金属拱形波纹屋盖四种截面形式的对比分析

2011-10-09栗桂军

河北建筑工程学院学报 2011年1期

栗桂军

（张家口市第一建筑工程有限公司，河北张家口075000）

0 引言

金属拱形波纹屋盖最早起源于美国.20世纪40年代，国际上一些建筑师和结构工程师们为了寻找新的结构形式，从自然界植物表皮的纹理中得到启发，用极薄的材料通过波纹加劲发明了一种新的结构形式.1955年，美国首先将这种结构应用于军事，后来转向民用.该结构自20世纪90年代初期传入我国，因其用钢量小、造价低廉、施工速度快，具有良好的经济效益和应用前景.很多生产厂家和高等院校、科研单位投入了大量的人力、财力和物力，参考国际先进经验，结合我国的实际情况，对此结构进行了慎密的研究和开发.然而，这种新型结构形式由于波纹的存在，受力性能比较复杂，我国至今尚未形成一个统一的计算模型、计算公式和分析方法.本文以足尺模型试验数据为依据，对该结构形式的分析理论计算公式进行了修正，并对中国国内出现的四种常用的截面形式从承载能力和经济指标两个方面进行了比较和分析.

1 金属拱形波纹屋盖的截面形式和材料

1.1 金属拱形波纹屋盖的截面形式

金属拱形波纹屋盖采用定型化机组批量生产，截面形式和尺寸一般是确定的.其截面形式有多种.但从目前市场上比较通行的截面而言，基本上有U形和V形两种，各生产厂家产品形式和尺寸基本一致，差异较小；后来有的厂家为了取得良好的承载力或经济指标，对于这两种截面形式进行了改进.改进的方法无非是加高了U形截面的肋高，借以提高截面的承载能力，增大屋盖的使用跨度；或拉宽了V形截面的底板，增加了覆盖面积，降低用钢成本，以取得良好的经济效益.如图1和表1.

图1

1.2 金属拱形波纹屋盖的材料

表1 国内常用板型屋盖截面的几何参数单位（mm4）

金属拱形波纹屋盖所采用的钢板材料，根据作者对国内市场的调研结果，各生产厂家所选用的钢板几乎都是上海宝山钢铁厂生产的TSTE28和TSTE34热镀锌彩色钢板，材质比较稳定可靠.因为金属拱形波纹屋盖的承载能力是由其整体稳定性所控制，高强度钢板并不能充分发挥强度优势，这种屋盖结构形式宜采用价格和强度都较为适中的TSTE28热镀锌彩色钢板.

2 金属拱形波纹屋盖两种常用截面形式的比较

2.1 承载能力比较

影响金属拱形波纹屋盖承载能力的因素主要有：板型、钢板材料、跨度、矢跨比和钢板厚度等.根据有关文献金属拱形波纹屋盖的承载能力主要由其受载后的整体稳定性所决定.对于特定的金属拱形波纹屋盖工程来说，当其板型和板材确定后，影响结构承载力的主要因素就只有跨度L、矢跨比ξ和钢板厚度t了，因此，这三者也就理所当然地成为金属拱形波纹屋盖工程设计的主要参数.

在同等条件下（即相同的跨度L、矢跨比ξ和钢板厚度t），从图1和表1我们可以看出，对于单条屋盖板来说，由于V形截面的尺寸和截面惯性矩比U形要大得多，因而单板承载能力V形要大于U形.但从工程上来说，由于单条屋盖板所覆盖的宽度不同，V形610mm是U形305mm的两倍，单位屋盖面积的承载能力则相差不大，一般情形下，V形反而略低于U形.

加高U形比U形的截面惯性矩增加比较多，单条屋盖板的覆盖宽度为U形的1.5倍，用钢量增加不多，但承载能力有所增加，适用跨度可以适当加大.加宽V形由于高度降低，截面惯性矩减小，加上单条板的覆盖宽度加大了，虽然用钢量减小了，经济指标较好，但承载力降低较多，所以只能适用较小跨度.

然而，这两种截面形式却有着各自独到的特点和使用范围.由于截面形式的不同，在机械加工成型时也有其不同的条件限制.通常情况下，U形截面的局部稳定性较好，结构整体稳定性偏差，该截面形式更适宜于板厚较薄、跨度不大的工程条件；V性截面的局部偏差，结构的整体稳定性较好，在钢板厚度的逐步增大的过程中，其局部稳定性将得到改善，因此，V形截面适用于厚板条件.

因此，对此两种板型的适用跨度和钢板厚度的规定为：V形截面适用跨度L＝15～36m，钢板厚度t＝0.6～1.5mm；U形截面的适用宽度L＝6～24m，钢板厚度t＝0.6～1.2mm.

2.2 经济指标比较

表2 相同钢板厚度条件下四种截面承载能力的比较

V形截面宽度为610mm，加宽V形截面宽度为700mm，都采用宽度915mm钢板带轧制；U形截面宽度305mm，采用宽度610mm钢板带轧制；加高U形截面宽度455mm，采用宽度915mm钢板带轧制.显然与用钢量直接关联的经济指标，V形截面要优于U形截面，虽然在同等工程条件下，V形截面的承载能力稍差.但在相同用钢量条件下，V形截面的钢板厚度可为U形截面的4／3倍，结构的承载能力由于钢板厚度的增加而增大.