金屬拱形波紋屋蓋四種截面形式的對比分析

栗桂軍

（張家口市第一建筑工程有限公司，河北 張家口075000）

0 引 言

金屬拱形波紋屋蓋最早起源于美國.20世紀(jì)40年代，國際上一些建筑師和結(jié)構(gòu)工程師們?yōu)榱藢ふ倚碌慕Y(jié)構(gòu)形式，從自然界植物表皮的紋理中得到啟發(fā)，用極薄的材料通過波紋加勁發(fā)明了一種新的結(jié)構(gòu)形式.1955年，美國首先將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軍事，后來轉(zhuǎn)向民用.該結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)90年代初期傳入我國，因其用鋼量小、造價低廉、施工速度快，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景.很多生產(chǎn)廠家和高等院校、科研單位投入了大量的人力、財(cái)力和物力，參考國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國的實(shí)際情況，對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了慎密的研究和開發(fā).然而，這種新型結(jié)構(gòu)形式由于波紋的存在，受力性能比較復(fù)雜，我國至今尚未形成一個統(tǒng)一的計(jì)算模型、計(jì)算公式和分析方法.本文以足尺模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對該結(jié)構(gòu)形式的分析理論計(jì)算公式進(jìn)行了修正，并對中國國內(nèi)出現(xiàn)的四種常用的截面形式從承載能力和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個方面進(jìn)行了比較和分析.

1 金屬拱形波紋屋蓋的截面形式和材料

1.1 金屬拱形波紋屋蓋的截面形式

金屬拱形波紋屋蓋采用定型化機(jī)組批量生產(chǎn)，截面形式和尺寸一般是確定的.其截面形式有多種.但從目前市場上比較通行的截面而言，基本上有U形和V形兩種，各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品形式和尺寸基本一致，差異較小；后來有的廠家為了取得良好的承載力或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對于這兩種截面形式進(jìn)行了改進(jìn).改進(jìn)的方法無非是加高了U形截面的肋高，借以提高截面的承載能力，增大屋蓋的使用跨度；或拉寬了V形截面的底板，增加了覆蓋面積，降低用鋼成本，以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益.如圖1和表1.

圖1

1.2 金屬拱形波紋屋蓋的材料

表1 國內(nèi)常用板型屋蓋截面的幾何參數(shù)單位（mm4）

金屬拱形波紋屋蓋所采用的鋼板材料，根據(jù)作者對國內(nèi)市場的調(diào)研結(jié)果，各生產(chǎn)廠家所選用的鋼板幾乎都是上海寶山鋼鐵廠生產(chǎn)的TSTE28和TSTE34熱鍍鋅彩色鋼板，材質(zhì)比較穩(wěn)定可靠.因?yàn)榻饘俟靶尾y屋蓋的承載能力是由其整體穩(wěn)定性所控制，高強(qiáng)度鋼板并不能充分發(fā)揮強(qiáng)度優(yōu)勢，這種屋蓋結(jié)構(gòu)形式宜采用價格和強(qiáng)度都較為適中的TSTE28熱鍍鋅彩色鋼板.

2 金屬拱形波紋屋蓋兩種常用截面形式的比較

2.1 承載能力比較

影響金屬拱形波紋屋蓋承載能力的因素主要有：板型、鋼板材料、跨度、矢跨比和鋼板厚度等.根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)金屬拱形波紋屋蓋的承載能力主要由其受載后的整體穩(wěn)定性所決定.對于特定的金屬拱形波紋屋蓋工程來說，當(dāng)其板型和板材確定后，影響結(jié)構(gòu)承載力的主要因素就只有跨度L、矢跨比ξ和鋼板厚度t了，因此，這三者也就理所當(dāng)然地成為金屬拱形波紋屋蓋工程設(shè)計(jì)的主要參數(shù).

在同等條件下（即相同的跨度L、矢跨比ξ和鋼板厚度t），從圖1和表1我們可以看出，對于單條屋蓋板來說，由于V形截面的尺寸和截面慣性矩比U形要大得多，因而單板承載能力V形要大于U形.但從工程上來說，由于單條屋蓋板所覆蓋的寬度不同，V形610mm是U形305mm的兩倍，單位屋蓋面積的承載能力則相差不大，一般情形下，V形反而略低于U形.

加高U形比U形的截面慣性矩增加比較多，單條屋蓋板的覆蓋寬度為U形的1.5倍，用鋼量增加不多，但承載能力有所增加，適用跨度可以適當(dāng)加大.加寬V形由于高度降低，截面慣性矩減小，加上單條板的覆蓋寬度加大了，雖然用鋼量減小了，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，但承載力降低較多，所以只能適用較小跨度.

然而，這兩種截面形式卻有著各自獨(dú)到的特點(diǎn)和使用范圍.由于截面形式的不同，在機(jī)械加工成型時也有其不同的條件限制.通常情況下，U形截面的局部穩(wěn)定性較好，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性偏差，該截面形式更適宜于板厚較薄、跨度不大的工程條件；V性截面的局部偏差，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較好，在鋼板厚度的逐步增大的過程中，其局部穩(wěn)定性將得到改善，因此，V形截面適用于厚板條件.

因此，對此兩種板型的適用跨度和鋼板厚度的規(guī)定為：V形截面適用跨度L＝15～36m，鋼板厚度t＝0.6～1.5mm；U形截面的適用寬度L＝6～24m，鋼板厚度t＝0.6～1.2mm.

2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

表2 相同鋼板厚度條件下四種截面承載能力的比較

V形截面寬度為610mm，加寬V形截面寬度為700mm，都采用寬度915mm鋼板帶軋制；U形截面寬度305mm，采用寬度610mm鋼板帶軋制；加高U形截面寬度455mm，采用寬度915mm鋼板帶軋制.顯然與用鋼量直接關(guān)聯(lián)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，V形截面要優(yōu)于U形截面，雖然在同等工程條件下，V形截面的承載能力稍差.但在相同用鋼量條件下，V形截面的鋼板厚度可為U形截面的4／3倍，結(jié)構(gòu)的承載能力由于鋼板厚度的增加而增大.

2.3 實(shí)例分析

我們不妨以U形、V形都適宜的工程跨度為例在承載能力和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面作一下具體的比較，詳見表2.取跨度L＝20.0m、矢跨比ξ＝1／5.

3 結(jié)論和建議

綜上所述，我們可以得出如下結(jié)論，并對今后的金屬拱形波紋屋蓋作出下列建議：

（1）金屬拱形波紋屋蓋U形和V形、以及加高U形和加寬V形，這四種截面形式各自有著獨(dú)到的特點(diǎn)和適用范圍，彼此間沒有完全取代和被取代的優(yōu)勢和可能，具體截面形式的選用要根據(jù)工程的具體工況、工藝要求和使用功能確定.

（2）金屬拱形波紋屋蓋鋼板厚度要根據(jù)工程要求和實(shí)際承擔(dān)的荷載組合經(jīng)過計(jì)算確定，不可以生搬硬套其他工程的數(shù)據(jù)資料.

（3）金屬拱形波紋屋蓋的矢跨比范圍理論上為ξ＝1／6～1／3，實(shí)際工程中較為適宜的ξ＝1／5～1／4.如果沒有條件限制，最佳的矢跨比為ξ＝1／5，因?yàn)榘凑铡督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001之規(guī)定，此時風(fēng)荷載體型系數(shù)在迎風(fēng)面為零.

（4）金屬拱形波紋屋蓋工程拱腳連線以上的山墻應(yīng)當(dāng)封閉，因工藝或其他要確實(shí)不能封閉的，應(yīng)在屋蓋工程的兩端采取加固措施.