拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是一種典型的冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu),整個屋蓋結(jié)構(gòu)處于三維空間受力狀態(tài),充分發(fā)揮了材料的力學潛能,在無梁無凜的情況下實現(xiàn)了大跨度的要求。它蘊含很大的社會和經(jīng)濟效益,非常適合我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的社會主義初級階段的國情,因此在我國得到了蓬勃發(fā)展,應用領(lǐng)域涉及廠房、倉庫、臨時展廳、加油站、車庫等方面(如圖1-2)。
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是靠在鋼板上軋制出波紋成型的。將卷板變成拱形屋蓋需要兩道成型工藝:第一步將鋼板軋制成U形或梯形波紋直槽板,第二步通過在翼緣和腹板處軋出橫向小波紋而將直槽板軋成拱形槽板(如圖1-3)。
拱形槽板的曲率大小就是靠槽板上橫向小波紋的深淺來調(diào)整的。雙向波紋改變了鋼板的力學性能,第一步軋制成的槽形波紋極大地提高了鋼板的剛度,是結(jié)構(gòu)承載力的根本所在,而第二步軋成的橫向小波紋則可提高鋼板的局部穩(wěn)定承載力,增強結(jié)構(gòu)縱向抗彎剛度,突出結(jié)構(gòu)殼體受力特性。但橫向波紋無疑會削弱結(jié)構(gòu)跨度方向的剛度。根據(jù)槽板橫截面形狀的不同可將這種結(jié)分為不同類型。目前國際上廣為采用的板型是由美國MIC公司開發(fā)的MIC-X系列,主要有MIC-120型、MIC-160型和MIC-240型。介紹的MMR-118、MMR-178、MMR-238(圖1-4)以及武漢鋼鐵集團的W666、營口三星公司的W760等均為國內(nèi)廠家在吸取國外經(jīng)驗基礎上開發(fā)出來的具有自主專利權(quán)的結(jié)構(gòu)形式。
拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的施工流程如圖1-5所示。整個屋蓋呈拱形結(jié)構(gòu)受力機理,內(nèi)力分布較均勻,因此可實現(xiàn)很大跨度。它由于下列優(yōu)點,使其具有很強的競爭力:
(1)室內(nèi)有效空間大:彩板拱矢跨比為0.1-0.5,室內(nèi)無梁無擦,空間開闊明亮,具有其它結(jié)構(gòu)無法比擬的大空間。
(2)外觀造型美:彩板拱線條流暢,色彩華麗,立面可隨意設計,造型風格多樣,可美化建筑群整體風貌。
(3)造價低:用0.8一1,5~厚鍍鋅鋼板壓制成跨度為8一36m的拱頂,無需凜條和屋架,盡管采用昂貴的鍍鋅鋼板,但由于自重輕,用料省,相比其它屋蓋,彩板拱形屋面耗鋼材低于其它結(jié)構(gòu)至少30%。
(4)工期短:施工機動靈活,拱形波紋鋼屋蓋制作的設備及材料可在現(xiàn)場施工,無需加工和備料場地,具有高度的機械性。自動化的施工設備,專業(yè)化的施工隊伍,使得1000om“的工業(yè)廠房屋蓋部分的施工僅在25天內(nèi)即可完成,施工的高效率可為甲方帶來巨大的直接經(jīng)濟效益。
(5)質(zhì)量優(yōu):鍍鋅鋼板強度高,機械咬合鎖邊連接,除拱腳外,其它部位無螺栓,不需要焊接,氣密性和防水性能可靠,因而具有很強的耐腐蝕性。該結(jié)構(gòu)的維護期為20年,維護也僅限于表面的局部處理。
(6)抗震性能好:彩板拱形屋面整體性好,重量輕,不會發(fā)生脆斷破壞,即使發(fā)生大震,支撐墻體倒塌,由于負壓的存在,它的下落也是緩慢的,拱形屋面的中間部分的坍塌對室內(nèi)人員和設備不會造成大的損害。
但是,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的缺點也一樣突出。
(1)造型單一、截面形式固定是這種結(jié)構(gòu)的一大缺陷。在常規(guī)荷載作用下,從結(jié)構(gòu)受力角度說,圓弧拱軸線不是受力最合理的拱軸線。由于一臺特定成型設備只能軋制一種截面形式的槽板,故而結(jié)構(gòu)沿整個跨度是等截面的,這對結(jié)構(gòu)受力也是不合理的。
(2)它的加工成型特點以及板面大量的幾何形狀不規(guī)則的波紋又使得對結(jié)構(gòu)精確分析異常復雜;由于截面厚度小,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。
國內(nèi)外對這種結(jié)構(gòu)的整體和局部穩(wěn)定承載能力及其工作機理的了解尚不十分深入,理論研究滯后于工程實踐,工程事故時有發(fā)生。鞍山附近的6座此類結(jié)構(gòu)在97年元旦的一場暴風雪中發(fā)生坍塌(圖1-6),97年年初遼寧地區(qū)3萬余平方米屋蓋垮塌,98年年初新疆、遼寧、吉林等省區(qū)又有大面積的屋蓋倒塌,09年6月合肥某商城拱形屋面被風多處撕毀(圖1-7)。頻繁的風雪災事故表明有必要對這類開敞式拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進行深入的理論分析和試驗研究,既包括靜力性能的體型系數(shù)分析研究,也包括動力性能的風振系數(shù)分析研究,從而為工程設計提供理論依據(jù)。
