拱形波紋鋼屋蓋結構技術規(guī)程6的編制與應用

劉錫良.張勇藝

(1.天津大學土木系,天津30()072;2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京100044)

摘要:中國工程建設標準化協(xié)會標準CECS167,20045拱形波紋鋼崖蓋結構技術規(guī)程6于0240年21月正式碩布實施"這是世界上第一本拱形波紋鋼屋蓋結構的專用技術規(guī)程"總結挽程編制組對這種結構所做的主要研究工作,并介紹該規(guī)程的主要特點及應用案例"

關鍵詞:拱形波紋鋼屋蓋結構;技術規(guī)程;設計方法;彩涂板;質量控制

1998年9月中國工程建設標準化協(xié)會下達了協(xié)會標準5金屬拱型波紋屋蓋結構技術規(guī)程6的編制計劃"在協(xié)會輕型鋼結構委員會主持下,經主編單位天津大學和各參編單位近5年的辛勤工作,很終完成了編制任務"規(guī)程于2004年21月批準,于2005年2月1日開始實施,編號為CECS167,2004"CECS167,2o04(拱形波紋鋼屋蓋結構技術規(guī)程)(以下簡稱5規(guī)程)是世界上第一本拱形波紋鋼屋蓋結構的專用規(guī)程,在編制過程中現有可供直接借鑒的資料不多,編制困難較大"規(guī)程編制組為此進行一了大量的針對性研究,并系統(tǒng)總結了國內外相關_l二程經驗,在此基礎上形成的規(guī)程內容較全面,不僅規(guī)定了拱形波紋鋼屋蓋結構的材料!制作!安裝及使用等技術要求,而且提出了一套切實可行的結構設計方法!.}"本文首先總結規(guī)程編制組對拱形波紋鋼屋蓋結構所做的研究工作,然后介紹規(guī)程的主要特點及應用案例"

1規(guī)程編制組完成的主要研究工作

1.1拱型波紋鋼屋蓋結構足尺模型試臉研究.5川拱型波紋鋼屋蓋結構的兩個構造特點決定了無法通過縮尺模型試驗來研究這種結構的性能:一是這種結構所用板材很薄(0.6~1.5mm),縮尺模型已無更薄的板材可用;二是這種結構上壓有很多細小的波紋,縮尺模型上即便壓出波紋,波紋的性狀也很難和原結構相同"由于板件很薄,波紋力學性能的改變對于板件的力學性能勢必產生很大的影響,甚至使縮尺模型具有與原結構完全不同的力學特征"盡管足尺模型試驗費時!費財!費力,但對于這種結構的研究卻是必需的"規(guī)程編制組先后進行了02組拱型波紋鋼屋蓋結構的足尺模型試驗,模型跨度為7~73.sm"另外,鞍山東方彩板公司于1998年n月在鞍山也做第一作者:劉錫良,男,1928年6月出生,教授,博士生導師劉錫良,等:CECS167,2OO4(拱形波紋鋼屋蓋結構技術規(guī)程6的編制與應用了8組MIC一120型拱型波紋鋼屋蓋結構足尺試驗"以上試驗均為破壞性試驗,這些試驗合在一起幾乎涵蓋了目前國內市場上所有的板型"通過仔細觀察試驗過程!深人分析試驗結果,可以對這種結構/豐富多彩0的力學性能有一個全面的認識,從中也得出以下結論:

1)拱型波紋鋼屋蓋結構的剛度較小,在荷載作用下結構變形較大,表現出顯著的幾何非線性特征"

2拱型波紋鋼屋蓋結構在全跨荷載作用下的承載力遠大于在半跨荷載作用下的承載力"

3)在全跨荷載作用下的變形小于在半跨荷載作用下的變形;當初始缺陷較小時,結構在全跨荷載作用下的失穩(wěn)類型表現出了非對稱的分枝型失穩(wěn)特征;當初始缺陷較大時為非對稱的極值型失穩(wěn),結構在半跨荷載作用下呈非對稱變形,失穩(wěn)形態(tài)為非對稱的極值型失穩(wěn),

4)初始缺陷對這種結構的破壞模態(tài)及承載能力都有很大影響,這是一種缺陷敏感結構"

)5槽板之間的鎖邊連接質量對板件間協(xié)同工作狀況以及結構的承載能力都具有很大影響結構板件上的橫向小波紋對結構的力學性能影響很大,可有效提高結構的局部穩(wěn)定承載力"

1,2拱型連蚊鋼屋蓋結構局部板組相關屈曲試及殘余應力分布試驗研究16目j作為一種冷彎薄壁型鋼結構,拱型波紋鋼屋蓋結構的局部穩(wěn)定性能必然受到研究者的關注"南昌大學對此進行了專門的試驗研究,結果表明:波紋板

組的屬曲承載能力明顯高于平板板組的承載力,但波紋板組幾乎沒有屬曲后承載能力"波紋的特殊構形顯著增大板件在垂直于波紋伸展方向上的剛度,相當于給平板加上加勁肋,因此波紋板組的屈曲承載能力要高于平板板蛆"板組屈曲后,平板板組截面上應力發(fā)生重分布,很大應力向壁板交線處移動,使截面有繼續(xù)承載的能力,板組的屈曲后承載力基本上取決于截面棱角部分的材料性能"對波紋板組而言,截面的應力集中處除棱角外,還可能在波紋構造的波峰!波谷位置.在其復雜的受力機理作用下,截面達到局部屬曲承載能力時,這些部位的材料已進人塑性.從而導致波紋板組一且屈曲便很快失去承載能力"

武漢工業(yè)大學運用鉆孔法對拱波紋鋼屋蓋結構中的殘余應力進行了測試,得到了結構內部殘余應力的分布形式,并分析了殘余應力對結構承載能力

的影響"

1.3拱型波紋鋼屋蓋結構計算模型研究19.]0

在上述試驗研究的基礎上,天津大學對拱型波紋鋼屋蓋結構的有限元計算模型進行了系統(tǒng)研究,提出了3種可能的有限元模型(兩種殼體計算模型!一種拱計算模型),并逐一進行理論與試驗結果的對比分析"

拱型波紋鋼屋蓋結構是一種筒殼結構,因此將其簡化成殼體計算模型在概念上更容易被接受"殼體計算模型1是以單榻拱型槽板為研究對象,將其作為空間殼體,并用殼體有限元進行模擬分析"對于這種縱向長度較長的結構,若所受荷載沿縱向均勻分布,那么距離結構端部較遠的拱板由于受到相鄰拱板的制約將只發(fā)生平面內的變形,此時若取這樣的一福拱板為研究對象,則相鄰拱板間的相互作用可簡化為一定形式的平面外約束"殼體計算模型2以整個屋蓋為研究對象,對于矩形截面的屋蓋分別采用空間梁單元及空間板單元模擬結構的腹板及下翼緣,對于梯形截面屋蓋則用殼體有限元進行模擬分析"顯然,采用殼體計算模型,結構分析的計算量是巨大的,而且殼體分析理論也比較復雜,難以為一般技術人員所掌握"因此,基于殼體模型的結構分析方法不宜作為通用設計方法進行推廣"事實上,當結構跨度與縱向長度相比較小時,遠離兩端部的屋蓋受端部山墻的影響較小,在荷載沿結構縱向對稱的情況下,這種結構的空間作用并不顯著,若忽略這種空間作用將其按平面結構來分析則可大大簡化分析過程"故提出的第3種計算模型便是平面拱計算模型"模型試驗已表明,無論采用何種計算模型,在確定結構計算參數時都應考慮小波紋的影響"對于波紋板的分析采用靜力等效法進行了簡化處理,具體是按照等剛度原則將波紋板的剛度矩陣等效成平板的剛度矩陣"具體到不同的計算模型,又分別采用了不同的變換技巧:在殼體模型中,等效變換直接變化的是板件的彈性模量和泊松比,而在拱計算模型中變化的是板件的厚度"

1.4拱型波紋鋼崖蓋結構靜力穩(wěn)定承載性能理論

研究[10川

由于這種結構自重輕,剛度小,地震作用一般不是結構設計的控制因素,因此天津大學對其靜力性能進行了系統(tǒng)研究:采用大撓度有限元理論,通過殼體模型2分析了結構縱向長度及山墻支承作用對結構承載力的影響;采用彈塑性大撓度有限元理論,通因素對結構承載力的影響;并運用一致缺陷模態(tài)理論,討論了初始缺陷對結構承載性能的影響"通過

理論分析得到了以下結論:在自重類荷載及類雪荷載等對稱荷載作用下,無缺陷拱型波紋鋼屋蓋結構的失穩(wěn)模態(tài)為非對稱的分枝屈曲;若考慮缺陷的影響,結構的失穩(wěn)模態(tài)將轉變成非對稱變形的極值失穩(wěn),而且此時的極值承載力明顯小于無缺陷拱的分枝穩(wěn)定承載力"；在半跨荷載作用下,拱型波紋鋼屋蓋結構的失穩(wěn)模態(tài)為非對稱的極值點失穩(wěn)；在類風荷載作用下,四周封閉的拱型波紋鋼屋蓋結構不存在穩(wěn)定問題,在力學上表現為強度問題；拱型波紋鋼屋蓋結構在達到極限承載力前,一般要經歷彈塑性變形階段,而且在彈塑性階段結構的變形增加很大而所能承受的荷載增加很小,因此在實際工程中可以采用邊緣屈服準則判斷這種結構的極限狀態(tài)"；對于拱型波紋鋼屋蓋結構的穩(wěn)定承載力而言,固支條件下的結構剛度要比鉸支條件下的結構剛度大,因而固支結構的穩(wěn)定承載能力也要比鉸支結構高"6)在類風荷載作用下,固支結構的變形比鉸支結構小,但其極限承載力卻不比鉸支結構大(按邊緣屈服準則判斷),在有些情況下(如矢跨比取0.15),鉸支結構的極限承載力反而明顯大于固支結構"一般情況下隨著矢跨比的增大,結構剛度降低,結構承載能力也相應下降"在對稱荷載作用下結構的較優(yōu)矢跨比為0.2一0.25;在半跨荷載作用下較優(yōu)矢跨比為0.51~0.52;在類風荷載作用下為0.51一0.25"綜合考慮各種荷載工況及結構承載力對各種缺陷的敏感度,這種結構的較優(yōu)矢跨比應為0.2~0.25"在各種荷載作用下,結構的彎矩內力都表現，出明顯的非線性特征,而軸力均呈線性"因此對于鉸支結構采用線性化分析方法確定的結構支承反力是準確的"；支座位移將降低拱型波紋鋼屋蓋結構的剛度和穩(wěn)定承載力"但隨著結構矢跨比的增加,結構承載力對支座位移的敏感度將降低"實際工程中矢跨比較小(如0,2以下)的結構不僅支承反力大,而且對支座位移反應敏感,破壞前變形小,因此應謹慎選用；由于實際工程所允許的支座位移非常有限,再考慮到這種結構特殊的施工工藝,一般情況下在設計時可不考慮支座位移的影響"對于允許支座移較大的結構,設計時必須計人支座位移的影響；)由于這種屋蓋結構的剛度較低,其支承反力受支座位移的影響很小,因此在確定結構支承反力時可對屋蓋結構單獨進行分析,而不必考慮屋蓋與下部結構的協(xié)同作用"另外,由于屋蓋難以給下部結構提供有效支撐,因此下部支承結構應按懸臂結構進行設計"

對于縱跨比較大的屋蓋結構,只要屋蓋所受荷載沿縱向均勻分布,便可以在計算時忽略結構的縱向變形將屋蓋簡化成平面結構進行分析"

1.5 拱型波紋鋼屋蓋結構簡化設計方法研究L.5.6j

試驗研究及理論分析都表明拱型波紋鋼屋蓋結構的剛度較小,在荷載作用下具有典型的幾何軟化特征,因此設計時必須考慮這種結構的二階效應"二階分析方法雖然可以很好地反映結構的二階效應,但由于其理論及計算過程均較復雜,難以作為一種通用的設計方法被規(guī)程采用"故此,天津大學對這種結構的簡化設計方法進行了專門研究"

前面提出的3種結構計算模型,大多對結構進行了一定程度的簡化處理,相比較而言,拱計算模型對結構進行的簡化處理很大,但這些簡化抓住了這種結構的主要力學特征,另外再通過理論分析和試驗的緊密結合,同樣能得到較滿意的結果"拱計算模型分析理論簡單!計算量很小,非常適宜于工程設計"因此,這套簡化設計方法選用的便是拱計算模型"，這套簡化設計方法是一種在對這種結構進行大量的二階分析的基礎上建立起來的基于結構一階分析的設計方法"該方法只需對結構進行一階分析,求出結構的一階內力,便可推導出結構的二階內力,

2.15規(guī)程6適用范圍

拱形波紋鋼屋蓋結構在國內外均沒有統(tǒng)一的名稱,本規(guī)程將其定名為/拱形波紋鋼屋蓋結構0,從而在國內統(tǒng)一作為該種結構的叫法,這對于規(guī)范市場很有意義"另外,根據構件橫截面的形狀,市場上又將這種結構劃分為不同類型,且板型的命名規(guī)則很不統(tǒng)一,難以為設計人員理解和選用"因此5規(guī)程6根據現行行業(yè)標準CJ/T3035一19955城鎮(zhèn)建設和

劉錫良,等:CECS167:20045拱形波紋鋼屋蓋結構技術規(guī)程6的編制與應用

建筑工業(yè)產品型號編制規(guī)則6的規(guī)定,將這種結構的板型統(tǒng)一命名為YJxxxx型和YTxxxx型"YJ和YT為產品的名稱代號;其中Y表示壓型單元板!J表示矩形槽截面!T表示梯形槽截面;名稱中的xxxx代表4位數字,前兩位數代表單元板的上槽口寬度,后兩位數代表槽深"如YT6118表示上槽口寬61"m!槽深81cm的梯形槽壓型單元板"

按照5規(guī)程6規(guī)定,拱形波紋鋼屋蓋結構是用專門的成型機組將彩涂鋼板壓制成具有褶皺波紋的弧形鋼槽板,經鎖縫連接并安裝就位而形成的屋蓋結構"受構件成型工藝的限制,這種結構截面形式所用鋼板的厚度也不能根據需要而隨意加大"理論分析和工程實踐表明,對于目前國內常用的幾種板型,在加工能力許可的鋼板厚度范圍內,在跨度較大時結構承載力(尤其是半跨荷載作用下)比較低,因此5規(guī)程6規(guī)定這種結構適宜的跨度為30m以下,另外,現行GB50009一201(建筑結構荷載規(guī)范6沒有給出開敞式拱形屋蓋的風荷載體型系數,所以開敞式建筑中的拱形波紋鋼屋蓋結構不在本5規(guī)程6的適用范圍之內

由于拱形波紋鋼屋蓋結構是一種薄壁鋼結構,對集中荷載!動荷載敏感,對使用環(huán)境等也有特殊要求,所以5規(guī)程6不適用于強腐蝕!相對濕度長期較高和高溫等環(huán)境中的建筑以及直接承受動力作用的建筑"

2.2材料

目前,國內拱形波紋鋼屋蓋結構工程中采用的彩涂鋼板的基板均為冷連軋鋼帶"冷連軋鋼帶經熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅工藝后,材料的力學性能會產生一些變化;另外,這類結構采用的冷連軋鋼帶的物理化學指標也與現行國家標準GB70一88(碳素結構鋼6和GBT1591一19945低合金高強度結構鋼6中規(guī)定的Q系列鋼材有很大不同,是一種高強度!低含碳!中合金!低硫磷含量的優(yōu)質結構用鋼材"規(guī)程頒布前我國還沒有這類鋼材的專用標準,所以如何命名材料!如何規(guī)定材料的理化指標,一直是困擾規(guī)程編制的問題"2004年n月國家標準GB/T127545彩色涂層鋼板與鋼帶)(修訂本)通過了專家審查,其中明確了彩涂鋼板的鋼材牌號,因此5規(guī)程6直接按該標準的規(guī)定采用,即熱鍍鋅彩涂鋼板牌號

TS25OGD+Z!TS28OGD+Z!TS32OGD十Z!

TS530GD+Z和熱鍍鋁鋅彩涂鋼板牌號

TS250GD+AZ!TS28OGD+AZ!TS30OGD+AZ!

TS32oGD+AZ!TS35oGD+AZ等"需要明確的是,彩涂板的力學性能指標是指基板(含鍍層)的力學性能指標,當需進行力學性能檢驗時,應采用除去涂層的基板做試樣"拱形波紋鋼屋蓋結構所用基板厚度一般在1.5mm以下,屬于超薄鋼板"它受缺陷的影響較大,而目前尚缺乏這類板件制造偏差等的統(tǒng)計數據,為提高結構的安全度,5規(guī)程6將彩涂板的抗力分項系數取1.17,大于國家標準GB50018一2002(冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范6中抗力分項系數的取值"

拱形波紋鋼屋蓋結構的承載性能受基板厚度的影響很大,基板厚度太小一方面直接降低了構件截面的計算剛度,另一方面會放大構件成型過程中形成的各種缺陷的作用,因此5規(guī)程6規(guī)定,拱形波紋鋼屋蓋結構的基板厚度不得小于0.8mm,且基板厚度的供貨負偏差不得大于3%"5規(guī)程6在結構設計可靠度中已考慮了3%以內的板厚負偏差;對大于3%負偏差造成板厚的不足,5規(guī)程6規(guī)定在設計計算時應予扣除"

拱形波紋鋼屋蓋結構的防腐性能依賴于鍍層和涂層的類型和厚度,具體的耐久性還與建筑物的使用環(huán)境有關,5規(guī)程6在附錄A中按使用環(huán)境腐蝕性的不同給出了彩涂板鍍層的重量要求,以及不同面漆類型的二涂二烘涂層的各項技術性能要求"相關內容均引自國家標準GB/T127545彩色涂層鋼板與鋼帶)(修訂本)"

2.3結構設計

采用拱形波紋鋼屋蓋的承重結構一般由兩部分

組成:集圍護與受力功能于一體的拱形屋蓋結構和由梁柱組成的下部支承結構"從形式上看,屋蓋為連續(xù)的筒殼,下部支承結構為線形構件,將上!下合在一起進行整體分析,很能反映結構的真實狀況,但計算量較大,且不方便建模"根據前面提到的研究成果,5規(guī)程6規(guī)定可將上部結構和下部結構分開計算,這不僅簡化了設計過程,而且易于理解和掌握

2.3.1上部屋蓋結構設計

拱形波紋鋼屋蓋結構一般在兩拱腳處通過布置在柱頂邊梁上的連接角鋼與下部支承結構相連,這種連接構造只能約束拱腳的平動位移,轉動約束剛度很小,所以可簡化成固定鉸支座"若考慮柱頂水平位移的影響,可進一步將下部結構對屋蓋的支承作用簡化成具有一定水平支座位移的固定鉸支支座"由于在規(guī)范允許的范圍內,柱頂水平位移(即屋蓋支座水平位移)對屋蓋承載力的影響不大(在5%以內),所以5規(guī)程6限制了屋蓋支座處的水平相對位移,而在屋蓋結構分析中不再考慮支座位移的影響"這樣屋蓋結構便成了兩邊固定鉸支的筒殼結構"對于結構縱向長度對結構承載力的影響,5規(guī)程6規(guī)定當跨度不大于24m時,屋蓋的縱跨比不宜小于0.5,當跨度大于24m時,縱跨比不宜小于0.8"

當屋蓋結構滿足上述要求時(這個要求在實際工程中很容易達到),便可忽略結構的縱向作用以及屋蓋山墻支承作用的影響,將屋蓋簡化成拱形結構進行計算"

5規(guī)程6對于構件板件上橫向小波紋的影響采用了等效正交異性化方法,具體在建立拱計算模型時運用了一個技巧,即按照等剛度原則改變等效板的厚度,而不改變等效后平板的彈性常數,這樣可將拱板截面等效成板厚變化的不帶波紋截面,這種做法使得平截面變形假設仍然成立,而且物理意義明確"另外,計算表明:采用這種方法等效后的結構截面剛度降低很多,甚至比采用有效寬度法考慮不帶波紋的平板局部失穩(wěn)問題對結構剛度的削弱更大"而理論及試驗均已表明,波紋板的局部穩(wěn)定承載力遠較平板的局部穩(wěn)定承載力大,因此5規(guī)程6的做法很巧妙地處理了這種結構的局部穩(wěn)定問題"對于結構整體承載力的判斷,5規(guī)程6給出的是一套基于結構一階分析的簡化設計方法"該方法只需對結構進行一階分析,求出結構的一階內力,便可推導出結構的二階內力,并進而判斷結構的安全性"研究表明,在荷載作用下這種結構的二階效應主要表現在兩個方面:一是荷載與結構變形之間的顯著非線性關系;另一是荷載與彎矩內力之間的顯著非線性關系"而當荷載達到極限荷載之前,荷載與軸力之間的關系基本上是線性的"由于變形控制是為了滿足結構正常使用要求,而對于拱形屋蓋結構主要是滿足人們的心理安全要求,因拱形屋蓋即便產生較大的變形,人在室內也不易察覺,所以5規(guī)程6不要求對這種結構進行正常使用極限狀態(tài)計算"荷載與彎矩之間的非線性關系,

從形式上看,式(3)是一個強度驗算公式,但由于考慮了結構的二階效應,當結構存在失穩(wěn)可能時,其實質上是一個穩(wěn)定驗算公式"對于拱形波紋鋼屋蓋這種典型的薄壁鋼結構,結構出現屈服點后的剩余承載力非常有限,因此這里的穩(wěn)定承載力驗算采用了邊緣屈服準則"5規(guī)程6根據不同板型給出了考慮板上波紋影響后的截面剛度A""!爪,!W",以及公式中y!吼r等參數的計算公式"拱形波紋鋼屋蓋結構的組成板件很薄,因此不能用來承受大的懸掛荷載,更不能承受直接動力荷載"實際工程中,這種結構所受荷載類型比較單一設計時要考慮的荷載主要有:自重!保溫荷載!吊頂荷載!雪荷載(活荷載)!積灰荷載!風荷載等"國內許多拱形波紋鋼屋蓋結構的坍塌事故均由半跨雪荷載引起,因此,按照現行國家標準5建筑結構荷載規(guī)范6的規(guī)定,5規(guī)程6對這類結構的基本雪壓提高了10%,即sk一1.1產ts""

2.3.2下部支承結構設計

拱形波紋鋼屋蓋結構的下部支承結構有鋼框架!混凝土框架以及配筋混凝土墻體等多種做法"拱形波紋鋼屋蓋結構對下部支承結構的反力可通過對屋蓋與下部結構的整體分析求得,但研究表明,當下部結構的剛度滿足一定要求時,整體計算得到的反力與按兩固定鉸支模型單獨計算屋蓋得到的反力相差不大"所以,為了簡化設計過程,也為提高屋蓋結構的承載力,5規(guī)程6規(guī)定下部支承結構的變形除應滿足相應結構設計標準的規(guī)定外,屋蓋支座處的相對水平位移不得大于100mm"在這一條件下,5規(guī)程6規(guī)定可不考慮上下部分的協(xié)同工作"設計下部結構時,可將屋蓋對下部結構的作用力作為外荷載考慮"

拱形波紋鋼屋蓋的下部支承結構基本上都是常規(guī)結構形式,本規(guī)程根據屋蓋結構的特點,僅提出上述屋蓋支座處很大相對水平位移的特殊要求"除滿足這點外,下部結構可按現行國家有關標準的規(guī)定進行設計"比如,由于拱形波紋鋼屋蓋結構相鄰構件間采用鎖縫連接,連接處一般都有較大縫隙,而且構件本身為雙曲構形,這些都有利于結構釋放溫度應力,因此,5規(guī)程6規(guī)定屋蓋結構可不設溫度縫,且不考慮溫度作用,但下部支承結構及連接角鋼應按現行國家有關標準的規(guī)定設置溫度縫,必要時考慮溫度應力"同樣地,由于拱形波紋鋼結構自重很小,其承載能力一般不受地震作用控制,因此5規(guī)程6認為屋蓋結構可不進行抗震計算,但其與下部結構