浅议金属拱形波纹屋面承载能力影响因素

赵秋红  高福聚  刘锡良

（天津大学建筑工程学院土木工程系   天津  300072）

摘  要：本文是在文献[1][7]的研究基础上，对于影响金属拱形波纹屋面承载力的主要因素作了具体的理论分析，并提出了对本结构设计及施工的合理建议。

关键词：金属拱形波纹屋面  承载能力  影响因素

根据文献[1][7]，影响金属拱形波纹屋面承载能力的因素主要有：板型、钢板材料、跨度、矢跨比和钢板厚度等。本文根据文献[7]所提出的承载能力计算公式和计算机有限单元分析方法及试验数据，对于影响金属拱形波纹屋面承载能力的各种因素作了具体的分析和研究，并提出了相应的合理建议，权作抛砖引玉，以资商榷。

1．金属拱形波纹屋面承载能力的主要影响因素

影响金属拱形波纹屋面承载能力的因素主要有：板型、钢板材质、跨度、矢跨比和钢板厚度等五个方面。现就此五方面分别作具体的分析和计算。

1．1板型对金属拱形波纹屋面承载能力的影响

图1  国内市场通行产品的型式和尺寸

所谓板型包括两个方面的内容：即屋面的截面形式和尺寸。因为该屋面形式采用定型化机组批量生产，其截面形式和尺寸一般是确定的。从目前市场流行的截面形式而言，基本上有U形和V形两种。各生产厂家产品之间的截面尺寸基本一致,差异很小。

现在我们以5m、10m、15m、20m、25m和30m的该种屋面结构为例，各采用三种板型应用通用结构根据文献[7]所提供的计算方法对其进行极限承载力分析。矢跨比为1/4，拱脚点为铰接。三种板型的承载力分析结果如图2所示。

图2  屋面承载力与跨度的关系

    截面的抗弯刚度与截面高度呈立方关系。显然截面高度增大无疑会提高金属拱形波纹屋面的整体刚度，从而使结构的整体稳定性得以加强。但是随着截面高度的增加，其局部稳定性必然减弱。两者之间是相互矛盾的，但必然有一个相互妥协的最优值。    与经济指标加以综合比较，不难发现：在这三种板型中，V形截面的自重最轻，经济指标最好；加高U形的经济指标最差，但它的承载能力最大。

1．2钢板材质对金属拱形波纹屋面承载能力的影响

板材即所用钢板的材质。根据作者对国内市场的调研结果，国内近三十余家施工企业，无论是国内民主经营，还是中外合资、国外独资的，所用的钢板几乎都是上海宝山钢铁厂生产的TSTE28和TSTE34热镀锌彩色钢板，钢板的材质比较稳定可靠。但由于金属拱形波纹屋面的承载能力是由其整体稳定性所控制，高强度钢板并不能充分发挥其强度优势。因此我们建议，这种屋面结构形式宜采用价格和强度都较为适中的TSTE28热镀锌彩色钢板。

该屋面形式所采用的定型化机组由于产品的高新技术的保密要求和企业的适当利润等因素，价格比较昂贵。一般的施工企业对于该机组拥有的数量和型号不会很多，因而当业主与施工企业的合作关系一旦发生，屋面的板型和材质也就随之确定下来。对于特定的金属拱形波纹屋面工程来说，当其板型和板材一经确定后，那么影响结构承载力的主要因素就只有跨度、矢跨比和钢板厚度了。

1．3跨度对金属拱形波纹屋面承载能力的影响

根据文献[7]和大跨度的足尺模型实验结果分析表明，该种屋面结构形式的承载能力与跨度的立方成反比。即

其中，为屋面板的截面惯性矩；为钢板材质的泊松比；为截面中性轴到最外沿纤维的距离，按照表1取值；是考虑屋面板肋起波效应对计算长度的调整系数；为初始缺陷调整系数；是考虑到在均布荷载情形下，金属拱形波纹屋面有弯矩作用，为非纯压拱，尤其是在半跨荷载作用下，这种弯矩作用更为显著的荷载工况调整系数，对全跨均布荷载和半跨均布荷载的取值不同，为圆心角。

    表1

图3  屋面承载力与矢跨比的关系

矢跨比是影响结构承载力的一个重要因素。随着矢跨比的不同，结构在外部荷载的作用下的内力分布和变形程度都相应发生变化。对金属拱形波纹屋面结构的二阶弹性分析表明，结构的极限承载能力随着矢跨比的变化差异较大。因此，选择合理的矢跨比，有效地提高结构的极限承载力，是在结构设计中非常关键的一个环节。

1．5钢板厚度对金属拱形波纹屋面承载能力的影响

理论分析和实验结果表明，该种结构的承载能力与板厚也不呈线形关系。                                          

图 4  屋面承载能力与钢板厚度的关系

金属拱形波纹屋面所采用的钢板厚度为0.6mm～1.35mm。通常有以下几种规格：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm和1.35mm。图4是上述三种板型20m跨度，矢跨比,均布荷载作用下结构的极限承载力与钢板厚度的关系。它和表1都能够较直观地反映出这一点。

2．对金属拱形波纹屋面设计和施工的几点建议

2．1  各种板型跨度范围的界定

客观地说，特定板型的金属拱形波纹屋面的跨度、承载能力（钢板厚度、矢跨比）和具体工程要求的恒荷和活载（风雪荷载）等是相互关联的函数关系，并且还与具体工程所要求的可靠度指标有关。因而问题的分析相对较为复杂，但根据绝大多数的工程实际分析，目前国内三种板型屋面的适宜跨度如表2所列。

    表2

根据图3所示的承载能力与矢跨比的结构稳定性关系，我们认为对于金属拱形波纹屋面的设计过程中，对于矢跨比的选择，应当远离结构的跳跃失稳点。因此对于绝大多数的工程来说，较为合理的矢跨比为：～。

2．3  钢板厚度的确定

    当金属拱形波纹屋面结构的其他因素确定后，其承载能力则主要由彩色涂层钢板的厚度所决定。而且钢板的厚度也将直接决定了工程的单方用钢量，进而成为影响具体工程造价的主要经济指标。所以，具体工程所需的钢板厚度应当根据工程实际，由其跨度和荷载指标通过计算确定；反对那种只考虑经济指标来确定钢板厚度，不负责任的做法。

2．4  轧板施工工艺

    金属拱形波纹屋面属于超薄壁空间钢结构，虽然它的承载能力由其结构的整体稳定性来控制的，但它对于初始缺陷却极为敏感，必须引起高度的重视。因此我们应在屋面单元板的轧制和吊装、安装和就位、固定的过程中，要认真调试和校验设备，细心操作，合理施工，努力减少初始缺陷的发生，杜绝明显的初始缺陷；发现问题，及时补救，防止缺陷的蔓延和发展，以保证施工质量。

主要参考文献

1．刘锡良.  一种新型空间钢结构——银河金属拱形波纹屋顶.  建筑结构学报.  1996(4)

2．郭彦林，郑浩然.  彩色压型钢板波形拱壳结构的破坏机理——折曲屈曲破坏.  工程力学增刊，1997年

3．郭彦林，郑浩然.  彩板波形拱壳结构折曲屈曲试验研究。工程建筑。 1997（11）

4．张  勇.  银河金属拱形波纹屋顶的理论分析及试验研究.      天津大学硕士学位论文. 1997.6

5．张彦鹏.  金属拱形波纹屋顶的试验研究及几何非线性分析.    天津大学硕士学位论文. 1997.12

6．马  臣.  广义协调元在金属拱形波纹屋顶动力分析中的应用.  天津大学硕士学位论文. 1997.12

7．高福聚.  金属拱形波纹屋面的受力机理、设计理论研究和结构可靠度分析.  天津大学硕士学位论文.  1999.1