金属拱型波纹屋盖结构在我国的应用与研究

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简介： 金属拱型波纹屋盖结构在我国发展历史不长，但在世界上已有一百多年的历史。本文系统回顾了这种结构的发展历程，总结了这种结构的科研状况，最后详细介绍了我国这种结构技术规程的编制情况及规程主要内容。
关键字：金属拱型波纹屋盖结构 技术规程 应用 研究

　1 金属拱型波纹屋盖结构的应用状况

　　作为冷弯型钢结构的一个分支，金属拱型波纹屋盖结构产生于十九世纪八十年代。这种结构的第一个专利则出现在1896年的美国。目前世界上尚存的最古老的金属拱型波纹屋盖结构是1890年建于英国的某化工厂厂房（图1）。尽管金属拱型波纹屋盖结构属于冷弯型钢结构范畴并有着很久的应用历史，但到目前为止世界上还没有一部这种结构的专用技术规程，这其中原因很耐人寻味。

　　这种结构历经一百多年也没能在世界范围内形成统一的名字，从目前搜集到的文献资料看，以下几种叫法均指这种结构：1、Light Gauge Steel Cylindrical Shells，2、Barrel Vaults，3、Doubly Corrugated Shells，4、Orthotropic Barrel-Shells。这四个名字都是从结构特点角度来命名的，从中可以看出这是一种壳体结构，而且是一种筒壳。名称1反映出这种筒壳是由薄钢板制成的，名称3从结构的几何构形上加以描述，认为这是一种双向波纹壳体，名称4则更进一步，将这种几何上的双曲构形在力学性能上的表现描述为正交异性。 “金属拱型波纹屋盖结构”这个名称是目前我国这种结构技术规程草案中的暂用名，最早由北

　　 图1 建于1890年的化工厂 图2 采用螺栓连接的结构构件

　　京市银河金属屋顶成型技术研究所提出。该名称在一定程度上反映了这种结构的外形特征，而且通俗、易于理解和记忆，因此是目前国内最为普遍接受名称。从这个名称可进一步总结出这种结构的结构特点。

　　（1） 这种结构由薄钢板轧制而成。随着世界冶金技术的发展这种结构所用钢板的性能也不断改善。最初采用的钢板防腐能力差，力学指标也较低，因而钢板较厚（达3—4mm），结构最大跨度在20m左右。由于钢板厚，板件之间可以实施栓焊连接，因此当时这种结构构件之间的连接主要螺栓连接（图2），也有一部分采用焊接。那时，这种结构自重大，经济性差，使用范围受到限制，一般主要用于对施工速度要求较高的军营、机库等。目前采用的材料主要是预涂层卷板，其基板有以下几类：热镀锌钢板、热镀锌合金钢板、热镀铝钢板、热镀锌铝合金钢板、热镀铝锌合金钢板和电镀锌钢板等。这些预涂层卷板的强度指标在210MPa－550Mpa之间，极限使用寿命可达40－50年。随着钢材强度的提高、抗腐蚀能力的增强，所用钢板的厚度得以降低、结构适用跨度的范围也得到扩大。目前这种结构通常所用预涂层卷板的基板厚度在0.6－1.5mm之间，最大跨度已达40m。由于材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实施栓焊连接，因此这种结构构件之间的连接也由过去的栓焊连接发展为今天的锁边连接。锁边连接不仅改善了连接处的耐疲劳、耐腐蚀及防水性能，而且也简化了施工工艺，加快了施工速度。

　　（2） 这种结构是靠在钢板上轧制出波纹成型的。将卷板变成拱型屋盖需要两道成型工艺：第一步将钢板轧成U形或梯形波纹直槽板，第二步通过在下部轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱型槽板（图3）。拱型槽板的曲率大小就是靠槽板上横向小波纹的深浅来调整的。双向波纹彻底改变了钢板的力学性能。第一步轧制成的槽形波纹极大地提高了钢板的横向刚度，是结构承载力的根本所在。而第二步轧成的横向小波纹则可提高钢板的局部稳定承载力，增强结构纵向抗弯刚度，突出结构壳体受力特性。但横向小波纹无疑削弱结构跨度方向的刚度。根据槽板横截面形状的不同可将这种结构划分为不同类型。目前国际上广为采用的板型是由美国MIC公司开发的MIC-X系列，主要有MIC-120型、MIC-160型和MIC-240型。文献[1]介绍的MMR-118、MMR-178、MMR-238三种板型为国内厂家在吸取国外经验基础上开发的具有自主专利权的结构形式。

　　
图3a U形槽板 图3b 梯形槽板

　　（3）这是一种拱型结构。对于由预涂层卷板经冷加工制作的压型钢板很多人已很熟悉。由于压型钢板的受力机理类似于梁，内力分布很不均匀，因此它难以实现较大跨度。采用同样材料和相似的加工工艺制作而成的金属拱型波纹屋盖由于呈拱式结构受力机理，内力分布较均匀，故此可实现很大跨度。

　　很多文献都列举了这种结构的诸多优点，如施工速度快、用料省、跨越能力大，防水防腐性好、色泽艳丽、造型美等。目前在我国这种结构已实现40m跨度，而所用钢板厚度仅为1.5mm，用钢量约22kg/m²。机械化的施工手段赋予这种结构神奇的施工速度，一般情况下一个台班可制作安装这种结构600－1000m²，1万m²的屋盖可在20天内完工。这种结构艳丽的色彩来自于材料的彩色涂层，同一建筑可选用多种颜色的彩色钢板进行组合。因结构成型工艺的限制这种结构主要为圆弧外形，但这与目前国内常用的平屋盖及人字屋盖相比也是一种新变化，另外同一建筑通过搭配不同曲率的圆弧以及对圆弧拱壳进行切割或相贯处理，同样可实现更为优美的建筑造型。

　　金属拱型波纹屋盖结构的缺点和优点一样突出。造型单一、截面形式固定是这种结构一大缺陷。从结构受力角度说圆弧拱并非最理想结构形式，因为在常规荷载作用下，圆弧拱轴不是受力最合理的拱轴。由于一台特定成型设备只能轧制一种截面形式的槽板，故而结构沿整个跨度是等截面的，这对结构受力也是不合理的。另外对于采用特定材料及特定板型的一定跨度的这种结构，其承载能力取决于拱高和钢板厚度。而研究表明在常用的钢板厚度及拱高范围内，变化这两个参数对结构的承载力影响不大，因此对于荷载较大或跨度较大的建筑采用这种结构，设计人员可供选择的空间很小。

　　总的说来这种结构的优点是主要的。也正因如此，这种结构在世界范围内得到了普及推广。资料显示在北美地区每年有1万多栋建筑采用这种结构。美国在海湾战争期间调往海湾地区十余套成型机组，于一个月内完成了40多万m²兵营、机库的建设。在韩国大面积的厂房、仓库，甚至街头的休息长廊都采用了金属拱型波纹屋盖结构。但是由于前面提到的一些缺陷，在发达国家这种结构多被用于对建筑功能要求不太高的农业仓库。因此有些文献干脆称这种结构为 Farm Buildings 或Silos。

　　海湾战争为这种结构在我国做了活广告。从媒体对战争场面的报道中，我们经常可以看到这种结构。在海湾战争之后的1992年我国通过引进美国设备引进了这种结构。由于其蕴涵很大的经济及社会效益，很适合我国经济飞速发展的社会主义初级阶段的国情，再加上天津大学、清华大学、北京银河屋顶研究所等科研机构在技术上的积极投入，因此这种结构在我国得到了蓬勃发展。目前国内已有很多厂家能够生产这种结构的成型设备，北京银河屋顶研究所的MMR-178型及辽宁营口三星公司的W760型成型设备在国外设备的基础上都有很大创新。前者轧制的板材具有更大的截面刚度，可用于更大跨度的建筑。而后者轧制的板材截面更为开展，材料利用率更大，应用于较小跨度的建筑可实现更好的经济指标。成型设备的全国产化使得开展这项业务的启动资金由400万元降低到80万元，这对于这种结构在我国的普及推广具有很大意义。短短几年的时间国内便涌现出大批工程施工单位，工程应用面积也骤增到每年100多万m²，应用领域涉及厂房、仓库、展厅、礼堂、体育馆、餐厅、娱乐厅、加油站、营房、教堂、车库以及临时建筑等方方面面。

　　2 金属拱型波纹屋盖结构在国外的研究状况

　　 如前所述，到目前为止世界上还没有这种结构的专用技术规程。尽管这是一种冷弯型钢结构，而且早在1946年美国就颁布了冷弯型钢结构设计规范，但从这种结构的构造特点不难看出它和一般的冷弯型钢结构有很大的不同。可以肯定地说目前世界上任何一部钢结构规范都难以完全反映这种结构的特点，按照这些规范设计这种结构通常只能得出不合理的设计结果。国内外这类结构的工程事故已屡见不鲜。图4为国外一落地拱壳在雪荷下坍塌，国内辽宁地区于97年初3万余m²屋盖塌落（图5）对这种结构的市场产生的强烈冲击波刚刚过去，今年年初新疆、辽宁、吉林等省区又有大面积这种结构塌落，其中还包括市场等公共建筑。频繁的而工程事故无疑不利于这种结构的普及推广。目前辽宁省已宣布在省内暂停这种结构的使用并对已建工程进行全面复查。因此总结已有研究成果，解决设计、施工中存在的技术问题并尽快推出这种结构的技术规程具有非常现实的意义。

　　国外关于这种结构研究成果的文献主要发表于六十年代末到八十年代初，文献作者分

　　图4 国外某事故现场 图5 国内某事故现场

　　别来自美国、加拿大、意大利、前苏联、澳大利亚等国。文献内容涉及足尺模型试验、构件试验以及结构计算、设计方法等。就结构设计而言，这种结构的计算模型分为壳和拱两种。当结构跨度与纵向长度相比较小时，远离两端山墙的屋盖受山墙影响较小，在荷载沿结构纵向均匀分布的情况下，可以将空间问题简化为平面问题从而按照拱模型分析这种结构。但当结构跨度相对于纵向长度较大时，山墙对结构的影响不容忽视，因而采用壳体理论更符合实际。现在看来这种结构也只能简化为这两种计算模型，问题的关键在于如何通过计算模型反映结构的特点。对于壳体模型文献都作了很大的简化处理，将整个屋盖等效成正交异性壳。文献对于拱计算模型多采用有限元法，并且忽略横向小波纹的影响而直接采用直线梁单元以折代曲模拟拱。从掌握的文献来看，对这种结构的分析多局限在线性阶段，实际上从这种结构在荷载作用下表现出的大变形可以看出不考虑结构的几何非线性，不对结构进行深入的二阶分析难以得出符合实际的计算理论。

　　3 金属拱型波纹屋盖结构在我国的研究状况

　　前面已经提到，金属拱型波纹屋盖结构在我国出现的时间虽不长，但由于很多科研院所的热情投入及企业的积极支持，研究工作也同其市场发展一样突飞猛进。目前国内已有三家单位的研究成果通过国家鉴定，中国工程建设标准化协会也已组织有关单位和个人编制这种结构的技术规程。而建设部建筑金属结构协会已会同部分施工单位起草并颁布了这种结构工程应用暂行规定，供技术标准发布前使用。辽宁省也已编制了一本地方标准。

　　清华大学土木系在李少甫教授的指导下与中国新型建材公司合作开发了这种结构设计软件MASSAP，并于1996年6月通过国家鉴定。天津大学土木系已有6位研究生把这种结构作为研究课题并取得硕士学位，学位论文内容涉及多种静力稳定分析及结构动力特性分析等。天津大学和北京银河屋顶研究所合作进行的“银河金属拱型波纹屋顶结构设计、制作与安装研究”项目于1997年4月通过国家鉴定。该研究项目不仅包含结构设计计算理论、大量的足尺模型试验，而且包括成型设备研制、屋盖制作安装技术等内容，研究工作系统、深入，其成果被专家评为国际先进水平。清华大学土木系郭彦林教授与鞍山东方彩板公司合作，通过对单榀拱板的试验研究建立了这种结构折曲破坏模型并提出折曲破坏理论，其研究成果于1998年3月通过国家鉴定。武汉工业大学王小平副教授在武汉钢铁（集团）公司的资助下不仅实施了4组足尺模型试验，而且从理论和试验两个方面研究了残余应力对结构力学性能的影响，完成了我国第一篇以这种结构为研究内容的博士论文。

　　目前国内这种结构的足尺模型试验已做过二十多组，跨度包括7m、15m、18m、24m、27m、30m、33m、38m等，荷载类型主要有自重类荷载和半跨均布荷载。大量的足尺试验使人们对这种结构在不同荷载下的力学性认识能更为全面，因此建立在试验研究基础上的设计计算理论也更为可靠。从理论研究方面看,国内学者都很重视这种结构的非线性行为。由于这是一种薄壁结构，采用边缘屈服准既接近实际又可回避结构物理非线性问题，因此一般只考虑这种结构的几何非线性。分析方法主要采用有限元法，也有学者尝试了有限条法。象国外一样，国内学者分别采用拱理论和壳体理论对结构进行分析。

　　采用壳体理论分析这种结构，国内学者建立了两种计算模型。一种模型和国外文献提到的一样，以整个结构为研究对象，将整个屋盖等效成正交异性壳，较国外文献更进一步的是这里考虑了结构的几何非线性。采用这种计算模型可确定结构矢跨比、长宽比、局部开口等因素对结构性能的影响。另一种壳体计算模型反映了结构槽形形状，仅在考虑板件上横向小波纹的影响时才引用等效正交异性近似化方法。用板壳单元模拟结构的实际形状，可分析截面形式、局部稳定性等对结构承载力的影响，并可望实现对这种结构的精确分析。但受到计算机解题能力及计算时间的限制，这种计算模型通常取一条拱板为研究对象，拱板之间的相互作用一般根据结构的对称性简化成一定的支持作用。显然易见，壳体计算模型计算理论复杂、计算量大，难以为广大工程设计人员所接受。

　　考虑了结构及荷载的对称性，设计时将这种结构简化为拱有一定的合理性。即便对于长跨比较小的屋盖，采用拱模型、忽略山墙的支撑作用，只能得出偏于安全的结果。事实上包括美国MIC公司的设计软件COSMIC及国内的设计软件MASSAP在内的很多设计软件都采用拱计算模型。但实践表明很多软件的设计结果偏于不安全，其中问题不应简单地归在计算模型上，而应考察软件采用的计算参数。正如前面提到的，这是一种呈双向波纹构形的薄壁结构，波纹尤其是横向小波纹很大程度上改变了板件的力学性能，同时也给理论分析带来难度。有些学者忽略了小波纹的影响，因此得出的结构极限承载力高于试验结果数倍甚至十数倍。也有学者片面强调结构的破坏模态，将结构破坏时所表现出的特征看作结构破坏的根本原因，而忽视小波纹对结构几何非线性性能的影响，同样得出偏于不安全的结果。天津大学土木系在采用拱模型分析这种结构时，巧妙地引进正交异性化方法修订结构几何参数，不仅考虑了波纹构造的影响，而且有效回避了薄壁结构所共有的局部稳定性问题，所得结果令人满意。目前正在编写的国家级技术规程采用了这种设计方法。

　　本文所列的参考文献基本可以反映我国在这一领域的研究状况，将国内的研究成果与国外相关文献比较不难看出我国后来居上，在很多方面已达到国际领先水平。

　　4 《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》编制情况

　　 从1992年引进金属拱型波纹屋盖结构到1998年9月中国工程建设标准化协会下达《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》国家推荐性标准编制任务仅有六年的时间。六年里，从无到有，到遍地开花，这种结构在我国表现出迅猛的发展势头。但由于国内外对这种结构的理论研究均不成熟，没有普遍认可的设计计算方法，更没有可供操作的技术标准，而一般单位不懂这种结构的技术要领，使得很多工程质量得不到保证，屋盖塌落的恶性事故时有发生。因此建筑市场要求制订这种结构技术标准的呼声很高。

　　由于国家标准的严肃性使得标准制订周期一般很长，为了在国家标准出台前尽可能地规范市场，减少工程事故，建筑金属结构协会组织有关单位编制并于1999年10月发布了《压型钢板拱型屋盖结构应用暂行规定》，而辽宁省也于1999年发布了《压型钢板拱壳结构技术规程》地方标准。这两个标准发布时间接近，内容也几乎完全相同，主要对这种结构的材料，制作、安装误差控制及构造措施进行了规定，并没有给出结构设计方法。

　　《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》国家推荐性标准编制组于1998年12月召开了第一次会议。参加规程编制的单位有轻型钢结构委员会、天津大学、中南建筑设计院、清华大学、哈尔滨建筑大学、太原工业大学、南昌大学、北京银河屋顶成型技术研究所等。第一次会议确定了规程的编制大纲，明确了各参编单位的技术分工，并制订了规程编制进度计划。会上代表对这种结构的名称进行了讨论，意欲给这种结构起一个概念清晰、易于理解和记忆的名字。虽然罗列了很多名称（包括上面两个标准采用的名称），但没有一个能够赢得所有代表的认可，因此“金属拱型波纹屋盖”仍为这种结构的暂用名。由于要对这种结构的设计、制作、安装以及工程验收细则作出规定，故此规程被命名为技术规程。

　　规程编制组第二次会议也已于1999年12月召开。此次会议增补武汉工业大学为规程编制组成员。会上逐条讨论规程草案，形成了草案修改意见。按照此次会议的计划安排，将于2000年3月完成规程征求意见稿，2000年内完成规程送审稿，2001年3月完成规程报批稿。

　　5 《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》内容简介

　　目前《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》已完成征求意见稿，内容分7章，包括总则、术语、材料、设计基本规定、结构计算、结构制作与安装以及工程质量控制与验收等。

　　规程第1章是总则，共有5条，内容包括规程编制目的、编制依据、适用范围、设计、制作、安装及检验的总体要求等。本章第3条规定这种结构适用跨度不大于36m，第4条强调如未采取可靠措施，这种结构不适用于强烈腐蚀、高温等环境中的建筑，并不得用于直接承受动力荷载的建筑。本文前面已经提到，尽管目前国内已经建成40m跨度这种结构，但由于这是一种由厚度不能超过一定限值的钢板通过特定设备轧制成特定形状拼装而成的拱结构，工程中难以通过增加材料用量和改变结构的几何尺寸来增加结构承载力，而众所周知，拱结构的承载能力与结构跨度三次方成反比，理论分析和工程实践均表明当结构跨度较大时这种结构的承载能力很低，所以规程为确保结构安全，将这种结构适宜的最大跨度定为36m。另外结构跨度太大对下部结构的反力也很大，而且自身的用钢量也不低，从结构经济合理性要求考虑，也应限制结构的最大跨度。由于这是一种薄壁钢结构，对集中荷载、动荷载、使用环境都有特殊要求，这里均给以规定。

　　规程第2章是术语符号，共分2节，在2.1节里针对这种结构的特点，对在设计工程中遇到的结构计算跨度跨度、矢高、矢跨比，在施工过程中要用到的单元板、组合单元板、基准组合单元板、屋脊线等概念以术语的形式给予定义。概念的统一对于规范技术管理具有非常大的意义。在2.2节对本规程各章所用到的符号进行整理并给出符号说明。

　　规程第3章是材料，共分6条，对这种结构所用到的彩色涂层钢带、自攻螺钉、螺栓锚栓等材料的材质要求给以规定。目前国内可自行生产的镀层钢板只有四种：热镀锌钢板、热镀锌合金钢板、热镀铝钢板和电镀锌钢板。从这几种钢板的性能及产量来看，适用于这种结构的镀层钢板只有热镀锌钢板和热镀锌合金钢板，因此本章对热镀锌镀层板的镀锌层技术指标给出明确要求。针对彩色涂层钢带满足建筑外用的功能要求本章对材料的彩色涂层技术指标也给出要求。根据国内钢材及建筑市场况况，本规程规定这种结构的基板要采用现行国家标准《碳素结构钢》规定的建筑结构用Q235钢、Q280钢和Q345钢，并规定了基板要满足的物理及化学指标。

　　规程第4章是基本设计规定，共分4节。4.1节规定结构设计原则，共有11条。前面4条规定结构设计采用极限状态设计法并确定设计时荷载组合的原则。由于这种结构刚度较小，在常规荷载作用下结构变形较大。当下部结构刚度满足常规结构变形要求时将屋盖与下部结构整体计算得出的屋盖支承反力与单独计算屋盖结构得出的支承反力相差不大，一般在5％以内，且单独计算得出的结果偏于安全，所以为简化设计过程，第5条规定设计时可不考虑屋盖与下部支承结构的协同工作。在考虑了下部结构的允许变形后，屋盖部分可单独计算。在得到屋盖的支承反力后，下部支承结构按照悬臂结构进行设计。由于这种结构所用钢板很薄，对集中荷载非常敏感，因此第6条规定当屋盖山墙采用直形槽板或其他形式的压型钢板且其连接可靠时，可以考虑屋盖对直槽板的支承作用；当山墙采用其它结构形式时，不能考虑屋盖的支承作用，上端按自由端考虑。由于这种结构自重小、弹性大，因此第7条规定屋盖结构本身一般可不进行抗震计算，但其下部支承结构及其与下部结构的连接应按照现行抗震规范进行设计。金属拱型波纹屋盖结构表现为双曲构形，且构件之间为锁边连接，存在很大缝隙，这些都有利于结构释放温度内力，因此第8条规定这种结构的设计可不设温度缝，且不考虑温度作用。本节第10条和第11条对结构的几何参数取值进行规定。矢跨比是影响拱承载力的重要因素，由于跨度较小时各种矢跨比的这种结构承载能力均较高，而跨度较大时即便采用最合理的矢跨比结构承载力也很低，所以第10条规定结构的矢跨比一般可取0.1－0.5，当跨度较大时应严格控制结构矢跨比在合理的取值范围0.2－0.3之内。

　　规程第4.2节包括2条内容，规定了基板的强度设计指标和物理性能指标，并给出了自攻螺钉和螺栓的设计依据。由于基板厚度一般在1.5mm以下，属于典型的薄钢板，因此本规程将这种材料的抗力分项系数取为1.15。

　　规程4.3节共分6条，对设计时要考虑的荷载及荷载组合进行规定。理论分析及大量的工程事故表明半跨荷载对拱结构承载力最为不利。在我国北方多雪地区，风的作用极易形成积雪半跨分布，但是国家现行荷载规范没有考虑拱型结构积雪半跨分布情况。而不考虑半跨分布积雪荷载将导致结构设计严重错误。因此本节给出了半跨雪荷载分布系数。

　　规程第4.4节内容分为10条，规定了结构构造要求。其中包括各种板型的命名规则、屋盖和下部结构的连接构造，屋盖山墙处的连接构造、预埋件及连接角钢的构造要求、结构变形缝的设置要求、连接螺钉（螺栓）的构造要求、通风采光孔洞构造要求以及结构避雷装置设置要求等。由于这种结构对下部结构变形的适应能力很强，因此规定屋盖结构的纵向长度不受建筑模数限制，但下部支承结构及异型连接角钢要按相关规范规定设置变形缝。结构上开孔势必降低结构的承载能力，尤其当开口面积较大将整条拱板断开时，被切断的拱板不再是拱结构，自身不但不具备承载能力，而且要作为荷载作用在相邻拱板上，所以本节第7条对在这种结构上开孔要求给以规定，综合考虑结构受力及施工时的可行性，本节第8条对拱脚连接处紧固件的构造要求进行了规定

　　第5章是本规程的重点与难点所在，共分9条，不仅规定了适用于这种结构的计算模型和分析方法，而且明确给出了采用拱计算模型一阶分析设计方法。前面多次提到，这种结构只有两种计算模型，即拱和壳，本章明确指出采用任何一种计算模型都要考虑结构波纹构造对结构受力的影响以及结构的非线性行为。本章首先在第2条规定结构上的小波纹对结构力学性能的影响可通过试验确定也可采用近似化方法确定。紧接着在第3条引用美国康奈尔大学的研究成果，规定了当采用壳体计算模型时利用等效正交异性化方法将波纹板等效成平板的方法。第4条针对拱计算模型，在利用等效正交异性化方法考虑结构上波纹构造影响时运用了一个技巧，即不改变等效后平板的弹性常数，而是改变等效后平板的厚度，这样可将拱板截面等效成板厚变化的不带波纹截面，这种做法使得平截面变形假设仍然成立，而且物理意义明确。另外计算表明采用这种方法等效后的结构截面刚度降低很多，甚至比采用有效宽度法考虑不带波纹的平板局部失稳问题时对结构的刚度削弱更大。众所周知波纹板的局部稳定承载力远较平板的局部稳定承载力大，因此本条的做法很自然地回避了这种结构的局部稳定问题，或者说很巧妙地考虑了局部稳定问题。

　　本节第6条给出了采用线弹性小变形的拱计算模型进行结构设计时的简化方法。该方法是在对结构进行大量的二阶分析，通过二阶分析确定各参数之间的关系后得到的。分析表明这种结构在荷载作用下，荷载、位移以及荷载、弯矩之间均呈显著的非线性关系，而当荷载达到极限荷载之前，荷载、轴力之间的关系基本上是线性的。采用线弹性理论分析求得的弯矩和位移远小于采用几何非线性理论分析求得的结果。比较在各级荷载作用下按线弹性和按几何非线性求得的弯矩，可以发现它们之间存在一定的关系，即 （式中M_n为非线性弯矩，M_l为线性弯矩，为弯矩放大系数。而，这里为弯矩调整系数，与荷载类型及结构的矢跨比有关；q为设计荷载值，q_cr为屋盖在相应类型荷载作用下的极限承载力，其中，式中EI、R分别为拱的抗弯刚度及拱的曲率半径，k为与支承条件、荷载类型以及结构矢跨比有关的极限承载力系数。以上式中的、k等值均在规程给出）。分析还表明，由于结构刚度太小，变化结构轴向刚度EA对结构极限承载力影响不大，而决定结构承载力的主要是结构的抗弯刚度。另外对这种结构进行的物理、几何双非线性分析表明，结构出现屈服点后剩余的承载力非常有限，因此可以采用边缘屈服准则确定结构的极限承载力。综合以上分析，采用近简化方法设计这种结构时可采取以下步骤：1、对结构所受各类荷载进行组合，确定各种工况下各类荷载的设计值；2、按照线弹性理论计算出拱在各种设计荷载下的弯矩M_l、轴力N_l；3、将所求弯矩根据荷载类型乘以相应的弯矩放大系数β得到相应于二阶分析求得的弯矩M_n；4、运用式检算各工况下各截面的承载力。应该特别注意的是计算过程中遇到的结构抗弯刚度EI、抗拉刚度EA以及W_z等均要按照本章第5条的规定确定。

　　本章第7条规定对拱进行线弹性分析时可采用经典算法也可采用有限元法。当采用有限元法时可选用曲线梁单元，也可选用直梁单元。采用直梁单元时的单元数量应足以保证相邻梁单元的切线夹角小于5⁰。第8条规定屋盖对下部结构的支承反力也可采用线弹性分析方法求得，并给出在几种特定荷载作用下的支承反力的经验公式。这两条都是在对这种结构进行深入分析的基础上得出的便利设计的结论。

　　本章第8条明确规定考虑了屋盖支撑作用的山墙板可按照简支梁模型，依照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的有关规定进行设计，当山墙板达不到承载要求时应设中间支撑。对于拱高较大的结构尤其是在风荷载较大地区，山墙板的设计非常关键，这里根据山墙板的特点采用了传统薄壁结构设计方法。

　　规程第6章对在施工过程中控制结构制作、安装质量的各个环节进行了规定。本章共分三节，第1节为一般要求，共分7条，规定了结构所用材料质量要求、材料搬运方法、材料防腐处理要求、施工程序、及检验工程质量时的丈量标准。第2节共分4条，规定了直槽板和拱型槽板制作过程中的各项误差控制标准。第3节共分8条，规定了结构安装工程中吊顶布置、吊装方法、吊装时的气候要求等施工细节。由于这种结构施工时的吊装单元自重很轻，而且受风面很大，因此本节规定当雷雨天气和风力超过4级时不得进行吊装作业。

　　规程第7章为质量控制与验收，共分两节。第1节为质量控制，有9条内容，规定了材料质量控制方法、连接角钢制作及安装误差要求、结构构件制作及安装误差要求等。本节还针对各项误差要求规定了明确的检测方法。本章第2节规定这种结构验收时应具备下列文件：1．屋盖结构的设计和设计变更文件；2．材料及构配件的出厂质量合格证书；3．施工中重要问题的处理记录；4．隐蔽工程检验记录；5．工程质量检验记录；6．工程竣工图。

　　参 考 文 献

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

　　2．张勇,刘锡良,张福海. 银河金属拱型波纹屋顶的静力稳定承载力试验研究，建筑结构学报，1997;(6)

　　3．李少甫. 冷弯褶皱薄壁拱壳轻钢房屋. 建筑结构，1998;(1)

　　4．郭彦林,郑浩然.彩板波形拱壳屋面结构折曲试验研究.工业建筑. 1997.(11)

　　5．郭彦林,郑浩然.彩板波形拱壳屋面结构的破坏机理--折曲屈曲破坏.工程力学增刊. 1997.

　　6．张勇. 银河金属拱型波纹屋顶结构的理论分析与试验研究. 天津大学学位论文.1997

　　7．李宗许.银河金属拱型波纹屋顶结构的样条有限条分析与试验研究.天津大学学位论文.1997

　　8．张彦鹏. 银河金属拱型波纹屋顶结构的试验研究及几何非线性分析.天津大学学位论文.1998

　　9． 马臣. 运用广义协调元分析银河金属拱型波纹屋顶结构的动力特性. 天津大学学位论文.1998

　　10．高福聚. 银河金属拱型波纹屋顶结构的可靠度分析及设计、施工技术研究.天津大学学位论文1998

　　11．刘永灵. 冷弯薄壁压型钢板拱屋盖结构的研究. 清华大学学位论文 1996

　　12．王小平. 大跨度金属拱型波纹屋顶试验研究与有限元分析. 武汉工业大学学位论文 1999

　　13．Abdel-Sayed, G. "Critical Shear Loading of Curved Panels of Corrugated Sheets", J. of the Engineering Mechanics Division, ASCE, Dec.,1970

　　14．Erdal Atrek, Nilson, A. H. "Nonlinear Analysis of Cold-Formed Steel Shear Diaphragms", J. of the Structural Division, ASCE, 3, 1980

　　15．Briassoulis, D. "Equivalent Orthotropic Properties of Corrugated Sheets", Computers & Structures, 2, 1986

　　16．Zhang, Q. and Rotter, J. M. "Equivalent Orthotropoic Properties of Cylindrical Corrugated Shells", Proc. of the 11^th Australian Conference on the Mechanics of Structures and Materials,1988

　　17．Marzouk, O. A. and Abdel-Sayed, G. "Linear Theory of Orthotropic Cylindrical Shells", J. of the Structural Division, ASCE, 7, 1973

　　18．Marzouk, O. A. and Abdel-Sayed, G. "Stability of Half-Barrel Orthotropic Shells", J. of the Structural Division, ASCE, 7, 1975

　　19．Herbert A. M. and Smith, J. H. "Finite Element Analysis of Doubly Corrugated Shells", J. of the Structural Division, ASCE, 10, 1976

　　Application & Research Situation of Arched Corrugated Metal Roof and Introduction to Its Technical Specification

　　Zhang Yong Wang Yuanqing Shi Yongjiu Liu Xiliang

　　Abstract Arched Corrugated Metal Roof has been used in China only for 8 years, but it has a relatively long application history in the word. Nevertheless, for some reasons, there still have no technical specifications for it now, which is very disadvantageous to its further dissemination. In this paper, the application and research history of this kind of structure was reviewed systematically. As its technical specification is now being drawn up in China, the compiling course and main content of the specification are also been introduced.

　　Keywords Arched Corrugated Metal Roof; Technical Specification; Application; Research

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　　刘锡良，男，1928年6月出生，教授，博士生导师，长期从事钢结构基本理论与空间钢结构的科研及教学工作。