拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS167:2004《拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》是世界上第一部拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的專用技術(shù)規(guī)程，于2005年2月1日正式實(shí)施。該規(guī)程匯聚了多年的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，為拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作、安裝和使用提供了科學(xué)依據(jù)。
規(guī)程編制的主要研究工作
足尺模型試驗(yàn)研究
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的特殊性決定了必須進(jìn)行足尺試驗(yàn)研究：
- 板材極?。?.6～1.5mm），縮尺模型已無更薄板材可用
- 波紋精細(xì)復(fù)雜，縮尺模型難以準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)波紋的力學(xué)特性
- 波紋對(duì)薄板力學(xué)性能的改變極大，甚至使縮尺模型具有與原結(jié)構(gòu)完全不同的特征
規(guī)程編制組先后進(jìn)行了20組跨度為7～33.5m的拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)足尺破壞性試驗(yàn)，幾乎涵蓋了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所有的板型。通過試驗(yàn)可得出的關(guān)鍵結(jié)論包括：
- 拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度較小，在荷載作用下結(jié)構(gòu)變形較大，表現(xiàn)出顯著的幾何非線性特征
- 結(jié)構(gòu)在全跨荷載作用下的承載力遠(yuǎn)大于在半跨荷載作用下的承載力
- 初始缺陷對(duì)破壞模態(tài)及承載能力都有很大影響，這是一種缺陷敏感結(jié)構(gòu)
- 槽板之間的鎖邊連接質(zhì)量對(duì)板件協(xié)同工作狀況和結(jié)構(gòu)承載能力都有很大影響
- 截面上的橫向小波紋對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響很大，可有效提高結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定承載力
波紋板組屈曲研究
針對(duì)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性能，進(jìn)行了專門的波紋板組相關(guān)屈曲試驗(yàn)和殘余應(yīng)力研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：
- 波紋板的屈曲承載能力明顯高于平板板組
- 波紋板組幾乎沒有屈曲后承載能力，屈曲后快速失去承載力
- 波紋的特殊構(gòu)形顯著增大板件剛度，相當(dāng)于給平板加上加勁肋
- 截面應(yīng)力集中在棱角和波紋的波峰、波谷位置，材料易進(jìn)入塑性
計(jì)算模型與理論分析
天津大學(xué)對(duì)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了3種可能的有限元模型：
- 殼體計(jì)算模型1：以單拱型槽板為研究對(duì)象，用殼體有限元進(jìn)行模擬
- 殼體計(jì)算模型2：以整個(gè)屋蓋為研究對(duì)象，分別采用空間梁?jiǎn)卧翱臻g板單元模擬
- 平面拱計(jì)算模型：簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算量小，便于工程應(yīng)用
采用大撓度有限元理論進(jìn)行了靜力性能分析，得出了結(jié)構(gòu)在不同荷載條件下的失穩(wěn)模態(tài)和承載能力規(guī)律，為設(shè)計(jì)方法的制定提供了理論依據(jù)。
規(guī)程的主要特點(diǎn)與適用范圍
結(jié)構(gòu)名稱與板型命名
規(guī)程將結(jié)構(gòu)定名為"拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)"，統(tǒng)一了國(guó)內(nèi)的叫法。根據(jù)截面形狀，將板型統(tǒng)一命名為YJ和YT系列：
- YJ表示矩形槽截面，YT表示梯形槽截面
- xxxx代表4位數(shù)字，前兩位為單元板上槽口寬度，后兩位為槽深
- 如YT6118表示上槽口寬61cm、槽深18cm的梯形槽壓型單元板
適用條件
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的適用范圍有以下限制：
- 適宜跨度為30m以下，超過跨度時(shí)結(jié)構(gòu)承載力（尤其是半跨荷載作用下）比較低
- 適用于四周封閉的建筑，開敞式拱形屋蓋不在規(guī)程適用范圍內(nèi)
- 不適用于強(qiáng)腐蝕、相對(duì)濕度長(zhǎng)期較高和高溫環(huán)境的建筑
- 不適用于直接承受動(dòng)力作用的建筑，該結(jié)構(gòu)對(duì)集中荷載、動(dòng)荷載敏感
材料與性能要求
彩涂鋼板標(biāo)準(zhǔn)
規(guī)程規(guī)定采用冷連軋鋼帶經(jīng)熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅工藝后的彩涂鋼板：
- 熱鍍鋅彩涂鋼板牌號(hào)：TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS530GD+Z等
- 熱鍍鋁鋅彩涂鋼板牌號(hào)：TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ等
- 基板厚度一般不超過1.5mm，屬于超薄鋼板
- 基板厚度不得小于0.8mm，供貨負(fù)偏差不得大于3%
防腐與耐久性
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的防腐性能依賴于鍍層和涂層的類型和厚度，規(guī)程在附錄中根據(jù)使用環(huán)境腐蝕性給出了具體的鍍層重量要求和涂層技術(shù)性能要求。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)
上部屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)一般在兩拱腳處通過連接角鋼與下部支承結(jié)構(gòu)相連，可簡(jiǎn)化成固定鉸支座。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下要點(diǎn)：
- 屋蓋支座處的水平相對(duì)位移不得大于100mm
- 當(dāng)跨度不大于24m時(shí)，屋蓋縱跨比不宜小于0.5；跨度大于24m時(shí)不宜小于0.8
- 滿足上述要求后，可忽略結(jié)構(gòu)縱向作用和屋蓋山墻支承作用的影響
- 采用基于一階分析的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，只需進(jìn)行一階分析便可推導(dǎo)出二階內(nèi)力
荷載與承載力驗(yàn)算
規(guī)程對(duì)這類結(jié)構(gòu)的基本雪壓提高了10%，即sk=1.1ks0，以應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)很多拱形屋蓋由半跨雪荷載引起的坍塌事故。采用邊緣屈服準(zhǔn)則判斷極限狀態(tài)，考慮了結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)。
下部支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的下部支承結(jié)構(gòu)可為鋼框架、混凝土框架或配筋混凝土墻體。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：
- 屋蓋支座處的相對(duì)水平位移不得大于100mm
- 滿足此條件后，可不考慮上下部分協(xié)同工作，分別設(shè)計(jì)
- 下部結(jié)構(gòu)可不設(shè)溫度縫，屋蓋結(jié)構(gòu)可不考慮溫度作用
- 屋蓋結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行抗震計(jì)算，但與下部結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)按規(guī)范設(shè)計(jì)
常見問題解答
規(guī)程為什么要求基板厚度不得小于0.8mm？
超薄鋼板受缺陷影響較大，而目前尚缺乏制造偏差的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為提高結(jié)構(gòu)安全度，規(guī)程規(guī)定最小基板厚度為0.8mm，并設(shè)定供貨負(fù)偏差不得大于3%。
為什么半跨荷載時(shí)承載力明顯下降？
試驗(yàn)和理論分析都表明，拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在半跨荷載作用下的承載力遠(yuǎn)小于全跨均布荷載時(shí)的承載力，這與結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性失穩(wěn)特征有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)必須特別重視。
屋蓋結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)嗎？
由于拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)自重很小，其承載能力一般不受地震作用控制，因此規(guī)程認(rèn)為屋蓋結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行抗震計(jì)算，但與下部結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
小結(jié)
CECS167:2004《拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》是行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)的、全面的技術(shù)指導(dǎo)文件，為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。規(guī)程基于大量足尺試驗(yàn)和理論分析，提出的設(shè)計(jì)方法既反映了結(jié)構(gòu)的特殊性能，又便于工程應(yīng)用。江蘇杰達(dá)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司嚴(yán)格按照規(guī)程要求進(jìn)行拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，確保工程質(zhì)量和安全性。