《金屬拱形波紋屋頂房屋圍護結構設計》周獻祥

論文標題：金屬拱形波紋屋頂房屋圍護結構設計

作者：周獻詳，張輝

（總后勤部建筑設計研究院，北京100036）

摘要：針對金屬拱形波紋屋頂房屋受力的特殊性，結合工程設計實例，給出了金屬拱形波紋屋頂房屋圍護結構的基礎選型、抗震計算模型選取及拱腳標高處位移限值的確定等的設計建議和工程措施。

關鍵詞：金屬拱形波紋屋項，薄壁褶皺拱形鋼板屋頂，圍護結構設計

一、引言

金屬拱形波紋屋頂（薄壁褶皺拱形鋼板屋頂，冷彎褶皺薄壁拱殼輕鋼房屋）房屋是一種集承重、保溫和圍護于一體的無支撐、自重輕（10~25kg/m2）、跨越能力大（6~42m)、造價低、施工速度快（10000m2/25天）、造型新穎優美的新型空間鋼結構屋蓋體系。由于這類結構具有良好的經濟和社會效益，比較適合我國的國情，在濕度不很大和無強烈侵蝕介質環境的跨度不大于40m的中小型機庫、汽車庫、物資和設備的儲運及運輸周轉用倉庫等倉儲類房屋；游泳館、訓練館、健身房等體育健身類用房：大中型超級市場的展銷廳、游藝娛樂廳等商貿類展銷廳；碼頭、汽車站等的候車（船)廳、影視放映廳；起重量小于5噸的輕、中級工作制的橋式吊車廠房以及各類臨時建筑等，在目前國內建筑市場上極具競爭力，市場應用發展很快。

與屋架有槐體系、空間網架等傳統的結構體系相比，其結構薄弱，整體剛度和穩定性較差，設計、構造和施工都有其特殊性，但迄今為止國際上還沒有統一的設計計算方法，也沒有相應的設計規程，工程質量也就沒有可靠的保證。96年冬天鞍山地區的一場大雪使得該地區6棟大跨度MIC-240型金屬拱形波紋屋頂塌落，不少文獻對此作了詳盡的分析和研究，并提出了相應的改進措施和建議[1~3]，對防止類似事故的發生并引導這類結構的健康發展起到積極的作用。另一方面，由于金屬拱形波紋屋頂受力的特殊性，其相應的房屋圍護結構的傳力機理、受力特性等也與傳統結構的圍護結構有明顯的差別，而文獻中對此類房屋圍護結構的分析和研究卻很少，而圍護結構的安全可靠性直接影響著整體結構的安全可靠性，因此應重視此類房屋圍護結構設計。

筆者曾設計了3棟MIC-240型金屬拱形波紋屋頂房屋，在此類房屋圍護結構設計的抗震計算模型的選取、拱腳標高處的水平位移控制值及基礎形式等方面作了些分析和探索，針對：[程的具體情況提出了～些工程措施，可供設計參考。

二、金屬拱形波紋屋頂房屋圍護結構設計

2．1房屋圍護結構設計的抗震計算模型的選取金屬拱形波紋屋頂是一種典型的薄壁輕鋼結構，由于壁很薄(O．6～1．6mm)，在半跨荷載(通常是雪載)作用下的局部穩定問題是這類結構的設計控制條件。目前在常規荷載作用下的考慮幾何非線性的殼體有限元等理論計算結果與試驗結構較一致，從而克服了國外通常采用的平面拱理論的局限性，表明常規荷載作用下的理論計算已趨成熟。但在地震作用下屋頂與圍護結構整體的理論計算模型的選取，文獻上還很少提及。地震作用下，沿跨度方向拱腳一側圍護結構的地震作用能否通過拱形波紋屋頂傳到另一側，是地震作用下屋頂與圍護結構整體的理論計算模型的選取所必須考慮的關鍵問題。由于屋頂輕鋼結構壁很薄，傳遞水平地震力能力較弱，因而缺少一有效的機構將地震作用從拱腳一側傳到另一側，因此從工程抗震設計的概念設計角度考慮。可不考慮沿跨度方向拱腳一側圍護結構與另一倒之間的相互作用，即認為拱腳的每一側的墻和柱的地震作用僅由其自身承擔，墻或柱按懸臂計算模型進行地震作用分析，這種懸臂動力計算模型理論上屬于質量連續分布體系，具有無限自由度，但工程實踐中通?？刹捎眉匈|量法將其簡化為多自由度動力計算模型，見圖1。

實例1：某3x30m的三跨金屬拱形波紋屋頂倉庫，建筑面積4920m，拱腳標高3．50m，拱頂標高12．50m，抗震設防烈度為8度。鋼筋混凝土柱柱距為6m，金屬拱形波紋彩板固定在柱頂500x6OOmm(建筑要求)的鋼筋混凝土縱向粱上柱抗震計算模型可取懸臂計算模型進行分析，通常按結構的層數確定動力計算的自由度數，見圖l(a)。

為精確考慮豎向質量分布的影響可取多質點系計算模型進行分析，見圖l(b)。設計中可取沿豎向2m左右取一集中質量并在相應的位置墻體中設置圈梁也可做60mm厚鋼筋混凝土配筋帶以加強聯系。計算模型確定后結構的地震作用可按底部剪力法計算。

實例2：某25m跨金屬拱形波紋屋頂車間，面積1765m，拱腳標高5．Om，拱頂標高l1．Ore，抗震設防烈度為6度。鋼筋混凝士柱柱距為6m。風載作用下按懸臂計算模型進行內力及變形分析。

實例3：某24m跨金屬拱形波紋屋頂倉庫，建筑面積1200m2，拱腳標高3．8m，拱頂標高9．8rn，抗震設防烈度為7度。鋼筋混凝土柱柱距為6m。風載和地震作用下采用懸臂計算模型。

2．2拱腳標高處的水平位移控制值

金屬拱形波紋屋頂是一超靜定拱，由于在拱腳處支承梁的剛度比彩板的剛度相對大得多，實際上已接近于無拱鉸，拱腳處支座條件已接近于固接。由于拱腳處的變形對超靜定拱的受力性能影響較大，而一般的金屬拱形波紋屋頂房屋的屋頂拱腳標高通常都在3．Om以上，在拱腳處內力及風荷載等水平力作用下，圍護結構在拱腳處必定產生一定的水平變形，因此設計時必須考慮拱腳標高處的水平位移控制值問題。一般的金屬拱形波紋屋頂生產廠家僅能提供拱腳的內力，并不能提供拱腳標高處的水平位移控制值，所以只能參照相應的規范要求確定?，F行混凝土結構設計規范(GBJl0—89)對受彎構件給出了允許撓度值，鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程(JGJ3—9I)則給出了在風載和地震作用下的樓層水平位移限值。如按這兩個允許撓度值作為設計控制值，由于風載和地震作用下柱是按懸臂計算模型進行內力及變形分析的，柱截面就比較大。為盡可能地減小柱子截面，筆者在設計前述三個項目時采取了以下措施：由于產生柱頂水平位移的各種因素中-在拱形波紋屋頂自重作用下的拱腳水平推力和彎矩是其主要因素，因此可根據鋼筋混凝土梁支模板時預先起拱的原理，在柱子支模板時柱項有意向房屋內側傾斜一特定值(前述實例I中是15mm)以抵消金屬拱形波紋屋頂在自重作用下拱腳內力產生的水平位移(相當于梁的反拱)，柱配筋計算時，考慮柱幾何偏心的影響由于金屬拱形波紋屋頂自重輕，拱腳軸力較小，所以柱幾何偏心產生的彎矩影響較小。抵消了屋頂在自重作用下拱腳內力產生的水平位移后，在風載和地震作用下的拱腳處柱頂水平位移限僵就很容易滿足規范要求了。當然支模時柱頂內傾值要控制在一定范圍內，以免產生由柱幾何偏心而引起過大的附加彎矩效應和其它不利影響；采取這項措施比單純從計算角度來控制拱腳內力產生的位移效果更明顯并可取得較好的經濟效益。另外，拱腳處縱向連續梁的截面尺寸也不應取得太小，以免拱腳處梁產生較大的轉角位移。

這個是拱形屋頂的混凝土基礎圖

2．3基礎形式

由于金屬拱形波紋屋頂自重輕，拱腳軸力較小而水平推力及支座彎矩則相對較大-又因前進柱在風載和地震作用下是采用懸臂計算模型進行內力分析的，所以柱傳至基礎底面的軸力較小而彎矩則相對較大。為減少基礎偏心彎矩的影響，根據這類結構的受力特點，可將基礎幾何中心與柱中心相對偏移一數值（見圖2（a）），使得在金屬拱形波紋屋頂及墻和柱的自重作用下基礎處于軸心受壓狀態，在風載、地震及其它荷載作用組合下基礎處于偏心受壓狀態。采用這種偏心基礎形式與常規的基礎幾何中心與柱中心重合的基礎形式相比，實例l中的邊柱基礎平面尺寸由常規形式的2600xSOOOmm，變為1900×3200ram(見圖2)，基礎平面尺寸明顯減小?；A平面尺寸減小，不僅可取得較好的經濟效益而且基底反力實際分布更均勻，受力性能也相對好些。所以對于這類上部傳至基底的偏心力矩方向比較固定的，采取將基礎幾何中心與柱中心相對偏移～數值的方法以抵消偏心荷載對基礎的影響，不失為一經濟而有效的措施。但此時，建筑地基基礎設計規范fGBJ7_891中所給出的確定偏心荷載作用下的基底壓力分布的式(5．1．5．2）x為柱中心與基礎幾何中心之間的偏離值，其余符號的意義同建筑地基基礎設計規范fGBJ7·89)相應的基礎沖切驗算時的計算基礎沖切破壞面以外的基礎沖切力作用面積的計算公式也不能直接套用文獻中的計算公式：

2．4柱截面設計的控制內力

雖然在地震作用下其圍護柱和墻只能按懸臂計算模型進行內力分析，但由于金屬拱形波紋屋頂自重輕，在各種不利荷載組合中地震作用所占的份量相對較小，即使是在8度抗震設防區，有地震作用的荷載組合不一定是柱截面設計的控制內力，柱截面設計時還得考慮無地震作用的不利荷載組合。另外，由于柱軸力相對較小而彎矩相對較大，柱截面設計時，按現行混凝土結構設計規范(GBJ1O一89)中的式(4．1．15-1)及(4．1l】5-2)計算柱子配筋時，有可能出現柱截面混凝土受壓區高度X<2a。的情況，此時應根據混凝土結構毆計規范第4．1．15條的規定按該規范第4．1．9條的規定進行柱子配筋計算，否則將出現柱子配筋偏小的不利情況。

前述實例l中抗震設防烈度為8度，有地震作用的荷載組合時，柱底內力設計值為：M=438．95kN-m，N=132．1kN軸壓比wf，bh=0．053<0．15，因而承載力抗震調整系數丫RE=0．75，對稱配筋時由混凝士結構設計規范中的式(4．1．15-1)及(4．1．150)有：由上式柱截面混凝土受壓區高度=19．8ram<2a=70ram，根據規范第4．1l15條的規定，應按該規范第4．1．9條的規定進行柱子配筋計算。由式(4．1．9)得A=2381．4ram：當無地震作用的荷載組合時，柱底內力設計值為：M=347．2kN．m，N=I32．1kN，按前述步驟由式(4．1．9)得A=2398．2mm．說明即使是在8度抗震設防區，無地震作用的荷載組合反而是柱截面設計的控制內力組合。前述實例3在7度抗震設防區，柱截面設計的控制內力組合也為無地震作用的荷載不利組合．而實例2、3的柱子配筋計算時均不滿足2a的要求而需按式(4．1．9)來計算柱子配筋。

三、結語

由于金屬拱形波紋屋頂受力的特殊性，其相應的房屋圍護結構的受力特性也與傳統結構的圍護結構有明顯的差別筆者在設計金屬拱形波紋屋頂房屋時，在選取圍護結構抗震計算時，取懸臂動力計算模型進行內力及變形分析；基礎設計時根據這類結構的受力特點，為減少基礎偏心彎矩的影響，將基礎幾何中心與柱中心相對偏移一數值(圖2(a))使得在屋頂及墻和柱白重作用下基礎處于軸心受壓狀態，在風載、地震及其它荷載作用組合下基礎處于偏心受壓狀態；在控制拱腳標高處的水平位移值方面采取在柱子支模板時柱項有意向房屋內側傾斜一特定值以抵消屋頂在白重作用下拱腳內力產生的水平位移(相當于梁的反拱)，柱配筋計算時，考慮柱幾何偏心的影響．這些措施可供設計參考。

參考文獻

1.劉錫良．一種新型空間鋼結構——銀河金屬拱形波紋屋頂．建筑結構學報，1996~(4)：72—75

2.王辮銘等．大跨度薄壁褶皺拱形鋼板屋頂塌落事故的調查與分析．建筑技術，1997~(9)：6l7—6l9

3.李少甫冷彎褶皺薄壁拱殼輕鋼房屋建筑結構，1998~(1)：23—25

4.天津大學等編鋼筋混凝土結構(下冊)．中國建筑工業出版社，1980

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