拱形波纹钢屋盖结构是一种典型的冷弯薄壁轻钢结构,整个屋盖结构处于三维空间受力状态,充分发挥了材料的力学潜能,在无梁无凛的情况下实现了大跨度的要求。它蕴含很大的社会和经济效益,非常适合我国经济飞速发展的社会主义初级阶段的国情,因此在我国得到了蓬勃发展,应用领域涉及厂房、仓库、临时展厅、加油站、车库等方面(如图1-2)。
拱形波纹钢屋盖结构是靠在钢板上轧制出波纹成型的。将卷板变成拱形屋盖需要两道成型工艺:第一步将钢板轧制成U形或梯形波纹直槽板,第二步通过在翼缘和腹板处轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱形槽板(如图1-3)。
拱形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。但横向波纹无疑会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。介绍的MMR-118、MMR-178、MMR-238(图1-4)以及武汉钢铁集团的W666、营口三星公司的W760等均为国内厂家在吸取国外经验基础上开发出来的具有自主专利权的结构形式。
拱形波纹钢屋盖结构的施工流程如图1-5所示。整个屋盖呈拱形结构受力机理,内力分布较均匀,因此可实现很大跨度。它由于下列优点,使其具有很强的竞争力:
(1)室内有效空间大:彩板拱矢跨比为0.1-0.5,室内无梁无擦,空间开阔明亮,具有其它结构无法比拟的大空间。
(2)外观造型美:彩板拱线条流畅,色彩华丽,立面可随意设计,造型风格多样,可美化建筑群整体风貌。
(3)造价低:用0.8一1,5~厚镀锌钢板压制成跨度为8一36m的拱顶,无需凛条和屋架,尽管采用昂贵的镀锌钢板,但由于自重轻,用料省,相比其它屋盖,彩板拱形屋面耗钢材低于其它结构至少30%。
(4)工期短:施工机动灵活,拱形波纹钢屋盖制作的设备及材料可在现场施工,无需加工和备料场地,具有高度的机械性。自动化的施工设备,专业化的施工队伍,使得1000om“的工业厂房屋盖部分的施工仅在25天内即可完成,施工的高效率可为甲方带来巨大的直接经济效益。
(5)质量优:镀锌钢板强度高,机械咬合锁边连接,除拱脚外,其它部位无螺栓,不需要焊接,气密性和防水性能可靠,因而具有很强的耐腐蚀性。该结构的维护期为20年,维护也仅限于表面的局部处理。
(6)抗震性能好:彩板拱形屋面整体性好,重量轻,不会发生脆断破坏,即使发生大震,支撑墙体倒塌,由于负压的存在,它的下落也是缓慢的,拱形屋面的中间部分的坍塌对室内人员和设备不会造成大的损害。
但是,拱形波纹钢屋盖结构的缺点也一样突出。
(1)造型单一、截面形式固定是这种结构的一大缺陷。在常规荷载作用下,从结构受力角度说,圆弧拱轴线不是受力最合理的拱轴线。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。
(2)它的加工成型特点以及板面大量的几何形状不规则的波纹又使得对结构精确分析异常复杂;由于截面厚度小,在荷载作用下结构变形较大,表现出显著的几何非线性特征。
国内外对这种结构的整体和局部稳定承载能力及其工作机理的了解尚不十分深入,理论研究滞后于工程实践,工程事故时有发生。鞍山附近的6座此类结构在97年元旦的一场暴风雪中发生坍塌(图1-6),97年年初辽宁地区3万余平方米屋盖垮塌,98年年初新疆、辽宁、吉林等省区又有大面积的屋盖倒塌,09年6月合肥某商城拱形屋面被风多处撕毁(图1-7)。频繁的风雪灾事故表明有必要对这类开敞式拱形波纹钢屋盖结构进行深入的理论分析和试验研究,既包括静力性能的体型系数分析研究,也包括动力性能的风振系数分析研究,从而为工程设计提供理论依据。
