金属拱型波纹屋盖结构的简化设计方法new1

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1、金属拱型波纹屋盖结构的简化设计方法张勇1刘锡良2王元清1石永久1(1.清华大学土木工程系北京1000842.天津大学土木工程系天津300072)摘要：金属拱型波纹屋盖结构在力学性能上具有很强的几何非线性，结构设计必须考虑几何非线性的影响。本文通过对这种结构进行线性和几何非线性对比分析，找到了两种计算结果之间的对应规律，从而提出了一套基于线性分析的简化设计方法。本文运用这套方法对若干实际工程进行了试设计，试设计结果证明了简化设计方法的合理性和可操作性。关键词：金属拱型波纹屋盖；简化设计方法；几何非线性分析；线性分析中文分类号:TU318.1文献标识

2、码：AAsimplifieddesignmethodforarchedcorrugatedmetalroofZhangYong1LiuXiliang2WangYuanqing1ShiYongjiu1(1.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China2.DepartmentofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Archedcorrugatedmetalroofexhi

3、bitsstronggeometricalnonlinearitywhenloaded,whichcannotbeignoredinstructuraldesign.Throughthecomparisonanalysisoflinearanalysisandnonlinearanalysis,therulesoftherelationshipbetweentheresultsofthetwomethodswasfound,andasimplifieddesignmethodbasedonlinearanalysisforthiskindofst

4、ructurewasproposedbytheauthorsofthispaper.Thereasonabilityandfeasibilityofthismethodwasverifiedthroughthetrialdesignofseveralpracticalprojects.Keywords:archedcorrugatedmetalroof;simplifieddesignmethod;geometricalnonlinearAnalysis;LinearAnalysis1引言金属拱型波纹屋盖结构的刚度较小，在荷载作用下具有显著几何软

5、化特征，因而其稳定问题实质上是一个弹塑性分析问题，其临界荷载是结构几何非线性和物理非线性同时作用的结果[2]。而结构几何、物理双非线性分析方法以结构非线性分析理论为基础，具有一定的理论难度，难以作为通用的结构设计方法而为广大工程技术人员所接受。目前，在世界范围内金属拱型波纹屋盖结构尚未形成普遍接受的设计计算方法。在我国这种结构的设计通常由施工单位来完成，施工单位确定结构的设计参数后向专业设计单位提供屋盖对下部结构的支承反力，设计单位只进行下部支承结构的设计。事实上绝大多数施工单位对这种结构的力学性能也缺乏清楚的认识，结构参数往往根据主观经验来确定

6、，其结果自然难以保证结构设计“安全、合理”，故此这种结构的恶性工程事故在我国时有发生[1],[6]。探索一种简便、适用的简化设计方法，对于这种结构的健康发展具有非常紧迫的现实意义。本文作者在对金属拱型波纹屋盖结构进行系统的理论分析与试验研究的基础上，提出了一套设计方法，只需对结构进行线弹性分析，不仅易于理解，而且简便易行。经过大量工程试设计后，该方法已被编制中的国家标准《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》（目前处于报批阶段）采用。本文将详细介绍这套简化设计方法的推导过程，明确采用该方法时的设计步骤。本文给出的部分实际工程试设计结果也在一定程度上验证了

7、该方法的合理性和可操作性。2金属拱型波纹屋盖结构受力机理分析金属拱型波纹屋盖结构所用材料与一般的压型钢板相同，结构成型工艺也与压型钢板相似，但两者在力学性能上却差别很大：作为一种板架合一的屋盖结构，金属拱型波纹屋盖目前在我国最大跨度已做到38m；而压型钢板在建筑中只能配合梁檩使用，作为围护结构，跨度一般在3m以内。这种现象的根本原因是两者的受力模式不同：金属拱型波纹屋盖结构呈拱型（或筒壳）结构受力机理，内力分布较均匀，是一种靠合理的几何外形来提供较大承载能力或跨越能力的结构。压型钢板的受力机理类似于梁，而实腹梁是一种最不合理的结构形式。另外金属拱

8、型波纹屋盖结构由于成型的需要，结构板件上均匀地压有许多横向小波纹，这些小波纹虽然在一定程度上降低了结构在跨度方向的刚度，但却大大增强了板