《大批波紋拱殼屋頂倒塌的事故分析及其安全改進措施》范學偉

論文標題：大批波紋拱殼屋頂倒塌的事故分析及其安全改進措施

作者范學偉、徐國彬

（北方交通大學土木建筑工程學院）

【摘要】波紋拱殼屋頂是一種新型的大跨輕鋼結構。由于其造價低、施工期短，在國內己得到大規模的應用。1996年起，我國有幾十個大跨波紋拱殼屋頂由于大風或大雪而相繼發生坍塌事故，這類傷亡事故引起了業界的高度重視。筆者從波紋拱殼屋頂的設計理論、成型工藝、施工工藝、材質等幾個方面探討了波紋拱殼屋頂發生坍塌的原因，分析了影響波紋拱殼屋頂安全性能的幾個主要因素，還提出了防止該結構倒塌的安全改進措施。

【關鍵詞】波紋拱殼屋頂，倒塌事故，安全改進措施

一、引言

波紋拱殼屋頂最早于二戰期間出現在美國，當時將這種屋頂用于軍事（戰斗機庫、營房等），因其低廉的造價、神奇的施工速度、良好的使用效果，使用范圍不斷擴大吸引了越來越多的用戶。90年代國內企業引進了該項技術并積極地推廣。目前國內的施工面積每年高達兩百萬平米。但是，因其結構本身的不足從而造成了嚴重的事故隱患。1997年1月1日鞍山地區出現暴風雪天氣。附近地區的雪荷載最大達到0.53kN/m2。在暴風雪中該地區6棟大跨波紋拱殼屋頂發生坍塌，直接經濟損失達400萬元。1997年杭州地區的大雪又有一批該種屋頂發生坍塌。1996年湛江地區的一次臺風也吹垮一批此類屋頂。近年來，全國又發生多起波紋拱殼屋頂的塌落事故。因此，這種結構的坍塌，引起了工業界的高度重視。為了分析倒塌事故，很有必要了解波紋拱殼屋頂的成型工藝和施工工藝。

二、波紋拱殼屋頂的成型方法和施工工藝

波紋拱殼屋頂的成型方法和施工工藝流程可歸納如下：

1）直槽板冷彎成型。將幅寬為（600~914）mm，板厚為（0.6~1.6）mm的彩色鍍鋅鋼板卷材，通過直板機輥軋成截面形狀如圖1所示的直槽板。直槽板的長度為拱弧長度，直槽板各段均為直線，板面為平面。

2）彎板成型。根據建筑物的實際跨度及設計矢跨比，通過彎板機把翼緣和腹板軋成褶皺，使其下部縮短，形成拱體（此時彎板的翼緣、腹板上出現了細小的橫向波紋，見圖2所示）。

3）地面鎖邊成組。因為單榀拱板抗扭剛度很小，吊裝時易扭曲破壞，故在吊裝前將3條單福拱板在地面用波紋屋頂封邊機連成一組，根據場地及吊裝條件在地面連成若干拱板。鎖邊示意圖見圖3、圖4所示。

4）吊裝就位。用起重設備將成組的拱板吊裝就位，并用自攻螺絲固定，每兩組拱板就位后用自動爬行鎖邊機連成整體。

三、事故分析

雖然波紋拱殼屋頂發生坍塌事故的原因很多，但筆者認為：波紋拱殼屋頂坍塌的原因王要是由于在設計理論、成型工藝存在的問題所造成的。

1）設計理論：這種結構多由承接工程的單位采用從國外引進的軟件，結合國內的鋼結構設計規范設計的。從國外的計算機軟件說明書可以看出，國外這類結構的設計采用的是平面拱理論。對于結構的局部穩定問題，有的軟件不予考慮，有的軟件在結構截面演算時通過有效寬度予以考慮。但這種結構的腹板寬厚比遠遠超過了我國規范要求，而這些軟件的有效寬度的取值沒有依據。近期國內一些科研單位也曾編制了計算這種結構的有限元軟件。但對于分布于整個屋頂上的細小的波紋褶皺，無論國外還是國內都沒有給以相應的考慮。

2）成型工藝：波紋拱殼屋頂為了成形的需要將槽形截面的桿件冷軋成帶有橫向波紋的拱板，這使得大量的鋼板被軋成波紋褶皺分布拱板的底板、翼緣上。這些有規律上下起伏的褶皺在宏觀上顯出了正交各向異性的性質。在褶板的兩個彈性主軸方向上，兩者的彈性剛度相差懸殊。建筑結構中的褶板一般是利用其強軸方向來承載，但波紋拱殼屋頂結構恰恰相反。拱形結構的一個重要受力特點就是沿拱軸方向上，存在很大的軸力和一部分彎矩，而褶板的弱軸方向恰恰落在這個方向上。這就是說波紋拱殼屋頂主要是以褶板的弱軸方向來承受彎矩和軸力。

在受力機理上，是不合理的。有文獻[5]曾經對此屋頂上的褶板作過等效彈性模量測試，發現褶板的弱軸方向的等效彈性模量最大僅為0.24e5MPa，約為鋼板彈性模量2.06e5MPa的1/8左右。再者，在成型過程中薄鋼板易被成型機械軋漏。這兩種因素合在一起，使得波紋拱殼屋頂沿拱軸方向的剛度被嚴重削弱。

除此外有一些次要原因：通過倒塌事故現場分析，板帶之間的連接咬口撕開、拉脫的多數為在屋面上咬合的接口，而在地上組合的咬口很少拉脫。這說明屋面咬合不牢，使屋蓋整體性能受到影響。再者，這種屋頂所采用的鋼板厚度僅為（0.6~1.6）mm，而我國目前生產的熱鍍鋅鋼帶的厚度負偏差較大。此值對結構的安全性能也有一定影響。

四、波紋拱殼屋頂承載力研究

波紋拱殼屋頂的安全性能主要是由其承載力決定的。因此，研究波紋拱殼屋頂安全性能必須考查影響結構承載力的主要因素。影響波紋拱殼屋頂承載力的因素很多，就結構本身而言，對結構承載力構成影響的因素主要有：力學模型的選取、結構的跨度、鋼板的厚度等。

4.1波紋拱殼屋頂的力學模型的選擇

筆者選取波紋拱殼的一品拱板為研究對象，其力學模型示意圖如圖5所示。所采用的計算軟件為國際通用計算程序ANSYS。因為這種薄壁結構屬輕鋼結構范疇，參照美國輕鋼結構規范，規定在正常工作狀態下，其變形不得超出跨度的1/100，最大應力水平不得超過材料的屈服強度85%，否則會影響結構的正常使用。

4.2不同力學模型對承載力的影響

選擇正確的力學模型是結構分析的基礎。從現有的力學模型看，主要有以下3種：模型一：平面拱計算模型。這種計算方法主要是由國外波紋拱殼屋頂成型機廠商提供的。具體方法是沿結構的縱向取單位長度，計算梁截面的幾何參數和剛度，沿跨度方向分成28份，考慮不同荷載工況下結構的應力和變形。這種方案沒有考慮結構的幾何非線性。故已被工程技術專家否定。施工單位和設計單位現在已基本上不在采用這種方法。模型二：有限應變梁理論。此法與第一種方法類似，但考慮了結構的幾何非線性。這兩種方法都沒有考慮到波紋的影響。

模型三：本文所用的計算模型。筆者計算了波紋拱殼屋頂在不同力學模型情況下的承載力。

計算結果如表1所示。

本文算例中所用的屋頂型號為MIC120，屋頂的矢跨比為0.2。由計算結果可見：模型二的承載力較高，模型三的承載力較低?？梢?，不考慮波紋效應時，波紋拱殼屋頂的承載力被過高估計了。波紋拱殼屋頂的褶皺起了降低結構的承載力的作用，影響了結構的正常安全使用。

4.3跨度對承載力的影響

跨度是影響波紋拱殼屋頂承載力的重要因素之一。發生倒塌事故的波紋拱殼屋頂的跨度一般在20m以上，見表1中波紋拱殼屋頂跨度與承載力關系（模型三）。由計算結果可見隨著跨度的增加，結構的承載力下降很快?？缍仍?2.9m時，波紋拱殼屋頂的半跨承載力才為0.401kN/m2。這就是說對板型為MIC120的屋頂跨度在22.9m以上時，波紋拱殼屋頂的承載力大大降低，已接近不實用的地步。

4.4厚度對結構承載力的影響

波紋拱殼屋頂采用的鋼板厚度為（0.6~1.5）mm。若鋼板過薄，屋頂剛度過低，則無法滿足安裝要求；過厚，又會使鋼板在成型過程中，彩色涂層及鍍鋅層受損，影響屋頂的耐久性。有文獻[]研究過鋼板厚度對結構承載力的影響，指出厚度與承載力大致呈線形關系。

五、安全改進措施

針對影響波紋拱殼屋頂安全性能的主要因素，提出以下安全思路及改進措施：

1）波紋拱殼屋頂是一種集傳力、受力、圍護和保溫為一體的大跨薄壁空間結構。為了保證這種結構的負荷安全，其使用跨度在現有設備和結構形式條件下，目前不宜大于30m，特殊荷載條件下和較大跨度時，應采取加固措施，以確保結構安全。波紋拱殼屋頂的根部一般支撐在與拱腳角度相適應的角鋼上，并用④8的自攻螺絲固定，建議用④8的螺栓加鋼壓板固定，以提高拱腳抗局部失穩的能力。

2）波紋拱殼屋頂上的細小波紋對結構的安全性能的影響不可忽視。在此結構的設計中必須考慮波紋對整個結構承載力的影響。

3）改進波紋拱殼屋頂的成型方法。波紋拱殼屋頂為了成型需要，將直槽板軋彎成弧形的拱板，并通過調整彎板機壓鼓的咬合深度在波紋拱殼的槽板上軋制了許多橫向波紋，這些波紋大大降低了整個結構的承載力。因此，可以從波紋拱殼屋頂的成型工藝入手，開發無波紋拱殼屋頂的成型技術。無波紋拱殼屋頂的成形工藝是：

①下料。將板材裁成幅寬為（600~914）mm的鋼板帶。幅寬的具體尺寸依槽板的規格而定。

②直槽板冷彎成型。用直板機將鋼帶輥軋成截面形狀如圖1所示的直槽板。

③彎板成型。輥軋直槽形截面的上部翼緣，使直槽板軋彎成弧形。

⑤軋制鎖邊。在彎板的上翼緣上軋制鎖邊。⑤地面鎖邊成組。在吊裝前將3條單福拱板在地面用屋頂封邊機連成一組，根據場地及吊裝條件在地面連成若干拱板。為了使單榀拱板間的翼緣協同工作，可在每兩榀拱板的翼緣的下部每2m左右點焊一次，改善鎖邊過程中的拱板

咬合不牢的問題。

⑥吊裝就位。用起重設備將成組的拱板吊裝就位，無波紋拱殼屋頂的根部支撐在與拱腳角度相適應的角鋼上，并用8的螺栓加鋼壓板固定。每兩組拱板就位后用自動爬行鎖邊機連成整體。其中①、②、⑤和⑥項工藝與波紋拱殼屋頂相同。無波紋拱殼屋頂所用材

料可與波紋拱殼屋頂相同，所受荷載形式與波紋拱殼屋頂相同。

無波紋拱殼屋頂與波紋拱殼屋頂相比，不但有其優點，而且還有成型工藝更簡單、承載力更高的優點。冶金設備專家認為此成型我術是可行的。波紋拱殼屋頂的跨度一般在30m左石。即使在30m以內時，在特殊荷載條件下，仍需加固。而本文提出的無波紋拱殼屋頂的實用跨度，經計算可達46m，在這么大的跨度下，半跨均布荷載可達1kN/m2以上，全跨均布荷載可達3kN/m2以上。

六、結論

通過對對波紋拱殼屋頂的坍塌事故詳細的分析，并考查了影響結構安全性能的主要因素。波紋拱殼屋頂倒塌的主要原因在于其承載力低，安全系數小。按過去的計算方法的承載力取值過高，荷載稍大，結構就有可能倒塌，因此，對其使用范圍和跨度應嚴格控制。此外，波紋拱殼屋頂結構設計必須考慮分布于整個屋頂上的細小的波紋褶皺的影響。無波紋拱殼屋頂是針對波紋拱殼屋頂的缺陷而開發的一項新技術，北方交通大學土建學院新結構研究室已聯合北京治金設備研究院等7個單位對此展開了研究，并與建設部簽定了技術合同。從現有的研究成果看，無波紋拱殼屋頂很有希望成為拱殼類屋頂中的一種新型產品。

收稿：2000年9月；

作者地址：北京市西外上園村；

北方交通大學土建學院研究生信箱；

郵編：100044）

參考文獻

1、銀河金屬屋頂科研成果及施工技術資料匯編.北京市銀河金屬屋頂成型技術研究所，1998.

2、張勇.銀河金屬拱型屋頂的理論分析及實驗研究（碩士論文）.天津大學，1998.

3、劉錫良.一種新型的空間結構一銀河金屬拱型屋頂.建筑結構學報，1996，17（4）：72~75.

4、中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會.壓型鋼板拱型屋蓋結構應用暫行規定.建筑結構，1999，11（11）：56~58.

5、王小平、蔣滄如、李桂青.金屬拱型波紋屋面計算的簡化.鋼結構，1999，14（4）：8~10.

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