拱形波纹钢屋盖结构的屈曲性能分析

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1、第25卷　第4期华侨大学学报(自然科学版)Vol.25No.42004年10月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Oct.2004文章编号　100025013(2004)0420387205拱形波纹钢屋盖结构的屈曲性能分析①①②①高轩能　朱皓明　王　健　李　琨(①华侨大学土木工程系,福建泉州362021;②南昌大学土木工程系,江西南昌330029)摘要　拱形波纹钢屋盖结构由冷成型弧形槽型板组截面构件锁边咬合而成,其极限承载能力受多种因素的影响,并主要取决于其稳定承载性能.文中根据拱形波纹钢屋盖结构的成型特性

2、和工作机理,在所建立的实体有限元计算模型中,采用能够反映结构特殊工作状态的边界约束条件,对结构在半跨和全跨竖向荷载作用下的屈曲模态以及其稳定承载能力等屈曲性能进行理论分析.理论计算结果表明,拱形波纹钢屋盖结构的屈曲性能不仅与结构几何尺寸有关,而且取决于截面的形状和荷载作用形式.计算结果与试验结果和按《拱型波纹钢屋盖结构技术规程(报批稿)》简化方法计算结果,分别进行比较分析.关键词　拱形波纹钢屋盖,冷弯薄壁板组,屈曲性能,屈曲模态,槽型截面中图分类号　TU392.102文献标识码　A拱形波纹钢屋盖结构采用很薄的钢板(一般0.5～1.5mm厚)制成,是一种典

3、型的冷弯薄壁型钢结〔1〕构.它通过改变截面型式而不是通过提高材料用量,来得到结构较强的承载能力.这种结构自重轻、跨度大,承载与围护结构合一,施工速度快,具有很好的经济性,在我国得到了广泛应用.它仅应用于临时建筑、仓储、轻工车间等工业建筑,而且应用于商场、展厅、体育馆等公共建筑,如图1所示.但这种结构截面型式复杂,组装工艺特殊,截面中存在冷加工引起的不规则波纹状褶皱和残余应力,使其工作机理复杂,难以进行精确的理论分析,理论研究远远落后于工程实践.国内外对这种结构的整体和局部稳定承载能力,以及其工作机理进行了一定的研〔2～7〕究,取得了一些有价值的成果,但尚

4、不深入.1996图1　拱形波纹钢屋盖结构年以来,我国此类结构的垮塌事故时有发生,造成了较大的人员和财产损失,表明对其承载特性尚未完全了解.因此,有必要对这种结构的工作机理、破坏模态和极限承载能力作进一步探讨.拱形波纹钢屋盖结构由冷成型弧形槽型板组截面构件(图2)锁边咬合而成,截面板件的宽厚比可达400,已大大超出我国冷弯薄壁型钢结构技术规范规定的上限.这仅存在整体稳定问题,而且局〔5～7〕部稳定问题也很突出.本文根据拱形波纹图2　槽型板组截面钢屋盖结构的成型特性和工作机理,在所建立的实体有限元计算模型中,采用能够反映结构特殊工作状态的边界约束条件,对结构

5、在半跨和全跨收稿日期　2004203201作者简介　高轩能(19622),男,教授,博士,主要从事工程结构稳定理论的研究.E2mail:gaoxn1962@163.com基金项目　华侨大学科研基金资助项目(03BS406)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.388　　　　　　　　　　　　　　华侨大学学报(自然科学版)2004年竖向荷载作用下的屈曲模态及其稳定承载能力等屈曲性能进行理论分析.计算结果表明,拱形波纹钢屋盖结构的屈曲性能不仅与结构几何尺寸有关,而且取决于截

6、面的形状和荷载作用形式.同时,本文将理论计算结果与足尺模型试验结果,以及按《拱型波纹钢屋盖结构技术规程(报批稿)》(以下简称“《规程》”)简化方法计算结果分别进行比较.结果表明《规程》方法和本文方法在计算结构整体屈曲模态下,的极限稳定承载能力方面,均具有较高的精度和可靠度.本文方法可适用多种屈曲模态的分析.1　结构计算模型和约束条件1.1　有限元理论分析模型的建立拱形波纹钢屋盖结构的截面可划分为矩形槽型板组截面和梯形槽型板组截面,如图3所示.目前,国际上广为应用的截面型式是美国MIC公司开发的MIC2X系列,主要有MIC2120,MIC2160和MIC2

7、240.国内厂家在参考国外经验的基础上开发的MMR2118,〔1〕〔2〕MMR2178,MMR2238以及W2666等截面型式也有大量使用.本文以MIC2120和MIC2240截面型式为研究对象,采用ANSYS软件对其在半跨和全跨荷载作用下的屈曲性能进行分析.拱形波纹钢屋盖结构单元截面的翼缘和腹板均被成型设备辊压出许多横向波纹,这些横图3　截面形式向波纹几何构型复杂,很难按实际形状进行建模.如何在有限元计算模型中考虑波纹的影响,是本文研究的关键点和难点之一.考虑到建模的方便,以及尽可能反映结构的实际工作状态和边界约束条件,经仔细研究和反复试算,本文采用两

8、种截面模型进行计算分析,如图4所示.图4(a)为不考虑波纹的等厚度截面模型,该模