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《拱型波纹屋盖结构研究发展现状及存在的问题》张德生

拱形屋顶厂家 2019-07-19 10:30:26 学术论文 602 ℃ 0 评论

论文标题:拱型波纹屋盖结构研究发展现状及存在的问题

作者:张德生, 李远瑛

(嘉应学院土木工程学院, 广东 梅州 514015)

摘 要: 波纹拱型屋盖结构具有自重轻、室内空间大、造型优美、施工周期短、防水性能好、集受力与维护功能于一身等诸多优点。 我国于 1992 年通过引进美国设备而引进了该种结构体系, 并得到了广泛应用. 但由于拱型波纹屋盖的受力性能、破坏机理和破坏模态极为复, 没有被工程技术人员完全了解, 也没有形成统一的计算模型、计算方法和分析方法. 虽然有了5金属拱型波纹屋盖结构技术规程6和已经通过国家验收的计算软件, 但规程没有提供给设计者使用的更加详细的计算图表, 在一定程度上阻碍了规程的实际应用, 尤其近几年出现的一些工程事故, 严重阻碍了这种结构的健康发展. 本文通过总结拱型波纹屋盖结构在国内外的研究发展现状、实际应用现状以及存在的问题, 提出了该结构在今后理论研究和实际应用的建议.

关键词: 拱型波纹屋盖; 研究现状; 问题

中图分类号: TU393. 3 文献标志码: A 文章编号: 1006-6578( 2010) 04-0080-07

ABSTRACT: Corrugated arch roof structure has many advantages, such as light weight, large indoor space, beautiful shape, short construction period, good waterproof performance, integration of stress and maintenance functions, etc. In 1992, China introduced this kind of structure system by introducing American equipment, and it has been widely used. The mechanical properties, failure mechanism and failure modes are very complex, which are not fully understood by engineers and technicians, and there is no unified calculation model, calculation method and analysis method. Although technical specification 6 for 5-metal arch corrugated roof structure and calculation software which has passed the national acceptance test are available, the specification is not provided to designers. The use of more detailed calculation charts, to some extent, hinders the practical application of the code, especially some engineering accidents in recent years, which seriously hinders the healthy development of this structure.This paper summarizes the research and development status, practical application status and existing problems of arch corrugated roof structure at home and abroad. Suggestions on theoretical research and practical application of the structure in the future are put forward.


拱型波纹屋盖 ( Arched Corrugated MetalRoof) 是一种典型的冷弯薄壁轻钢结构,它是用专门自动房屋建筑机组 ABM ( Automatic BuildingMachine) ,先将厚度为 0. 6mm~ 1. 6mm 的建筑彩色涂层钢板冷弯压制成侧边槽形或斜侧边槽形截面板, 再滚压成褶皱圆弧单拱,最后把各单拱沿侧边用锁边机依次连接而成的一种轻型钢结构房屋。

我国于 1992 年通过引进美国设备而引进了该种结构体系。短短的十几年间,这种结构在我国就迅猛发展,应用领域不断拓展, 建筑面积不断增长。

但由于拱型波纹屋盖的受力性能、破坏机理和破坏模态极为复杂, 没有被工程技术人员完全了解,也没有形成统一的计算模型、计算方法和分析方法,尤其近几年出现的一些工程事故,严重阻碍了这种结构的发展。本文通过总结拱型波纹屋盖结构在国内外的研究发展现状、实际应用现状以及存在的问题,提出了该结构在今后理论研究和实际应用的建议。


一、拱型波纹屋盖结构研究现状

1. 1波纹屋盖结构的特点及截面形式

拱型波纹屋盖结构是板架合一的结构,结合机械生产工艺过程及其材料性能, 可知该结构与其他传统屋顶相比具有以下特点:

(1)造价低: 采用 0. 6mm~1. 6mm 厚的镀锌钢板实现了集受力、围护为一身的结构体系,,跨度一般在30m 以下不需要檩条和屋架,自重轻,用料省。

(2) 建筑空间大: 根据压制成型截面形式和应用的钢板厚度不同,结构跨度可为3. 0m~ 24. 0m,拱的矢高与跨度之比可为 1/ 5~ 1/ 2, 而且无拉杆;

(3)屋面与承重结构为一体:彩色涂层钢板既是建筑维护面层,又是屋盖的承重结构,是集受力、围护为一身的结构体系;

(4)施工简捷,建造快速:采用机械化施工手段,自动化的施工设备,专业化的施工队伍,使得屋盖结构建造快速,工期短。

(5)造型美观:拱型屋面,立面可随意设计,造型风格多变,彩色钢板屋面可美化建筑群整体风貌;

(6)建筑构造多样、适应性强:此建筑结构既可设计建造成落地式,又可用于拱顶房屋,还可配合传统结构施工大跨度屋面。

目前我国应用较广泛的各类金属拱型波纹屋盖单拱的截面形式如图1所示:

从拱型波纹屋盖结构的特点和国内外的工程实际经验得出,该结构多用在湿度不大和无强烈侵蚀性介质环境的建筑中, 如:

(1)体育场馆: 球类馆、游泳馆、训练场、健身房、武术馆等。

(2)仓库类建筑: 中小型飞机库、汽车库, 物资、设备的储存、运输周转用房。

(3) 商贸类建筑: 商贸市场、大中型超级市场、展览厅、游艺、娱乐厅。

(5)重量小于 5t 的轻中级桥式吊车的工农业品加工制作、装配车间。

(6)会议及等候厅: 会议厅、礼堂及火车、轮船、汽车、飞机等侯厅、售票厅、站台等。

波纹拱由于具有上述诸多优点和使用范围,很适合我国目前的经济状况与国情,因此具有很强的生命力,并已在工程实际中得到广泛的应用。


1. 2拱型波纹屋盖结构在国外的研究现状

拱型波纹屋盖作为冷弯型钢结构的一个分支,产生 19 世纪 80 年代。该结构的第一个专利于 1896年在美国出现. 它是由美国的结构工程师从自然界植物表皮纹理的结构造型中受到启发,利用仿生原理以薄钢板为材料,通过波纹加劲做成跨度较大的屋盖结构,1955年美国将这种屋盖用于军事( 战斗机库、营房等) 。当时国际上对这种结构形式的研究、开发和生产被美、英、韩等国家的几家大公司( 如美国的 MIC 公司、韩国的 K-SPAN 公司) 垄断。从所查的资料、文献看来,国外关于拱型波纹屋盖结构研究成果的文献主要发表在20世纪 60、70 年代,文献内容涉及有足尺模型试验、构件试验以及结构计算方法、设计思想等。

1. 2. 1结构的弹性分析

文献采用壳体计算模型分析该结构。三者均采用了等效正交异性化方法来考虑波纹构造的影响, 即将波纹板等效成厚度相同,但力学性能上表现为正交异性平板。这里的正交异性不是由实际材料本身引起的,而是由于加工过程中形成的波纹引起的,即构造上的各向异性。

文献[4]取一条拱型槽板为研究对象,通过曲面壳单元模拟拱型槽板的实际形状,并利用等效正交异性化方法考虑横向小波纹对波纹拱受力的影响。文献[5]忽略了结构上的横向小波纹的影响,把带有纵向大波纹的整体屋盖影响等效成一个大的正交异性壳,并采用经典的壳理论建立整体结构的平衡方程,用解析法实现对这种结构的线性分析。文献[6]采用能量法和壳体有限元分析了这种正交异性壳。但是上述几篇文献均发表在20世纪70年代,当时这种结构适用的跨度较小,且所用钢板较厚,因此忽略了该结构变形的非线性,只采用线弹性理论分析。

1.2.2结构弹塑性分析

上世纪80年代以后,由于波纹拱应用范围的增大和钢板厚度的减小,人们开始注意到这种结构的几何非线性行为。

文献[7]采用了拱计算模型对该结构进行了几何非线性有限元分析,并进行了6组足尺模型试验,跨度有15.6m、18m及21m,相同跨度各有两组试件。其中18m和21m跨度的波纹拱由10个单拱组成,通过悬挂梁式系统、液压千斤顶加载使试件获得均布竖向荷载,研究结构在对称均布荷载(雪荷载)和非对称均布荷载的变形。15.6m跨度的波纹拱由5个单拱组成,研究结构在局部集中荷载和跨中线性分布荷载作用下结构的承载能力及变形情况。试验结果为:18m跨的单层波纹拱在对称的竖向荷载作用下,结构的变形是非线性的,并在均布荷载。4kPa时结构的变形对称;但随着荷载的增加结构的变形为不对称,刚度急剧减少;qe=0.71kPa时,结构丧失承载能力,发生局部屈曲破坏。21m跨的三层波纹拱(上下两层为钢板,中间层为聚氯乙烯泡沫)在非对称的竖向荷载作用下,结构的变形是非线性的,且变形在qe=0.7kPa时迅速增加;qe=1.65kPa时,结构丧失承载能力,发生局部屈曲破坏。15.6m跨单层波纹拱在竖向集中荷载作用下,结构的变形开始是线性的(P[1。4kN),随着荷载的增加,变形转为非线性,且结构的跨中挠度增加最快,有局部屈曲发生;P=3.7kN时,结构丧失承载能力。计算结果表明,由于波纹拱翼缘横向波纹的存在导致结构的承载能力降低;有集中荷载作用的波纹拱,其钢板厚度不小于1mm,且集中荷载不大于2kN。

文献[8]首先提出了该结构的几何非线性问题,并采用/有效宽度0的概念考虑结构的局部稳定问题,而对整个结构采用拱计算模型,取单位宽度的屋盖为研究对象,以其刚度进行结构计算。

从美国、韩国等的一些商业分析软件来看,国外对这类结构的设计均采用平面拱模型,即沿屋盖纵向取单位长度,并按平面拱进行整体稳定验算;结构的局部稳定问题有的软件不予考虑,有的软件则是通过取有效宽度予以考虑

国外一些学者从弹性、弹塑性研究这种结构,但研究成果比较分散、互不联系,还没有看到文献对其进行系统的分析和总结,更没有人从中找到更适合的设计方法。

1.3拱型波纹屋盖结构在国内的研究现状

在海湾战争后的上世纪80年代末我国曾派人到美国进行考察,并于1992年通过引进美国设备而引进了该结构。同时在北京、上海、武汉和徐州等地同国外进行联营开发,取得了较好的经济效益。1993年中新集团房屋建设总公司从美国MIC实业公司引进了MIC-120、MIC-240、MIC-355、MIC-350四个机组,但是设备从国外引进不仅价格昂贵,技术保密,而且又不能充分利用国内的材料,也不适合我国的国情。为此,北京银河金属屋顶成型技术研究所和天津大学土木工程系结合国外先进经验,共同研制和开发了一种新型的金属屋顶--银河金属拱型波纹屋顶(MMR)。1997年初,武汉钢铁(集团)[W666型金属拱型波纹屋顶]公司结合武钢生产的建筑彩色涂层钢板,并参照国内外的经验开发出一种属于该公司自己的产品--W666型金属拱型波纹屋顶等。它们在吸取国外先进经验的基础上都有很大的创新,并已经大量地应用到实工程中去。在短短几年内,国内涌现了大批工程施工单位,工程应用面积也增加到每年几百多万平方米。这无疑使这种结构在我国有了发展的空间,并且这种结构体系也很适合我国的国情。近十几年来,对拱型波纹屋盖主要进行了计算方法的简化、结构静载作用下的承载能力及结构动力特性的研究。

1996年刘锡良教授首先撰文,介绍银河屋顶(MMR)的成型技术、特点、应用范围和工程实例,分析了波纹拱的受力特点,并提出该结构的两种分析方法--有限元法和样条有限元法[1]。该文促进了金属拱型波纹屋盖在我国的推广和应用,并为波纹拱的理论研究提供了一定思路。

刘锡良教授在文献[9]提出采用复合样条有限条法分析U型截面波纹屋顶设想。此法把各U型单拱之间紧靠在一起的两腹板和咬边部分看作肋骨,则波纹拱简化成正交异性加肋圆柱壳。沿波纹拱屋面纵向取条元,则条元中包含有许多一段段横向肋骨可简化为空间梁单元,其两端节点位于条元两节线上,位移可由条元节线位移参量表示。求出梁元的刚度矩阵并叠加到条元中,即得复合有限条刚度矩阵。该文沿条元解析方向采用三次B样条值函数,从而能够处理复杂的边界问题,且收敛性较好,精度高。

张福海等[10]克服了传统壳体有限元中平板型壳元存在的单元之间位移不协调,膜元与板元的位移阶次不匹配和单元共面造成刚度矩阵奇异等问题,以两单元公共边平均位移为位移协调条件,并在膜元中引入了平面内旋转自由度,在参照GQ12平面膜元和LGC)Q12薄板弯曲元的基础上,构造了一种广义协调的平板型任意四边形壳元,可用于金属拱型波纹屋顶的几何非线性有限元分析。

张勇在文献[11]中设计并实施了16组金属拱型波纹屋盖结构足尺模型试验,在系统总结波纹板件研究成果的基础上确定了金属拱型波纹屋盖结构考虑波纹影响的近似分析方法,并通过对比分析阐明了涉及波纹影响后这种结构的局部稳定问题不再是理论分析的主要问题;根据非线性有限元法基本原理,结合一种广义协调平板型四边形壳单元,编制了适用于壳梁杂交结构几何非线性分析的有限元程序(SBSNAP),利用建立的壳体计算模型对结构进行了参数分析;编制了平面杆系结构几何、物理非线性有限元分析程序(PFSDNAP),建立拱计算模型对结构的平衡路径进行了全过程跟踪分析;并在理论和试验研究的基础上确定了这种结构的简化设计方法及设计步骤,编制了结构分析设计软件(AC-MRSAP),并运用该软件进行了大量工程试设计,从中验证其简化设计方法的合理性及可操作性。

清华大学李少甫教授等[2,12]以MIC型波纹拱为研究对象,把各单拱简化为开口薄壁圆弧拱,采用梁元进行模拟,对该结构进行了大挠度几何非线性分析,并编制了相应的程序MASSAP。该程序可考虑风、雪、结构自重、积灰荷载、温度变化、支座位移作用及其不利组合,对拱壳进行强度和稳定分析,并可输出相应计算结果,为设计提供依据。同时并提出把单拱等效为压弯杆构件的简化方法,以边缘屈服为准则,按普钢规范验算其平面内稳定。其中,拱平面内计算长度L0=0.55s(两铰拱)或L0=0.36s(无铰拱)。

清华大学郭彦林教授等提出了波纹拱的折曲屈曲破坏模型,认为折曲屈曲是导致波纹拱屋面结构最终丧失承载能力的直接原因,主要是由拱上最大负弯矩引起的,最易在半跨荷载和风载作用下发生并伴随着板单元的局部屈曲或局部折曲屈曲,并具有极强的突然性。

郭彦林教授等在文献[14]中又提出了一种斜拉式彩板波形拱壳结构。通过设置斜拉杆可以限制波纹拱在非加载半跨区域向上拱起的挠曲变形,降低了该结构发生折曲屈曲破坏的可能性,解决了这种结构在半跨均布荷载作用下稳定极限承载力偏低的缺陷,为这种新型结构的推广开辟了广阔的前景。

武汉理工大学蒋沧如教授、李桂青教授、王小平博士等[15]以W666型波纹拱为研究对象,测试了波纹拱在加工成型过程中所产生的残余应力,在考虑横向波纹和残余应力的前提下提出了一种新的简化计算模型,并分别通过试验手段和有限元方法得到了简化计算模型的等效材料常数;同时对W666型18m跨和30m跨波纹拱进行了足尺的静载、残余应力、动力特性等方面的测试;利用目前国际上较为通行的有限元分析程序SAP93对简化模型进行了静力、稳定和动力特性分析,理论分析和实测结果基本吻合,取得了重要的理论和试验结果。

文献[16]对6组波纹梯形截面板组进行了轴心和偏心受压的局部稳定承载能力试验研究,分析了波纹和侧边约束对板组稳定性能的影响。结果表明,波纹梯形截面板组具有较高的局部屈曲承载能力,但几乎没有屈曲后承载能力,与平板板组的屈曲特性相比有显著差异。波纹板组屈曲时,壁板会发生板面外挠曲,由于波纹特殊构型(截面对其形心轴的惯性矩较大),使沿波纹两个正交方向的弯曲刚度远大于平板板组的抗弯刚度,文献[16]认为这是波纹板组的屈曲承载能力高于平板板组的主要原因。板组屈曲后,平板板组截面上应力发生重分布,最大应力向壁板交线处移动,使截面有继续承载的能力,板组的屈曲后承载能力基本上取决于截面棱角部分的材料性能。但对波纹板组而言,截面的应力集中处除棱角部分外,还可能在波纹构造的波峰、波谷位置,在其复杂的受力机理作用下,截面达到局部屈曲承载能力时,这些部位的材料已进入塑性,从而导致波纹板组一旦屈曲后便很快破坏从而失去继续承载的能力,即波纹板组几乎没有屈曲后承载能力。这也部分解释了拱型波纹钢屋盖结构往往突然发生垮塌事故的原因。

文献[17]利用SAP93有限元通用程序对文献[15]在不同支座条件下的18m、24m、30m跨波纹拱进行了动力模态分析,并输入典型地震波研究了该结构的动力响应。另外,针对波纹拱在水平力作用下会产生不对称的向上拱起变形而发生局部屈曲破坏,提出一种在水平地震作用下的位移控制方法。通过对其进行静动力有限元分析以及静力弹性稳定有限元分析表明,该方案是可行的,而且对提高结构的竖向承载力具有较好的效果。文献[19]运用广义协调元对银河金属拱型波纹屋盖作了动力性能的研究。

文献[19]运用ANSYS计算软件分析了拱型波纹屋盖结构在风荷载作用下的性能,结果表明拱型波纹屋盖结构在不同支座边界条件、不同矢高比、不同跨度时,风荷载作用下的荷载)位移变形曲线是非对称的,并且在3/4跨处出现了向上的拱起变形,且随着矢高比、跨度的增加而增大,支座为铰支的波纹拱比支座为固支的波纹拱更明显。同时提出了应对该种结构进行风洞试验,研究结构在风荷载作用下的受力性能。

此外,还有许多学者对该种结构的优化设计、施工吊装、拱型形波纹钢屋盖增强方法等方面进行了相应的研究[20-28]。这些学者的研究成果为该结构在实际工程的广泛应用奠定了一定的理论基础。


二、存在的问题

尽管金属波纹拱壳结构以其诸多的优点在我国得到了广泛应用,但在使用、施工中出现了一些坍塌事故,如:辽河饲料6栋彩板屋顶、沈阳市苏家屯区某农贸市场、西丰县某农贸市场及2000年1月的中储粮阜康直属库、2003年7月的广东湛江国储库、2000年4月的中谷山东梁山中禾康粮库、2004年12月的中储粮曹县直属库、2006年1月的中储粮郑州直属库和中储粮阜阳直属库等[29],2007年3月东北地区雪灾又有这种结构的房屋倒塌。出现结构坍塌的主要原因是目前我国对于这种结构的工作性质、破坏机理及特殊荷载(雪和风荷载)作用下的受力性能等关键技术问题研究还不透彻。虽在国内进行了一系列试验研究及理论分析,也已经有了相应的金属拱型波纹屋盖结构技术规程,但自规程颁布以后,学术界对该结构进行系统研究的相对较少。

规程也没有象其他结构规程或规范提供给设计者更详细的计算表格,在一定程度上阻碍了该结构的实际应用。通过近几年出现的一些工程事故的分析和总结,拱型波纹屋盖结构存在以下几个方面的问题。

(1)结构设计、计算方法仍不尽合理。该种结构我国尚没有完整的设计计算方法,承接工程的单位系采用从国外引进的软件,结合我国的钢结构设计规范进行设计的。从国外的计算机软件分析可以看出,国外这类结构的设计均是按照平面拱理论,假设整个结构纵向所受荷载对称,沿纵向取单位长度,其刚度按平面拱进行分析计算。对于结构的局部稳定问题,有的软件不予考虑;有的软件在结构截面验算时通过有效宽度予以考虑,而结构的整体稳定均套用普通钢结构稳定计算公式。这种方法模型简单、计算简捷,按此方法设计的屋顶结构在设计荷载下均有相当大的安全储备,但实际上遇到大雪、大风等特殊荷载,结构就可能发生破坏。因此,按平面拱理论设计这种结构,其结果是不安全的。

(2)结构上肋板和壳板上均压有细小的横向波纹,这相当于把直槽板压成了折板。在折板的两个弹性主轴方向上,两者的弹性刚度相差悬殊。波纹的存在(有较大的初弯曲)对结构极限承载力起了不可忽视的削弱作用,在设计时要考虑波纹的存在。

(3)结构腹板宽厚比远远超出规范的要求,结构局部稳定的考虑仅通过有效宽度来实现,有效宽度的取值便没有依据,更何况腹板上波纹的存在对截面应力分布的影响不可忽略。

(4)波纹对拱形波纹钢屋盖结构板组稳定承载性能的影响很大,计算中必须考虑波纹对结构稳定承载能力的影响。

(5)薄壁壳体结构对各种构造缺陷极为敏感,施工质量对结构承载力的影响难以定量估计。

(6)拱型波纹钢屋盖对风、雪作用非常敏感,因风、雪作用导致该屋盖发生坍塌时有发生。文献[19]只是对风、雪作用简化成静荷载进行了非线性稳定性分析,这和实际的风、雪作用还有很大差别。

(7)施工质量存在缺陷。拱板之间咬合不牢,屋盖未形成连接紧密的整体空间结构,致使超载部位因相邻板带不能协同工作而发生扭曲,进而导致整体破坏。通过事故调查发现,板带之间的连接咬合口撕开拉脱的,多数为在屋面上咬合的接口,而在地面组合的咬口却极少拉脱。说明屋面咬合的接口不牢,使屋盖整体性受到影响。


三、建议

(1)必须从设计、构造、施工各方面逐步完善,制定出更加有针对性的设计、施工规范、规定及质量验收标准,使设计、施工有法可依,以便引导这种结构健康发展。

(2)压型拱板的横向波纹对结构受力影响很大分析中要考虑波纹效应。

(3)由于拱形波纹屋盖结构对各种缺陷较敏感,其屈曲模态发生并不单一,屈曲模态不同相应的稳定承载性能也迥异。有必要进一步研究拱形波纹屋盖结构在不同结构几何尺寸、截面形状、缺陷和荷载作用形式下的屈曲性能,特别是结构局部屈曲和畸变屈曲状态下的稳定性能。规程给出的简化设计方法未能考虑不同屈曲模态对其极限承载能力的影响,尚需进一步改进[30]。

(4)系统地进行拱型波纹屋盖试验,特别是在风、雪作用下的试验研究。因为目前倒塌的实际建筑主要是在雪载、风载作用下破坏时最严重,在风、雪作用下容易发生失稳破坏[19],所以有必要通过风洞试验来研究结构的受力性能。

(5)通过研究拱形波纹屋盖的变形特点和破坏模态,可以寻求拱形波纹钢屋盖增强(加固)方法,以提高结构的刚度和承载能力。

(6)施工单位要严格按照规程进行施工,使每榀屋盖连接可靠,减少施工缺陷。

(7)通过试验研究和理论分析,应该更加完善规程中的节点类型、计算表格等内容。


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《拱型波纹屋盖结构研究发展现状及存在的问题》原文PDF截图

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