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无梁拱形屋面的跨度计算

文章出处:拱形屋面 人气:发表时间:2016-12-15 19:00

江苏杰达钢结构工程有限公司 金属波纹拱形屋顶的跨度计算

大跨度拱形屋面结构体系(又称金属拱型波纹屋盖结构)是由预涂层卷板经轧制后形成的一种外形呈拱型的屋盖构体系。我国于1992年通过引进美国的施工设备引进了金属拱型波纹屋盖结构体系。由于这种结构具有用料省、施工速度快、跨越能力大、防水性能好等突出的优点,很适合我国经济尚不发达,但却持续高速增长的国情,因此在建筑市场上表现出了空前的发展势头。

这种结构的主要特征如下:

1)结构由薄钢板轧制而成:目前采用的材料主要为预涂层卷板,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210~550MPa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,结构所用的钢板的厚度得以降低,结构适用跨度的范围也得到扩大,目前常用的预涂层卷板基板的厚度在0.6~1.5mm之间,可实现的最大跨度40m。由于材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实现栓焊连接,因此这种结构构件之间的连接采用锁边连接形式,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)结构靠在钢板上轧制出波纹成型:将卷板变成拱型屋盖需要二道成型工艺,第一步将钢板轧成U型或梯形波纹直槽板,第二步通过在直槽板下部轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱型槽板,拱型槽板曲率大小就是靠板上横向小波纹的深浅来调整的。双向波纹彻底改变了原来钢板的力学性能,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,第二步轧成的横向的小波纹则可提高钢板的局部稳定的承载力,增强结构纵向的抗弯刚度,突出结构的壳体受力特征,但同时也削弱了结构跨度方向的刚度,降低结构跨度方向上的稳定承载力。

3)结构呈拱型结构:金属拱型波纹屋盖呈拱型(或筒壳)结构受力机理,内力分布较均匀,故而可在无梁无檩的情况下独立实现很大的跨度。

这种结构具有施工速度快、用料省、跨越能力大、防水防腐性好、色泽艳丽、造型美等诸多优点。目前这种结构可实现最大跨度为40m,而所用的钢板厚仅为1.5mm,用钢量约为22kg/m2。由于在制作、安装过程中的各个环节均通过机械操作完成,因而施工速度非常快,一般情况下一个台班可制作安装500~800m2,1万m2的屋盖结构可在20天内完成。这种结构艳丽的色彩来源于材料的彩色涂层,同一建筑可选用多种颜色的彩板进行组合。因受结构成型工艺的制约,这种结构主要为圆弧外形,但与国内常见的平屋顶及人字形屋顶相比不失为一种新的变化。另外不同曲率的圆弧,以及对圆弧拱壳进行切割或相贯处理,可实现更为优美的建筑造型。

但也应该看到金属拱型波纹屋盖结构也有其自身难以克服的缺点,如造型单一、截面形式固定等。另外从结构受力角度来看,这种结构的圆弧外形并非理想形式,因为常规荷载作用下,圆弧拱轴不是受力最合理的拱轴;对于一定特定的成型设备而言,只能轧制截面形式一定的一种槽板。这种结构沿整个跨度方向是等截面的,从受力角度看这也是不合理的。另外由于采用一定材料及一定板型的一定跨度的这种结构,其承载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,变化这两个参数对提高结构承载力的意义并不大,因此对于荷载较大或跨度较大的建筑,这种结构留给设计人员可供选择的余地很小。

国内外发展和研究状况

总的来说这种结构的优点是主要的,也正因为如此这种结构在世界范围内得到了普及及推广。有资料显示在北美地区每年就有一万多栋建筑采用这种结构,当然由于前面提到的这种结构的一些缺陷,在发达国家这种结构多被用于对功能要求不太高的建筑和临时建筑中。海湾战争更是为了这种结构作了活广告,在海湾战争后的1992年我国通过引进美国设备引进了金属拱型波纹屋盖结构。由于这种结构蕴涵着很大的经济及社会效益。非常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,清华大学等科研机构在技术上的积极投入,这种结构在我国得到了蓬勃发展。我公司研制的W610、W120型机组在吸取国外先进经验基础上有很大的创新,前者轧制的板材具有更大的截面刚度,可实现更大跨度的建筑,而后者轧制的板材应用于较小跨度的建筑可实现更好的视觉效果。成型设备的国产化,大大地降低了设备购置费用,这对推动这种结构在我国的普及推广具有很大意义。短短几年内我公司工程应用也骤增到每年10多万m2,应用领域涉及厂房、仓库、展厅、礼堂、训练馆、体育馆、餐厅、娱乐厅、加油站、营房、车库以及临时建筑等方方面面。

从搜集到的有关资料看,国外关于金属拱型波纹屋盖结构研究成果的文献主要发表于六、七十年代,文献作者分别来自美国、加拿大、意大利、前苏联和澳大利亚等国,文献内容涉及足尺试验、构件实验以及计算方法、设计思想等。尽管对这种结构进行了理论及试验研究并取得了很多成果,但这些成果多为互不联系的学者所取得,很少有文献对其进行系统的分析和总结,更没有从中提炼出实用的结构设计方法。

金属拱型波纹屋盖结构在国内出现的时间虽不常,但由于很多科研院所的热情投入以及企业的积极支持,研究工作进展很快,目前已有三家单位的研究成果通过国家鉴定,分别为清华大学两家和天津大学一家。按金属拱型波纹屋盖结构拱脚连接方式可分为铰接、固接支座两类。其常用的构造节点除支座节点(包括单跨、多跨)外,还拱形大棚包括单元板间连接、与山墙连接节点、拱脚防水防腐处理、屋面采光孔、采光带设置、屋面通风构造等。其中因板型的差异,节点处理上略有不同。

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