下部結(jié)構(gòu)對(duì)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)承載力影響分析

申成軍

0 引言

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)從20 世紀(jì)90 年代初在我國(guó)應(yīng)用以來(lái)已有近30 年時(shí)間了，雖然輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的興起應(yīng)用量有所下降，但是由于這種結(jié)構(gòu)形式具有防水效果好、施工速度快、內(nèi)部空間大等優(yōu)點(diǎn)，依舊有大量的廠房、倉(cāng)庫(kù)、餐廳、體育場(chǎng)館等工程采用了這種結(jié)構(gòu)形式。但是這種結(jié)構(gòu)形式計(jì)算分析的方法比較復(fù)雜，通常由專業(yè)廠商進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)拱形波紋鋼屋蓋的分析計(jì)算，下部結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)院分析計(jì)算，這種兩階段的設(shè)計(jì)方法忽略了下部結(jié)構(gòu)對(duì)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)承載力的影響，有時(shí)存在一定的安全隱患。

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)有多種板型，本文以YT6118 型為例探討下部結(jié)構(gòu)剛度變化對(duì)鋼屋蓋承載力的影響，其截面形狀如圖1 所示。

圖1 YT6118

本文以有限元軟件STAAD 建模，以板單元模擬鋼屋蓋受力，首先驗(yàn)證了用STAAD 軟件分析金屬波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的可行性，然后研究了下部結(jié)構(gòu)橫向和縱向剛度變化對(duì)屋蓋承載力的影響，最后總結(jié)了研究結(jié)論并提出了設(shè)計(jì)建議。

1 軟件有效性驗(yàn)證

文獻(xiàn)[2]中對(duì)拱形波紋鋼屋蓋進(jìn)行了足尺模型實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在選取22m 跨度的鋼屋蓋進(jìn)行對(duì)比分析，在文獻(xiàn)[1]的實(shí)驗(yàn)中，鋼屋蓋的拱腳用自攻螺釘固定在異形角鋼上，異性角鋼固定在地面上的混凝土梁上。實(shí)驗(yàn)鋼屋蓋的矢跨比為0.2，板厚為1mm，鋼板采用上海寶鋼生產(chǎn)的TstE28 彩色鍍鋅鋼板，材料的彈性模量為2.06×105Mpa，屈服強(qiáng)度為280 Mpa，抗拉強(qiáng)度為370 Mpa，實(shí)驗(yàn)的半跨極限承載力為667.81Pa，下面用STAAD 軟件進(jìn)行驗(yàn)證，按實(shí)驗(yàn)的跨度和拱高進(jìn)行建模，拱腳采用固定鉸支座，實(shí)驗(yàn)時(shí)側(cè)向加了腳手架進(jìn)行約束，模型加了側(cè)向約束，如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型

對(duì)模型施加 667.81Pa 的荷載后，考慮P-Δ 效應(yīng)的計(jì)算分析，分析完成后Von-Mises 應(yīng)力在實(shí)驗(yàn)的極限荷載作用下達(dá)到了460N/mm，超過(guò)了材料的抗拉強(qiáng)度，證明軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基本吻合的。最大應(yīng)力處為非加載半跨的沿跨度方向約1/8 的位置。此外，軟件輸出的最大豎向位移為320mm，撓跨比為1/69。

經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算分析，表明用STAAD 分析拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是可行的。必須說(shuō)明的是，軟件沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷以及橫向波紋對(duì)鋼屋蓋整體承載力的不利影響，也沒(méi)有考慮縱向肋紋和鎖邊對(duì)整體承載力的有利影響。

2 下部結(jié)構(gòu)橫向剛度對(duì)鋼屋蓋承載力的影響分析

為分析下部結(jié)構(gòu)橫向剛度對(duì)鋼屋蓋承載力的影響，分別取12m 跨、22m 跨的鋼屋蓋為計(jì)算樣本，屋蓋的矢跨比均取0.2，材料材質(zhì)均取TstE28 型彩色鍍鋅鋼板，模型縱向均取21 條板共12.81m，設(shè)2 個(gè)開(kāi)間，柱距6.1m，在鋼屋蓋下建立鋼梁和鋼柱，鋼梁和鋼柱根據(jù)跨度不同選擇不同的截面規(guī)格，以模擬真實(shí)工程中屋蓋的結(jié)構(gòu)布置，建立的三維模型如圖3 所示。

圖3 三維模型

先分析12m 跨度的鋼屋面，鋼屋面的鋼板厚度為0.8mm，半跨加載500Pa，縱向鋼梁采用矩形鋼管250mm×200mm×6mm×6mm，鋼柱采用方鋼管250mm×250mm×6mm×6mm，鋼柱高度從3m 開(kāi)始逐漸增加，直到計(jì)算出的應(yīng)力超過(guò)300N/mm。得到的鋼屋蓋最大應(yīng)力與柱高關(guān)系見(jiàn)圖4 所示，最大豎向位移與柱高關(guān)系見(jiàn)圖5 所示，屋蓋撓跨比（撓度與跨度的比值）與柱高的關(guān)系見(jiàn)圖6 所示，柱子側(cè)移比（柱頂側(cè)移值與柱高的比值）與柱子高度的關(guān)系見(jiàn)圖7 所示。

圖4 12m 跨鋼屋面最大應(yīng)力與柱高關(guān)系圖

圖5 12m 跨鋼屋面最大豎向位移與柱高關(guān)系圖

圖6 12m 跨鋼屋面撓跨比與柱高關(guān)系圖

圖7 12m 跨鋼屋面?zhèn)纫票扰c柱高關(guān)系圖

對(duì)于12m 跨度的鋼屋面，隨著柱高的增加，鋼屋蓋的應(yīng)力水平先是緩慢增加，當(dāng)柱高增加到一定高度，鋼屋蓋的應(yīng)力變化開(kāi)始迅速增加，意味著屋蓋進(jìn)入破壞，屋蓋的最大豎向位移隨著柱子高度的增加逐漸增大，撓跨比隨著柱子高度的增加逐漸增大，側(cè)移比一開(kāi)始隨著柱子高度的增加逐漸增加，后來(lái)由于側(cè)移值增加的幅度沒(méi)有柱子高度大，側(cè)移比呈下降趨勢(shì)。

22m 跨度的鋼屋面的鋼板厚度為1.0mm，半跨加載500Pa，縱向鋼梁采用矩形鋼管300mm×250mm×8mm×8mm，鋼柱采用方鋼管300mm×300mm×8mm×8mm，鋼柱高度從3m開(kāi)始逐漸增加，直到計(jì)算出的應(yīng)力超過(guò)300N/mm。得到的鋼屋蓋最大應(yīng)力與柱高關(guān)系見(jiàn)圖8 所示，最大豎向位移與柱高關(guān)系見(jiàn)圖9 所示，屋蓋撓跨比與柱高的關(guān)系見(jiàn)圖10 所示，柱子側(cè)移比與柱子高度的關(guān)系見(jiàn)圖11 所示。

圖8 22m 跨鋼屋蓋最大應(yīng)力與柱高關(guān)系圖

圖9 22m 跨鋼屋蓋最大豎向位移與柱高關(guān)系圖

圖10 22m 跨鋼屋蓋撓跨比與柱高關(guān)系圖

圖11 22m 跨鋼屋蓋側(cè)移比與柱高關(guān)系圖

對(duì)于22m 跨度的鋼屋蓋，發(fā)現(xiàn)隨著柱高的增加，鋼屋蓋的應(yīng)力水平一開(kāi)始略有下降然后緩慢增加，應(yīng)力略有下降是因約束放松造成的，當(dāng)柱高增加到一定高度，鋼屋蓋的應(yīng)力變化開(kāi)始迅速增加，意味著屋蓋進(jìn)入破壞，屋蓋的最大豎向位移隨著柱子高度的增加逐漸增大，撓跨比隨著柱子高度的增加逐漸增大，側(cè)移比隨著柱子高度的增加逐漸增加。

3 下部結(jié)構(gòu)縱向剛度對(duì)屋蓋承載力的影響分析

鋼屋蓋的縱向長(zhǎng)度決定了下部結(jié)構(gòu)的縱向長(zhǎng)度，下面通過(guò)調(diào)整鋼屋蓋的縱向長(zhǎng)度帶來(lái)的下部結(jié)構(gòu)縱向剛度的變化來(lái)分析鋼屋蓋承載力的變化。

研究方案為分別取12m、22m 跨度的鋼屋蓋計(jì)算模型，在縱向不斷增加單元板（每3 條板為一組單元板）的數(shù)量，直至單元板數(shù)量的增加對(duì)屋蓋承載力的影響不明顯。然后試圖找出屋蓋縱向長(zhǎng)度變化與鋼屋蓋承載力的關(guān)系。

計(jì)算模型的矢跨比取0.2，均施加半跨均布荷載667.81Pa，拱腳均為固定鉸支座；12m 跨鋼屋面的鋼板厚度取0.8mm，22m 跨鋼屋面的鋼板厚度取1.0mm，材料均取TstE28 型彩色鍍鋅鋼板。

經(jīng)計(jì)算分析12m 跨度的計(jì)算模型長(zhǎng)跨比（縱向長(zhǎng)度與跨度的比值）與最大應(yīng)力的關(guān)系如圖12 所示，長(zhǎng)跨比與最大豎向位移的關(guān)系如圖13 所示。

圖12 12m 跨鋼屋面最大應(yīng)力與長(zhǎng)跨比關(guān)系圖

圖13 12m 跨鋼屋面最大豎向位移與長(zhǎng)跨比關(guān)系圖

經(jīng)計(jì)算分析22m 跨度的計(jì)算模型長(zhǎng)跨比與最大應(yīng)力的關(guān)系如圖14 所示，長(zhǎng)跨比與最大豎向位移的關(guān)系如圖15 所示。

圖14 22m 跨鋼屋蓋最大應(yīng)力與長(zhǎng)跨比關(guān)系圖

圖15 22m 跨鋼屋蓋最大豎向位移與長(zhǎng)跨比關(guān)系圖

經(jīng)過(guò)以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼屋蓋縱向長(zhǎng)度的增大，鋼屋蓋縱向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力和位移的影響逐漸減弱，一般當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到8 組單元板的長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)力和位移的影響就已較小。若用長(zhǎng)跨比來(lái)描述，總體而言，當(dāng)拱形鋼屋蓋的長(zhǎng)跨比達(dá)到0.8 時(shí)，縱向剛度對(duì)屋蓋承載力的影響基本保持穩(wěn)定，跨度小的比跨度大的更易保持穩(wěn)定。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，很少有屋蓋長(zhǎng)度小于跨度的情況，也就是說(shuō)一般情況下可以忽略下部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度變化對(duì)屋蓋承載力的影響。在特殊情況下，當(dāng)鋼屋蓋的用量很少，少于8 組單元板時(shí)，應(yīng)該考慮屋蓋縱向剛度較小對(duì)屋蓋整體承載力的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上的分析可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度較差時(shí)不可忽略下部結(jié)構(gòu)橫向剛度的影響，這時(shí)在分析拱形波紋鋼屋蓋的承載力時(shí)，應(yīng)與下部結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析。

下部結(jié)構(gòu)縱向剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)的承載力有不同程度的影響，當(dāng)屋蓋的縱向長(zhǎng)度小于8 組單元板的寬度時(shí)，不可忽略下部結(jié)構(gòu)縱向剛度的影響，這時(shí)在分析拱形波紋鋼屋蓋的承載力時(shí)，應(yīng)與下部結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析。

此外，建議在設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)時(shí)屋蓋的撓跨比宜控制在1/150 以內(nèi)，若墻體采用輕質(zhì)墻面，下部結(jié)構(gòu)的側(cè)移比宜控制在1/150 以內(nèi)，在有可靠的分析時(shí)，可放寬到1/100。另外，有限元分析表明，最邊處的條板往往應(yīng)力較大或變形過(guò)大，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行山墻封閉處理，若為山墻開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，邊部條板應(yīng)采用鋼桁架在底部加強(qiáng)。