拱形波紋鋼屋蓋結構技術規程與設計要點

中國工程建設標準化協會標準CECS167:2004《拱形波紋鋼屋蓋結構技術規程》是世界上第一部拱形波紋鋼屋蓋結構的專用技術規程，于2005年2月1日正式實施。該規程匯聚了多年的研究成果和工程經驗，為拱形屋蓋結構的設計、制作、安裝和使用提供了科學依據。

規程編制的主要研究工作

足尺模型試驗研究

拱形波紋鋼屋蓋結構的特殊性決定了必須進行足尺試驗研究：

• 板材極薄（0.6～1.5mm），縮尺模型已無更薄板材可用
• 波紋精細復雜，縮尺模型難以準確復現波紋的力學特性
• 波紋對薄板力學性能的改變極大，甚至使縮尺模型具有與原結構完全不同的特征

規程編制組先后進行了20組跨度為7～33.5m的拱形波紋鋼屋蓋結構足尺破壞性試驗，幾乎涵蓋了國內市場上所有的板型。通過試驗可得出的關鍵結論包括：

• 拱形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
• 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
• 初始缺陷對破壞模態及承載能力都有很大影響，這是一種缺陷敏感結構
• 槽板之間的鎖邊連接質量對板件協同工作狀況和結構承載能力都有很大影響
• 截面上的橫向小波紋對結構力學性能影響很大，可有效提高結構的局部穩定承載力

波紋板組屈曲研究

針對拱形波紋鋼屋蓋結構的局部穩定性能，進行了專門的波紋板組相關屈曲試驗和殘余應力研究。試驗結果表明：

• 波紋板的屈曲承載能力明顯高于平板板組
• 波紋板組幾乎沒有屈曲后承載能力，屈曲后快速失去承載力
• 波紋的特殊構形顯著增大板件剛度，相當于給平板加上加勁肋
• 截面應力集中在棱角和波紋的波峰、波谷位置，材料易進入塑性

計算模型與理論分析

天津大學對拱形波紋鋼屋蓋結構的有限元計算模型進行了系統研究，提出了3種可能的有限元模型：

• 殼體計算模型1：以單拱型槽板為研究對象，用殼體有限元進行模擬
• 殼體計算模型2：以整個屋蓋為研究對象，分別采用空間梁單元及空間板單元模擬
• 平面拱計算模型：簡化成平面結構進行分析，計算量小，便于工程應用

采用大撓度有限元理論進行了靜力性能分析，得出了結構在不同荷載條件下的失穩模態和承載能力規律，為設計方法的制定提供了理論依據。

規程的主要特點與適用范圍

結構名稱與板型命名

規程將結構定名為"拱形波紋鋼屋蓋結構"，統一了國內的叫法。根據截面形狀，將板型統一命名為YJ和YT系列：

• YJ表示矩形槽截面，YT表示梯形槽截面
• xxxx代表4位數字，前兩位為單元板上槽口寬度，后兩位為槽深
• 如YT6118表示上槽口寬61cm、槽深18cm的梯形槽壓型單元板

適用條件

拱形波紋鋼屋蓋結構的適用范圍有以下限制：

• 適宜跨度為30m以下，超過跨度時結構承載力（尤其是半跨荷載作用下）比較低
• 適用于四周封閉的建筑，開敞式拱形屋蓋不在規程適用范圍內
• 不適用于強腐蝕、相對濕度長期較高和高溫環境的建筑
• 不適用于直接承受動力作用的建筑，該結構對集中荷載、動荷載敏感

材料與性能要求

彩涂鋼板標準

規程規定采用冷連軋鋼帶經熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅工藝后的彩涂鋼板：

• 熱鍍鋅彩涂鋼板牌號：TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS530GD+Z等
• 熱鍍鋁鋅彩涂鋼板牌號：TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ等
• 基板厚度一般不超過1.5mm，屬于超薄鋼板
• 基板厚度不得小于0.8mm，供貨負偏差不得大于3%

防腐與耐久性

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，規程在附錄中根據使用環境腐蝕性給出了具體的鍍層重量要求和涂層技術性能要求。

結構設計的關鍵要點

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連接角鋼與下部支承結構相連，可簡化成固定鉸支座。設計時應考慮以下要點：

• 屋蓋支座處的水平相對位移不得大于100mm
• 當跨度不大于24m時，屋蓋縱跨比不宜小于0.5；跨度大于24m時不宜小于0.8
• 滿足上述要求后，可忽略結構縱向作用和屋蓋山墻支承作用的影響
• 采用基于一階分析的簡化設計方法，只需進行一階分析便可推導出二階內力

荷載與承載力驗算

規程對這類結構的基本雪壓提高了10%，即sk=1.1ks0，以應對國內很多拱形屋蓋由半跨雪荷載引起的坍塌事故。采用邊緣屈服準則判斷極限狀態，考慮了結構的二階效應。

下部支承結構設計

拱形波紋鋼屋蓋結構的下部支承結構可為鋼框架、混凝土框架或配筋混凝土墻體。設計時應注意：

• 屋蓋支座處的相對水平位移不得大于100mm
• 滿足此條件后，可不考慮上下部分協同工作，分別設計
• 下部結構可不設溫度縫，屋蓋結構可不考慮溫度作用
• 屋蓋結構可不進行抗震計算，但與下部結構的連接應按規范設計

常見問題解答

規程為什么要求基板厚度不得小于0.8mm？

超薄鋼板受缺陷影響較大，而目前尚缺乏制造偏差的統計數據，為提高結構安全度，規程規定最小基板厚度為0.8mm，并設定供貨負偏差不得大于3%。

為什么半跨荷載時承載力明顯下降？

試驗和理論分析都表明，拱形波紋鋼屋蓋結構在半跨荷載作用下的承載力遠小于全跨均布荷載時的承載力，這與結構的非對稱性失穩特征有關，設計時必須特別重視。

屋蓋結構需要進行抗震設計嗎？

由于拱形波紋鋼屋蓋結構自重很小，其承載能力一般不受地震作用控制，因此規程認為屋蓋結構可不進行抗震計算，但與下部結構的連接應按相關標準設計。

小結

CECS167:2004《拱形波紋鋼屋蓋結構技術規程》是行業內系統的、全面的技術指導文件，為工程設計提供了科學依據。規程基于大量足尺試驗和理論分析，提出的設計方法既反映了結構的特殊性能，又便于工程應用。江蘇杰達鋼結構工程有限公司嚴格按照規程要求進行拱形屋蓋結構的設計和施工，確保工程質量和安全性。