無梁拱形屋面的跨度計算

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（又稱金屬拱型波紋屋蓋結構）是由預涂層卷板經軋制后形成的一種外形呈拱型的屋蓋構體系。我國于1992年通過引進美國的施工設備引進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點，很適合我國經濟尚不發達，但卻持續高速增長的國情，因此在建筑市場上表現出了空前的發展勢頭。

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：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，可實現的很大跨度40m。由于材料機加工性能優良且薄鋼板之間難以實現栓焊連接，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調整的。雙向波紋徹底改變了原來鋼板的力學性能，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，故而可在無梁無檁的情況下獨立實現很大的跨度。

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、造型美等諸多優點。目前這種結構可實現很大跨度為40m，而所用的鋼板厚僅為1.5mm，用鋼量約為22kg/m2。由于在制作、安裝過程中的各個環節均通過機械操作完成，因而施工速度非?？?，一般情況下一個臺班可制作安裝500~800m2，1萬m2的屋蓋結構可在20天內完成。這種結構艷麗的色彩來源于材料的彩色涂層，同一建筑可選用多種顏色的彩板進行組合。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，以及對圓弧拱殼進行切割或相貫處理，可實現更為優美的建筑造型。

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，如造型單一、截面形式固定等。另外從結構受力角度來看，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。

國內外發展和研究狀況

總的來說這種結構的優點是主要的，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年我國通過引進美國設備引進了金屬拱型波紋屋蓋結構。由于這種結構蘊涵著很大的經濟及社會效益。非常適合我國經濟飛速發展的社會主義初級階段的國情，再加上天津大學，清華大學等科研機構在技術上的積極投入，這種結構在我國得到了蓬勃發展。我公司研制的W610、W120型機組在吸取國外先進經驗基礎上有很大的創新，前者軋制的板材具有更大的截面剛度，可實現更大跨度的建筑，而后者軋制的板材應用于較小跨度的建筑可實現更好的視覺效果。成型設備的國產化，大大地降低了設備購置費用，這對推動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m2，應用領域涉及廠房、倉庫、展廳、禮堂、訓練館、體育館、餐廳、娛樂廳、加油站、營房、車庫以及臨時建筑等方方面面。

從搜集到的有關資料看，國外關于金屬拱型波紋屋蓋結構研究成果的文獻主要發表于六、七十年代，文獻作者分別來自美國、加拿大、意大利、前蘇聯和澳大利亞等國，文獻內容涉及足尺試驗、構件實驗以及計算方法、設計思想等。盡管對這種結構進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系的學者所取得，很少有文獻對其進行系統的分析和總結，更沒有從中提煉出實用的結構設計方法。

金屬拱型波紋屋蓋結構在國內出現的時間雖不常，但由于很多科研院所的熱情投入以及企業的積極支持，研究工作進展很快，目前已有三家單位的研究成果通過國家鑒定，分別為清華大學兩家和天津大學一家。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。其常用的構造節點除支座節點（包括單跨、多跨）外，還拱形大棚包括單元板間連接、與山墻連接節點、拱腳防水防腐處理、屋面采光孔、采光帶設置、屋面通風構造等。其中因板型的差異，節點處理上略有不同。

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