拱型波纹板杂交体系屋盖的有限元分析

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1、拱型波纹板杂交体系屋盖的有限元分析［摘要］本文提出以拱型波纹屋盖为基础，增设一定的装配式钢管拱桁架的改进形式即杂交体系屋盖。并用ANSYS软件对18ni跨的两种结构进行分析比较，得出在质量提高较小的情况下，杂交体系破坏时的位移极小，承载力得到明显的提咼O［关键词］金属拱型波纹屋盖；拱桁架；杂交体系屋盖；ANSYS有限元分析中图分类号：TU2文献标识码：A1前言目前金属拱型波纹屋盖结构在世界范围内得到迅猛发展，但是，由于成拱需要，圆弧槽板上压有许多横向小波纹,这些小波纹的存在致使结构受力性能比较复杂，在国内尚未形成统一的计算模型、计算公式和分析方法。近年来，由于设计理论不统一，不能保证工作质量，

2、工作事故频繁出现，尤其在北方，雪载相对较大，该结构在半跨不均匀雪载作用下极易发生失稳现象。目前已有很多工程事故表明了这一点［5］。为此，为改变金属拱型波纹屋盖结构使用受限制的状况，尽量避免工程事故，本文对该结构进行了改进，提出了合理增设钢管装配式拱桁架及相应的纵向连系构件的杂交结构体系，以提高拱型波纹屋盖的使用跨度和安全度。该杂交体系屋盖结构是以金属拱型波纹屋盖结构为基础结合装配式钢管拱桁架的一种屋盖体系。2拱型波纹屋盖体系的研究成果2.1概述金属拱型波纹屋盖结构采用很薄的彩色镀锌钢板（一般为0.6mnTl.5mm）制成，是一种典型的冷弯薄壁钢结构。其截面可分为矩形槽型截面和梯形槽型截面，目前

3、广为采用的有美国MIC公司开发的MIC-X系列：MIC-120.MIC-160.MIC-240型；北京银河图1截面形式公司开发的MMRT18、MMR-178、MMR-238型以及武汉钢铁集团的W666型等（如图1所示）。2.2受力特点2.2.1荷载类型由于该结构组成板件很薄，因此不能承受大的悬挂荷载，更不能承受直接动力荷载。实际工程中，这种结构所受荷载类型比较单一，设计时要考虑的荷载主要有：自重、保温荷载、吊顶荷载、雪荷载（活荷载）、积灰荷载、风荷载等。文献［3］根据这几种荷载的特点将它们分成自重类荷载、类雪荷载、半跨三角形分布荷载以及类风荷载等四类，并研究表明，这种结构在前三种荷载作用下存在

4、非线性失稳问题，承载力由整体稳定所控制；而在类风荷载作用下，由于结构轴力以拉力为主，则表现为大变形问题，承载力由强度起控制作用［3］。2.2.2承载能力的主要影响因素文献［2］对影响金属拱型波纹屋面承载力的主要影响因素，即板型、钢板材质、跨度、矢跨比和钢板厚度等5个方面作了具体的理论分析。其中矢跨比是影响结构承载力的一个重要因素。(1)从综合经济指标来比较，V型板自重最轻、经济性最好；加高U型承载力最大，但经济性也最差。(2)板厚与承载力大致呈线性关系。(3)承载力随着跨度的三次方增大而减小。(4)该结构的较优矢跨比为0.2〜0.25,当主要荷载为风荷载时，矢跨比应取较小值；当主要荷载为竖向荷

5、载时，矢跨比应取较大值。2.2.3破坏模态基于理论分析和试验验证，金属拱型波纹屋盖结构的主要破坏形式是整体失稳，该结构的承载能力由其平面内的整体稳定性控制［6］。2.3计算模型的简化由于该结构在拱轴方向存在波纹，承载后的内力分析异常复杂，为了简化计算，文献［4］将通过等效正交异性化处理，把带有横向波纹的底板和腹板分别等效为同样厚度的正交各向异性平面曲板，其两个方向上的等效材料常数(Ex,Ey,Gxy,uxy,uyx)可通过拉伸和剪切试验直接获得；上翼缘采用各向同性平板，其材料常数不变。文献［6］中给出以下公式:(1)(2)(3)(4)(5)式中：d为波纹深度，a为波长，R为屋盖半径，h为截面高

6、度，t为钢板厚度，u为无波纹薄板的泊松比。3拱型波纹屋盖的改进形式一杂交体系屋盖2.1概述由于金属拱型波纹屋盖结构的可靠度指标偏低，在应用环境、使用跨度等方面受到很大的限制；而且近年来拱型波纹屋盖的工程事故频出。本文作者在上述研究成果的基础上，并结合网壳结构尤其是圆柱面网壳稳定性的研究理论及方法，提出以金属拱型波纹屋盖结构为基础结合装配式钢管的拱桁架的一种屋盖体系，以提高使用跨度和安全度，及改变我国在拱型波纹屋盖结构应用领域中的状况。3.2结构形式桁架是一种以承受轴力为主的结构，因此能充分利用材料性能。如果能把这种结构和金属拱型波纹屋盖结构统一到同一个合理的结构体系上，那将得到一个非常经济的整

7、体结构。当拱型屋盖结构跨度较大时，按合理的间距设置具有一定刚度的拱桁架，并在长度方向设置一定的纵向平面桁架，使屋盖体系整体刚度和保形能力有所增强，结构的稳定极限承载力相应提高，详见图2。2.3研究方法结构的荷载-位移全过程曲线可以准确地把结构的强度、稳定性以及刚度的整个变化历程表示的清清楚楚。故作者将利用Ansys软件采用大规模参数分析的方法，结合不同类型的屋盖、拱桁架以及不同间距的系杆，在其基本