1996 年天津大学刘锡良教授率先在国内介绍了这种结构成型的技术特点,应用范围及工程实例,阐述了用有限元法和有限条法分析其承载能力的设想,为波纹拱的研究指明了方向,并进一步指出可以将波纹拱简化为正交各向异性加肋圆柱壳,采用复合样条有限条法分析这种结构的新思路。
天津大学张勇在前人有限元研究的基础上,建立了三种结构计算模型模型:将结构上带有波纹的板件用等效的正交异性板来模拟,以一条拱型槽板为研究对象建立了壳体计算模型Ⅰ;将腹板与翼缘的共同作用简化成加劲的正交异性壳,以整个屋盖为研究对象建立了壳体计算模型Ⅱ;忽略结构沿纵向的力学作用并计入波纹的影响,以单位宽度的屋盖为研究对象建立了拱结构计算模型。
根据非线性有限元法基本原理,推导了空间梁单元在 Total-Lagrange 坐标下的所有有限元列式,并结合其构造的广义协调平板型四边形壳单元,编制了适用于壳梁杂交结构的几何非线性分析的有限元程序。而且还设计并实施了 16 组拱型波纹钢屋盖结构的足尺模型试验。天津大学张彦鹏利用拱型波纹钢屋顶的试验研究所获得的数据进行理论分析,提出以拱结构模型分析该结构的思路,推导了应用几何非线性有限元原理分析拱结构的公式。
清华大学李少甫教授等以 MIC 型波纹拱为研究对象,将各单元拱简化为开口薄壁圆弧拱,采用梁元进行模拟,对其进行了大挠度几何非线性分析,同时提出了将单拱等效为压弯杆件的简化设计方法。清华大学郭彦林等通过研究指出波纹拱型屋盖的特有破坏形式是折曲屈曲,波纹的存在使拱板的刚度大大提高,从而导致拱型屋顶的破坏形式由局部与整体稳定的相关作用模式转化为突发的折曲屈曲破坏形式。传统的有效面积(宽度)概念不适用于该结构,因为在波纹拱破坏之前并无明显的局部失稳,而是伴随着突发的折曲屈曲破坏,其破坏性质发生了质的变化。
北方交通大学徐国彬等则通过对拱壳屋顶的倒塌事故研究,阐述了倒塌事故产生的主要原因是折皱效应引起的。他认为波纹对结构的极限承载力有较大的削弱影响,即折皱所引起的负面影响较大,稳定问题对该结构承载力起控制作用,用有限元法模拟波纹形状是一种较为有效的计算方法。天津大学高福聚以足尺模型试验为基础,根据经典的力学方法分析了拱型波纹钢屋盖结构的受力性能和主要特点,以及决定该结构承载能力的主要因素,并按照正交异性薄板理论对该结构的计算模型进行了合理的简化,给出了该结构的承载力计算公式,并根据试验数据对其进行了修正。
此外,还有不少学者和工程技术人员围绕拱型波纹钢屋盖结构的简化模型和研究方法做了许多有益的探索。 从前人的研究成果可以总结如下:
(1)建立较为合理的分析模型是各项研究工作开展的基础,但波纹和加工引起的变形、残余应力等初始缺陷的存在,给建立精确的理论模型造成了较大的困难。目前,研究波纹屋盖结构的计算模型主要有两种:拱模型和壳模型;理论分析方法主要有两种,有限元法和有限条法。不少学者为了简化计算,在进行整体分析时将波纹板等效为正交异性平曲板,并取得了较好的结果。他们的研究在一定程度上考虑了波纹的影响,但在波纹对结构稳定能力的正负效应问题上仍存在一定的分歧。
(2)一般来说,对于拱型波纹钢屋盖结构的整体稳定而言,在自重类荷载及类雪荷载等对称荷载作用下,无缺陷金属拱型波纹屋盖结构的失稳模态为非对称的分枝屈曲;若考虑缺陷的影响,结构的失稳模态将转变成非对称变形的极值失稳,而且此时的极限承载力明显小于无缺陷拱的分枝稳定承载力。在半跨三角形荷载作用下,拱型波纹钢屋盖结构的失稳模态为非对称的极值失稳。
在类风荷载作用下,四周封闭的拱型波纹钢屋盖结构不存在稳定问题,在力学上表现为强度问题。固支条件下的结构刚度要比铰支条件下的结构刚度大,因此,固支结构的稳定承载能力也要比铰支结构高。