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拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前國內(nèi)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)工程中采用的彩涂鋼板，絕大多數(shù)是由寶鋼生產(chǎn)的熱鍍鋅彩色涂層鋼帶，也有一小部分是武鋼生產(chǎn)的熱鍍鋁鋅彩色涂層鋼帶。這兩種彩涂鋼板的基板均為冷連軋鋼帶。冷連軋鋼帶經(jīng)熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅工藝后，材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一些變化；另外，這類結(jié)構(gòu)采用的冷連軋鋼帶的物理化學(xué)指標(biāo)也與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)綱》和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的Q系列鋼材有很大不同，是一種高強(qiáng)度、低含碳、中合金、低硫磷含量的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)用鋼材。歐洲已有專門的連續(xù)熱鍍鋅/熱鍍鋁鋅鋼板及鋼帶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我國目前尚無這方面的專用標(biāo)準(zhǔn)，所以如何命名材料、如何規(guī)定材料的理化指標(biāo)，一直是困擾本《規(guī)程》編制的問題。2004年11月國家標(biāo)準(zhǔn)《彩色涂層鋼板與鋼帶》GB/T12754（修訂本）通過了專家審查，其中明確了彩涂鋼板的鋼材牌號(hào)，因此本《規(guī)程》直接按該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用，即熱鍍鋅彩涂鋼板牌號(hào)TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS350GD+Z和熱鍍鋁鋅彩涂鋼板牌號(hào)TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ、TS320GD+AZ、TS350GD+AZ等。這些鋼材的理化指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定。為便于設(shè)計(jì)采用，在《規(guī)程》的條文說明中給出了上述牌號(hào)鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)。需要明確的是，彩涂板的力學(xué)性能指標(biāo)是指基板（含鍍層)的力學(xué)性能指標(biāo)。當(dāng)需進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采用除去涂層的基板做試樣。

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)所用基板厚度一般在1.5mm以下，屬于超薄鋼板。它受缺陷的影響較大，而目前尚缺乏這類板材制造偏差等的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。為提高結(jié)構(gòu)的安全度，《規(guī)程》將彩涂板的抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.17，大于國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018一2002中抗力分項(xiàng)系數(shù)的取值。

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的承載性能受基板厚度的影響很大，基板厚度太小一方面直接降低了構(gòu)件截面的計(jì)算剛度，另一方面會(huì)放大構(gòu)件成型過程中所形成的各種缺陷的作用，因此《規(guī)程》規(guī)定，拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的基板厚度不得小于0.8mm，且基板厚度的供貨負(fù)偏差不得大于3%。規(guī)程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度中已考慮了3%以內(nèi)的板厚負(fù)偏差；對(duì)大于3%負(fù)偏差造成板厚的不足，《規(guī)程》規(guī)定在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)予扣除。

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的防腐性能依賴于鍍層和涂層的類型和厚度，具體的耐久性還與建筑物的使用環(huán)境有關(guān)?！兑?guī)程》在附錄A中按使用環(huán)境腐蝕性的不同給出了彩涂板鍍層的重量要求，以及不同面漆類型二涂二烘涂層的各項(xiàng)技術(shù)性能要求。相關(guān)內(nèi)容均引自國家標(biāo)準(zhǔn)《彩色涂層鋼板及鋼帶》GB/T12754（修訂本）。

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)一般在兩拱腳處通過布置在柱頂邊梁上的連接角鋼與下部支承結(jié)構(gòu)相連，這種連接構(gòu)造只能約束拱腳的平動(dòng)位移，轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度很小，所以可簡化成固定鉸支座。若考慮柱頂水平位移的影響，可進(jìn)一步將下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋蓋的支承作用簡化成具有一定水平支座位移的固定鉸支支座。研究表明，由于屋蓋剛度較小，在《規(guī)程》允許的范圍內(nèi)，柱頂水平位移，（即屋蓋支座水平位移）對(duì)屋蓋承載力的影響不大（在5%以內(nèi)），所以《規(guī)程》限制了屋蓋支座處的水平相對(duì)位移，而在屋蓋結(jié)構(gòu)分析中不再考慮支座位移的影響。這樣屋蓋結(jié)構(gòu)便成了兩邊固定鉸支的筒殼結(jié)構(gòu)。

通過采用三維模型分析了屋蓋縱向長度、屋蓋兩端山墻的支承作用以及山墻處風(fēng)荷載的縱向作用對(duì)結(jié)構(gòu)跨度方向承載力的影響。發(fā)現(xiàn)只要結(jié)構(gòu)的縱向長度與跨度的比值滿足一定要求，屋蓋的縱向作用對(duì)面內(nèi)承載力的影響可忽略不計(jì)。為方便設(shè)計(jì)，《規(guī)程》規(guī)定當(dāng)跨度不大于24m時(shí)，屋蓋的縱跨比不宜小于0.5；當(dāng)跨度大于24m時(shí)，縱跨比不宜小于0.8。當(dāng)屋蓋結(jié)構(gòu)滿足此要求時(shí)（這個(gè)要求在實(shí)際工程中很容易達(dá)到），便可忽略結(jié)構(gòu)的縱向作用和屋蓋山墻支承作用的影響，將屋蓋簡化成拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)是一種薄壁結(jié)構(gòu)，組成板件的局部穩(wěn)定性問題必須予以重視。由于成型的需要，拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)上壓有許多橫向小波紋，小波紋對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有很大影響：

一方面可提高鋼板的局部穩(wěn)定承載力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的縱向抗彎剛度，另一方面則削弱了結(jié)構(gòu)跨度方向的剛度、降低了結(jié)構(gòu)跨度方向的穩(wěn)定承載力。因此，計(jì)算時(shí)還必須考慮小波紋對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。另外，拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度較小，在荷載作用下具有典型的幾何軟化特征，因此結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)也是設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的。

《規(guī)程》對(duì)于板件上橫向小波紋的影響采用了等效正交異性化方法，具體是在建立拱計(jì)算模型時(shí)運(yùn)用了一個(gè)技巧，即按照等剛度原則改變等

效后平板的厚度，而不改變等效后平板的彈性常數(shù)。這樣可將拱板截面等效成板厚變化的不帶波紋截面，這種做法使得平截面變形假設(shè)仍然成立，而且物理意義明確。另外，計(jì)算表明采用這種方法等效后的結(jié)構(gòu)截面剛度降低很多，甚至比采用有效寬度法考慮不帶波紋的平板局部失穩(wěn)問題對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的削弱更大。而理論及試驗(yàn)均已表明，波紋板的局部穩(wěn)定承載力遠(yuǎn)較平板的局部穩(wěn)定承載力大，因此《規(guī)程》的做法很巧妙地處理了這種結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定問題。

結(jié)構(gòu)的二階分析方法雖然可以很好地反映結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)，但由于這種方法理論及計(jì)算過程均較復(fù)雜，因此難以作為一種通用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法而被《規(guī)程》采用。在對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量二階分析的基礎(chǔ)上，《規(guī)程》給出了一種基于結(jié)構(gòu)一階分析的簡化設(shè)計(jì)方法。該方法只需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一階分析，求出結(jié)構(gòu)的一階內(nèi)力，便可推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的二階內(nèi)力，并進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的安全性。

研究表明，在荷載作用下這種結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是荷載與結(jié)構(gòu)變形之間的顯著非線性關(guān)系；另一是荷載與彎矩內(nèi)力之間的顯著非線性關(guān)系。而當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載之前，荷載與軸力之間的關(guān)系基本上是線性的。由于變形控制是為了滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求，而對(duì)于拱形屋蓋結(jié)構(gòu)主要是滿足人們的心理安全要求。因拱形屋蓋即便產(chǎn)生較大的變形，人在室內(nèi)

也不易察覺，所以《規(guī)程》不要求對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。

荷載與彎矩之間的非線性關(guān)系，規(guī)程通過公式（1)反映：

M。=EB1M(1）

即結(jié)構(gòu)的非線性彎矩M。等于線性彎矩M.乘以彎矩放大系數(shù)A，A則可通過公式（2)求出：

A=1(2）iggen

很終，結(jié)構(gòu)的承載能力通過式（3)檢驗(yàn)：

M，Ma+語≤f(3）

從形式上看（3）式是一個(gè)強(qiáng)度驗(yàn)算公式，但由于考慮了結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)可能時(shí)，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)穩(wěn)定驗(yàn)算公式。對(duì)于拱形波紋鋼屋蓋這種典型的薄壁鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈服點(diǎn)后的剩余承載力非常有限，因此這里的穩(wěn)定承載力驗(yàn)算采用了邊緣屈服準(zhǔn)則?！兑?guī)程》根據(jù)不同板型給出了考慮板上波紋影響后的截面剛度Am、Ia、Wa，以及公式中Y、q。等參數(shù)的計(jì)

算公式。

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的組成板件很薄，因此不能用來承受大的懸掛荷載，更不能承受直接動(dòng)力荷載。實(shí)際工程中，這種結(jié)構(gòu)所受荷載類型比較單一，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的荷載主要有：自重、保溫荷載、吊頂荷載、雪荷載（活荷載）、積灰荷載、風(fēng)荷載等。國內(nèi)許多拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的坍塌事故均由半跨雪荷載引起，因此，按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，《規(guī)程》對(duì)這類結(jié)構(gòu)的基本雪壓提高了10%，即Sk=1.1μ,S。

4.2、下部支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的下部支承結(jié)構(gòu)有鋼框架、混凝土框架以及配筋混凝土墻體等多種做法。拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的反力可通過對(duì)屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的整體分析求得。但研究表明，當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的剛度滿足一定要求時(shí)，整體計(jì)算得到的反力與按兩固定鉸支模型單獨(dú)計(jì)算屋蓋得到的反力相差不大。所以，為了簡化設(shè)計(jì)過程，也為提高屋蓋結(jié)構(gòu)的承載力，《規(guī)程》規(guī)定下部支承結(jié)構(gòu)的變形除應(yīng)滿足相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，屋蓋支座處的相對(duì)水平位移不得大于100mm。在這一條件下，《規(guī)程》規(guī)定可不考慮上下部分的協(xié)同工作。設(shè)計(jì)下部結(jié)構(gòu)時(shí)，可將屋蓋對(duì)下部結(jié)構(gòu)的作用力作為外荷載考慮。

拱形波紋鋼屋蓋的下部支承結(jié)構(gòu)基本上都是常規(guī)結(jié)構(gòu)形式。本規(guī)程根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，僅提出了上述屋蓋支座處很大相對(duì)水平位移的特殊要求。除滿足這點(diǎn)外，下部結(jié)構(gòu)可按現(xiàn)行國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，由于拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)相臨構(gòu)件之間采用鎖縫連接，連接處一般都有較大縫隙，而且構(gòu)件本身為雙曲構(gòu)形，這些都有利于結(jié)構(gòu)釋放溫度應(yīng)力，因此《規(guī)程》規(guī)定屋蓋結(jié)構(gòu)可不設(shè)溫度縫，且不考慮溫度作用，但下部支承結(jié)構(gòu)及連接角鋼應(yīng)按現(xiàn)行國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)置溫度縫，必要時(shí)考慮溫度應(yīng)力。同樣地，由于拱形波紋鋼結(jié)構(gòu)自重很小，其承載能力一般不受地震作用控制，因此《規(guī)程》認(rèn)為屋蓋結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行抗震計(jì)算，但其與下部結(jié)構(gòu)的連接及下部支承結(jié)構(gòu)均應(yīng)按現(xiàn)行抗震規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。