，对集中荷载、动荷载敏感，规程不适用于强腐蚀、相对湿度长期较高、高温等特殊环境以及直接承受动力作用的建筑。

材料标准与质量要求

规程规定采用热镀锌或热镀铝锌彩涂钢板，牌号包括TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS350GD+Z等。基板厚度不得小于0.8mm，供货负偏差不得大于3%。彩涂板的抗力分项系数取1.17，大于冷弯薄壁型钢规范中的取值，提高了结构的安全度。

规程在附录中按使用环境腐蚀性等级要求了镀层重量和涂层技术性能。对彩涂板的贮存、装卸、表面划伤修补都提出了明确要求。构件尺寸的允许偏差有具体规定，不得使用有折曲损伤的构件。

结构设计方法

规程将屋盖结构与下部支承结构分开设计，简化了设计过程。拱脚通过连接角钢与柱顶边梁相连，简化为固定铰支座。当屋盖纵跨比满足要求（跨度不大于24m时纵跨比不小于0.5；大于24m时不小于0.8），可忽略结构纵向作用和山墙支承影响，简化为平面拱结构。

规程采用等效正交异性化方法处理波纹影响，通过改变等效平板厚度（不改变弹性常数）来处理波纹对刚度的影响。这种方法既巧妙地处理了局部稳定问题，又保持了物理意义明确。

结构承载能力通过一套基于一阶分析的方法进行验算，通过弯矩放大系数反映二阶效应。对于这种薄壁钢结构，采用了边缘屈服准则判断极限状态。

荷载与安全性

规程规定的荷载类型包括：自重、保温荷载、吊顶荷载、雪荷载（活荷载）、积灰荷载、风荷载。由于半跨雪荷载曾导致多起事故，规程对半�span均布雪荷载特别重视，基本雪压比标准提高了10%。

规程规定屋盖结构可不进行温度设计和抗震计算，但下部支承结构应按规范要求设置温度缝并考虑温度应力以及地震作用。拱形波纹钢屋盖对下部支承结构的反力可通过整体分析求得，但在下部结构刚度满足要求且屋盖支座处相对水平位移不超过100mm时，可不考虑协同工作，分开设计。

质量控制与验收

规程对材料、构件制作、安装等全过程的质量控制提出了明确要求。特别强调锁缝连接质量对结构承载性能的重要性，规定必须采用专门机械咬合锁缝，锁缝必须牢固平滑。将工程质量验收分为三个阶段：安装工程准备阶段、组合单元板安装阶段、安装工程竣工阶段。根据对结构性能影响的大小，将验收项目分为主控项目和一般项目，规定了各项的检验要求和方法。

规程应用中的设计步骤

按照规程进行设计的基本步骤为：

• 计算各类荷载的设计值，并确定设计荷载组合。主要组合类型包括自重类+全跨均布雪荷载、自重类+风荷载、自重类+半跨分布雪荷载等
• 计算结构单位宽度截面的各等效弹性常数
• 采用线弹性理论计算各截面的弯矩和轴力
• 求出各类荷载对应的结构弹性临界荷载
• 计算弯矩放大系数，推导二阶弯矩
• 按承载力公式验算各工况下各截面的安全性

工程应用案例分析

案例1：乌鲁木齐市30m跨工程

结构参数：跨度30m、拱高6m、板厚1.4mm、板型YT6118、钢板牌号TS280GD+Z、设计强度235MPa。荷载标准值：自重0.20kN/m²、基本雪压0.75kN/m²、活荷载0.30kN/m²、基本风压0.60kN/m²。

计算结果表明截面最大应力超过设计强度，应力比大于1，结构不安全。该工程1999年6月完工，于2000年1月在一场大雪后倒塌。勘测表明施工质量很好，说明设计本身就存在问题。

案例2：鞍山市33m跨工程

结构参数：跨度33m、拱高6.6m、板厚1.25mm、板型YT6118、钢板牌号TS280GD+Z、设计强度235MPa。荷载标准值：自重0.18kN/m²、基本雪压0.40kN/m²、活荷载0.30kN/m²、基本风压0.55kN/m²。

计算结果表明结构不安全。此工程建于1995年，于1997年1月在大雪后塌落，地点在辽宁省鞍山市。足尺模型试验表明，结构在半跨雪荷载作用下的承载能力不足是导致事故的根本原因。

常见问题

拱形波纹钢屋盖为什么会发生坍塌？

历史上多起坍塌事故均由半跨雪荷载引起。这是因为结构在全跨荷载作用下的承载力明显大于半跨荷载作用下的承载力。设计时如果没有正确计算半跨荷载工况，或者忽视了这种结构的特殊性，就容易导致设计不足和事故发生。

为什么规程特别强调锁缝连接质量？

研究表明，槽板之间的锁边连接质量直接影响板件间的协同工作和整个结构的承载能力。不良的锁缝连接会严重削弱结构的刚度和承载力。施工时必须采用专门机械进行咬合，确保锁缝牢固平滑。

拱形波纹钢屋盖的理想矢跨比是多少？

规程研究表明，综合考虑各种荷载工况和结构对缺陷的敏感度，这种结构的较优矢跨比应为0.2~0.25。在对称荷载下较优矢跨比为0.2~0.25，在半跨荷载下为0.15~0.25，在风荷载下也为0.15~0.25。

小结

CECS167:2004《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》的编制过程积累了丰富的理论研究和工程经验，为这种新型结构的设计和施工提供了可靠的技术依据。规程基于足尺试验、有限元分析和理论研究，建立了一套完整的设计方法和质量控制体系。江苏杰达钢结构工程有限公司严格按照CECS167规程的要求进行拱形波纹钢屋盖结构的设计和施工，确保工程质量和结构安全性。在实际应用中，设计人员必须重视半跨荷载工况、质量控制特别是锁缝连接质量、以及矢跨比的合理选择，以避免历史上曾发生过的类似事故。

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