江蘇杰達鋼結構工程有限公司
金屬波紋拱形屋頂的跨度計算
大跨度拱形屋面結構體系（又稱(chēng)金屬拱型波紋屋蓋結構）是由預涂層卷板經(jīng)軋制后形成的一種外形呈拱型的屋蓋構體系。我國于1992年通過(guò)引進(jìn)美國的施工設備引進(jìn)了金屬拱型波紋屋蓋結構體系。由于這種結構具有用料省、施工速度快、跨越能力大、防水性能好等突出的優(yōu)點(diǎn)，很適合我國經(jīng)濟尚不發(fā)達，但卻持續高速增長(cháng)的國情，因此在建筑市場(chǎng)上表現出了空前的發(fā)展勢頭。
這種結構的主要特征如下：
1）結構由薄鋼板軋制而成：目前采用的材料主要為預涂層卷板，其基板有以下幾類(lèi)：熱鍍鋅鋼板、熱鍍鋅合金鋼板、熱鍍鋅鋁合金鋼板、熱鍍鋁鋅合金鋼板和電鍍鋅鋼板等，這些預涂層卷板的強度指標在210~550MPa之間，極限使用壽命可達40~50年。隨著(zhù)鋼材強度的提高、抗腐蝕能力的增強，結構所用的鋼板的厚度得以降低，結構適用跨度的范圍也得到擴大，目前常用的預涂層卷板基板的厚度在0.6~1.5mm之間，可實(shí)現的很大跨度40m。由于材料機加工性能優(yōu)良且薄鋼板之間難以實(shí)現栓焊連接，因此這種結構構件之間的連接采用鎖邊連接形式，鎖邊連接不僅改善了連接處的耐疲勞、耐腐蝕及防水性能，而且也簡(jiǎn)化了施工工藝，加快了施工速度。
2）結構靠在鋼板上軋制出波紋成型：將卷板變成拱型屋蓋需要二道成型工藝，第一步將鋼板軋成U型或梯形波紋直槽板，第二步通過(guò)在直槽板下部軋出橫向小波紋而將直槽板軋成拱型槽板，拱型槽板曲率大小就是靠板上橫向小波紋的深淺來(lái)調整的。雙向波紋徹底改變了原來(lái)鋼板的力學(xué)性能，第一步軋制成的槽形波紋極大地提高了鋼板的橫向剛度，是結構承載力的根本所在，第二步軋成的橫向的小波紋則可提高鋼板的局部穩定的承載力，增強結構縱向的抗彎剛度，突出結構的殼體受力特征，但同時(shí)也削弱了結構跨度方向的剛度，降低結構跨度方向上的穩定承載力。
3）結構呈拱型結構：金屬拱型波紋屋蓋呈拱型（或筒殼）結構受力機理，內力分布較均勻，故而可在無(wú)梁無(wú)檁的情況下獨立實(shí)現很大的跨度。
這種結構具有施工速度快、用料省、跨越能力大、防水防腐性好、色澤艷麗、造型美等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前這種結構可實(shí)現很大跨度為40m，而所用的鋼板厚僅為1.5mm，用鋼量約為22kg/m2。由于在制作、安裝過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節均通過(guò)機械操作完成，因而施工速度非常快，一般情況下一個(gè)臺班可制作安裝500~800m2，1萬(wàn)m2的屋蓋結構可在20天內完成。這種結構艷麗的色彩來(lái)源于材料的彩色涂層，同一建筑可選用多種顏色的彩板進(jìn)行組合。因受結構成型工藝的制約，這種結構主要為圓弧外形，但與國內常見(jiàn)的平屋頂及人字形屋頂相比不失為一種新的變化。另外不同曲率的圓弧，以及對圓弧拱殼進(jìn)行切割或相貫處理，可實(shí)現更為優(yōu)美的建筑造型。
但也應該看到金屬拱型波紋屋蓋結構也有其自身難以克服的缺點(diǎn)，如造型單一、截面形式固定等。另外從結構受力角度來(lái)看，這種結構的圓弧外形并非理想形式，因為常規荷載作用下，圓弧拱軸不是受力很合理的拱軸；對于一定特定的成型設備而言，只能軋制截面形式一定的一種槽板。這種結構沿整個(gè)跨度方向是等截面的，從受力角度看這也是不合理的。另外由于采用一定材料及一定板型的一定跨度的這種結構，其承載力取決于拱高和鋼板厚度，而研究表明在常用的鋼板厚度及拱高范圍內，變化這兩個(gè)參數對提高結構承載力的意義并不大，因此對于荷載較大或跨度較大的建筑，這種結構留給設計人員可供選擇的余地很小。
國內外發(fā)展和研究狀況
總的來(lái)說(shuō)這種結構的優(yōu)點(diǎn)是主要的，也正因為如此這種結構在世界范圍內得到了普及及推廣。有資料顯示在北美地區每年就有一萬(wàn)多棟建筑采用這種結構，當然由于前面提到的這種結構的一些缺陷，在發(fā)達國家這種結構多被用于對功能要求不太高的建筑和臨時(shí)建筑中。海灣戰爭更是為了這種結構作了活廣告，在海灣戰爭后的1992年我國通過(guò)引進(jìn)美國設備引進(jìn)了金屬拱型波紋屋蓋結構。由于這種結構蘊涵著(zhù)很大的經(jīng)濟及社會(huì )效益。非常適合我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的社會(huì )主義初級階段的國情，再加上天津大學(xué)，清華大學(xué)等科研機構在技術(shù)上的積極投入，這種結構在我國得到了蓬勃發(fā)展。我公司研制的W610、W120型機組在吸取國外先進(jìn)經(jīng)驗基礎上有很大的創(chuàng )新，前者軋制的板材具有更大的截面剛度，可實(shí)現更大跨度的建筑，而后者軋制的板材應用于較小跨度的建筑可實(shí)現更好的視覺(jué)效果。成型設備的國產(chǎn)化，大大地降低了設備購置費用，這對推動(dòng)這種結構在我國的普及推廣具有很大意義。短短幾年內我公司工程應用也驟增到每年10多萬(wàn)m2，應用領(lǐng)域涉及廠(chǎng)房、倉庫、展廳、禮堂、訓練館、體育館、餐廳、娛樂(lè )廳、加油站、營(yíng)房、車(chē)庫以及臨時(shí)建筑等方方面面。
從搜集到的有關(guān)資料看，國外關(guān)于金屬拱型波紋屋蓋結構研究成果的文獻主要發(fā)表于六、七十年代，文獻作者分別來(lái)自美國、加拿大、意大利、前蘇聯(lián)和澳大利亞等國，文獻內容涉及足尺試驗、構件實(shí)驗以及計算方法、設計思想等。盡管對這種結構進(jìn)行了理論及試驗研究并取得了很多成果，但這些成果多為互不聯(lián)系的學(xué)者所取得，很少有文獻對其進(jìn)行系統的分析和總結，更沒(méi)有從中提煉出實(shí)用的結構設計方法。
金屬拱型波紋屋蓋結構在國內出現的時(shí)間雖不常，但由于很多科研院所的熱情投入以及企業(yè)的積極支持，研究工作進(jìn)展很快，目前已有三家單位的研究成果通過(guò)國家鑒定，分別為清華大學(xué)兩家和天津大學(xué)一家。按金屬拱型波紋屋蓋結構拱腳連接方式可分為鉸接、固接支座兩類(lèi)。其常用的構造節點(diǎn)除支座節點(diǎn)（包括單跨、多跨）外，還包括單元板間連接、與山墻連接節點(diǎn)、拱腳防水防腐處理、屋面采光孔、采光帶設置、屋面通風(fēng)構造等。其中因板型的差異，節點(diǎn)處理上略有不同。
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