金属拱型波纹屋盖结构在我国的应用与研究

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1、金属拱型波纹屋盖结构在我国的应用与研究　　作为冷弯型钢结构的一个分支，金属拱型波纹屋盖结构产生于十九世纪八十年代。这种结构的第一个专利则出现在1896年的美国。目前世界上尚存的最古老的金属拱型波纹屋盖结构是1890年建于英国的某化工厂厂房。尽管金属拱型波纹屋盖结构属于冷弯型钢结构范畴并有着很久的应用历史，但到目前为止世界上还没有一部这种结构的专用技术规程，这其中原因很耐人寻味。　　这种结构历经一百多年也没能在世界范围内形成统一的名字，从目前搜集到的文献资料看，以下几种叫法均指这种结构：1、LightGaugeSteelCylindricalShe

2、lls，2、BarrelVaults，3、DoublyCorrugatedShells，4、OrthotropicBarrel-Shells。这四个名字都是从结构特点角度来命名的，从中可以看出这是一种壳体结构，而且是一种筒壳。名称1反映出这种筒壳是由薄钢板制成的，名称3从结构的几何构形上加以描述，认为这是一种双向波纹壳体，名称4则更进一步，将这种几何上的双曲构形在力学性能上的表现描述为正交异性。“金属拱型波纹屋盖结构”这个名称是目前我国这种结构技术规程草案中的暂用名，最早由北　　　　图1建于1890年的化工厂图2采用螺栓连接的结构构件　　京市银河

3、金属屋顶成型技术研究所提出。该名称在一定程度上反映了这种结构的外形特征，而且通俗、易于理解和记忆，因此是目前国内最为普遍接受名称。从这个名称可进一步总结出这种结构的结构特点。　　　　这种结构由薄钢板轧制而成。随着世界冶金技术的发展这种结构所用钢板的性能也不断改善。最初采用的钢板防腐能力差，力学指标也较低，因而钢板较厚，结构最大跨度在20m左右。由于钢板厚，板件之间可以实施栓焊连接，因此当时这种结构构件之间的连接主要螺栓连接，也有一部分采用焊接。那时，这种结构自重大，经济性差，使用范围受到限制，一般主要用于对施工速度要求较高的军营、机库等。目前采用

4、的材料主要是预涂层卷板，其基板有以下几类：热镀锌钢板、热镀锌合金钢板、热镀铝钢板、热镀锌铝合金钢板、热镀铝锌合金钢板和电镀锌钢板等。这些预涂层卷板的强度指标在210MPa－550Mpa之间，极限使用寿命可达40－50年。随着钢材强度的提高、抗腐蚀能力的增强，所用钢板的厚度得以降低、结构适用跨度的范围也得到扩大。目前这种结构通常所用预涂层卷板的基板厚度在－之间，最大跨度已达40m。由于材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实施栓焊连接，因此这种结构构件之间的连接也由过去的栓焊连接发展为今天的锁边连接。锁边连接不仅改善了连接处的耐疲劳、耐腐蚀及防水性能，

5、而且也简化了施工工艺，加快了施工速度。　　这种结构是靠在钢板上轧制出波纹成型的。将卷板变成拱型屋盖需要两道成型工艺：第一步将钢板轧成U形或梯形波纹直槽板，第二步通过在下部轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱型槽板。拱型槽板的曲率大小就是靠槽板上横向小波纹的深浅来调整的。双向波纹彻底改变了钢板的力学性能。第一步轧制成的槽形波纹极大地提高了钢板的横向刚度，是结构承载力的根本所在。而第二步轧成的横向小波纹则可提高钢板的局部稳定承载力，增强结构纵向抗弯刚度，突出结构壳体受力特性。但横向小波纹无疑削弱结构跨度方向的刚度。根据槽板横截面形状的不同可将这种结构划分为

6、不同类型。目前国际上广为采用的板型是由美国MIC公司开发的MIC-X系列，主要有MIC-120型、MIC-160型和MIC-240型。文献[1]介绍的MMR-118、MMR-178、MMR-238三种板型为国内厂家在吸取国外经验基础上开发的具有自主专利权的结构形式。　　图3aU形槽板图3b梯形槽板　　这是一种拱型结构。对于由预涂层卷板经冷加工制作的压型钢板很多人已很熟悉。由于压型钢板的受力机理类似于梁，内力分布很不均匀，因此它难以实现较大跨度。采用同样材料和相似的加工工艺制作而成的金属拱型波纹屋盖由于呈拱式结构受力机理，内力分布较均匀，故此可实现

7、很大跨度。　　很多文献都列举了这种结构的诸多优点，如施工速度快、用料省、跨越能力大，防水防腐性好、色泽艳丽、造型美等。目前在我国这种结构已实现40m跨度，而所用钢板厚度仅为，用钢量约22kg/m2。机械化的施工手段赋予这种结构神奇的施工速度，一般情况下一个台班可制作安装这种结构600－1000m2，1万m2的屋盖可在20天内完工。这种结构艳丽的色彩来自于材料的彩色涂层，同一建筑可选用多种颜色的彩色钢板进行组合。因结构成型工艺的限制这种结构主要为圆弧外形，但这与目前国内常用的平屋盖及人字屋盖相比也是一种新变化，另外同一建筑通过搭配不同曲率的圆弧以及

8、对圆弧拱壳进行切割或相贯处理，同样可实现更为优美的建筑造型。　　金属拱型波纹屋盖结构的缺点和优点一样突出。造型单一、截面形式固定是这种结