《支座不等高拱形波纹钢屋盖承载性能研究》王小平

支座不等高拱形波纹钢屋盖承载性能研究

王世英、王小平（武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070）

摘要：随着拱形波纹钢屋盖（简称波纹拱）在我国的广泛应用，支座不等高等特殊波纹拱在实际工程中得到应用。目前，支座不等高拱形在竖向荷载作用下的承载能力尚难以求得。通过以18m跨MMR-238型波纹拱为对象，采用ABAOUS有限元软件，对不同矢跨比下，支座不等高对波纹拱在不同竖向荷载工况下承载力的影响进行研究。在全跨竖向荷载作用下，与同跨度等高支座相比，支座不等高波纹拱的极限承载力有较大降低，而在半跨竖向荷载作用下，支座高度差对结构的极限承载力影响较小。

关键词：拱形波纹钢屋盖；支座不等高；极限承载力；ABAQUS；有限元分析

BEARING CAPACITY RESEARCH ON ARCHED CORRUGATED STEEL ROOF

WITH UNEOUAL ALTITUDE SUPPORT

Wang Shiying Wang Xiaoping

(School of Civil Engineeing and Architecture Wuhan Univesity of Technlogy Wuhan 430070)Abstract:With the widespread application of Arched Corugated Steel Roof(ACSR)in China, sometimes ACSR withunequal altitude support is applied in the practical projects,whose bearing capacity under vertical load is unknown.A18m-span MMR-238ACSR is taken as a research object.For ACSR with different ratio f rise to span,the influence of unecqualaltitude suppout to the bearing capacity under different vertical loal is studied,by using ABAQUS finite element software.Under full-span vertical load the ultimate bearing capacity of the ACSR with unequal altitude support reduced greatlycampared with the equal altitude suppout situation.Under half span vertical load,the influence of unequal support altitude issmall to the structural ultimate bearing capaciy.

Keywords:arched corugated steel roof unequal altitude support ultimate bearing capacity ABAQUS finite element

analysis

拱形波纹钢屋盖（简称波纹拱）是一种冷弯薄壁空间钢结构，具有自重轻、造价低、适用跨度大、造型美观等特点，自20世纪90年代引入我国以来，经过十几年的发展，已广泛应用于工业厂房、仓库、室内体育场馆、飞机库等中小跨度结构中，应用前景极为广阔。2004年，中国工程建设标准化协会组织编制了《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》（CECS167：2004）14，使得设计和制作安装人员有据可依，也更快地推动了波纹拱在我国的发展和应用。近十几年来，有关波纹拱的研究主要集中在三个方面：计算方法的简化、结构静载作用下的承载能力、结构的动力特性13-1g。

随着波纹拱在我国的广泛应用，支座不等高、高拱及浅拱等特殊波纹拱也在实际工程中时常遇见，其在竖向荷载作用下的承载能力尚不得而知，对其进行专门研究很有必要。

但目前没有查到相关研究文献。“规程”（CECS167：2004）也没有一个明确的计算方法。本文以18m跨、MMR一238型波纹拱为研究对象，利用ABAQUS有限元软件，模拟分析支座不等高波纹拱在竖向荷载作用下的承载能力及破坏模态，为这种结构的应用提供参考和依据。

1、研究对象

图1：为波纹拱两端支座不在同一水平高度的情况，左右两边分别为低、高支座，以波纹拱最高顶点为界，左边为低支座半跨，右边为高支座半跨。

为模拟支座高度差对该结构承载力的影响，本文以国内广泛应用的MMR-238型（图2）波纹拱为研究对象，选取18m跨，Q235钢材，矢跨比为Q20和Q25支座高度差与矢高比分别为Q1、Q2、Q25、Q33、Q5五种模型，模型的几何参数见表1。

2、有限元模型的建立

2.1材料

为利用有限元软件包ABAQUS模拟波纹拱的实际情况。采用文献的简化方法，将带有小波纹的腹板和下翼缘等效成大小和厚度都相等的正交各向异性平曲板，其两个方向的等效弹性材料常数由试验直接获取。

表2是文献[1g通过试验和分析得到的18m跨、Q235钢材、拱高45m、彩板厚1.0mm的MMR238波纹拱腹板和翼缘两个方向的等效弹性拉伸模量、剪切模量和泊松比。

为进行材料非线性分析，假设钢材应力一应变关系为弹塑性两段线，屈服强度取235MPa。

2.2单元与网格

由于波纹拱的厚度比其他两个方向的尺寸小很多，在建立波纹拱有限元模型时采用薄壳单元，具体为ABAQUS有限元软件中的S4R单元；网格划分时考虑到单元规则性、结果收敛、计算结果的精确和计算成本等因素，不同模型的网格大小各不相同，一般为150~200mm。

2.3荷载和边界条件

由于波纹拱是弧形的，不便直接施加竖向均布荷载，实际建模时在波纹拱上施加均布的体积力，根据所加体积力的支座不等高拱形波纹钢屋盖承载性能研究一—王世英，等大小等效计算出相应竖向均布荷载。在实际工程中，波纹拱是通过自攻螺丝将下翼缘端部与下部结构连接的，因此在模拟支座边界条件时，将波纹拱两端的下翼缘直边设为铰支座，两侧的弧边设为能够在竖向平面内移动的滑动支座。

2.4分析方法

由于波纹拱的刚度较小，在外荷载作用下会产生大变形，从而引起结构的刚度发生变化。因此在有限元分析时必须考虑结构的几何非线性。

本文直接采用ABAQUS64中的Riks、General模块，在同时考虑材料和几何非线性的前提下，计算波纹拱在竖向荷载作用下的承载力及破坏模态，并找出支座不等高波纹拱的竖向位移与外载之间的关系曲线。

本文取3片波纹单拱作为计算单元。图3为采用ABAQUS有限元软件建立的分析模型。

3、支座不等高波纹拱的变形及破坏模态

3.1荷载一位移曲线

通过有限元分析，支座不等高波纹拱在不同竖向荷载工况下，结构的变形各不相同。对于18m跨、矢跨比为Q2、支座高度差与矢高比分别为0、Q1、02、Q25、033、Q5的波纹拱，在3种不同荷载工况作用下荷载与竖向位移关系曲线见图4~图6。矢跨比为025的计算结果与图4~图6类似。

由荷载一位移曲线可以看出：

1）在全跨竖向荷载作用下，当荷载较小时，支座不等高波纹拱的跨中竖向位移与支座等高的波纹拱相近；随着荷载的增大，支座不等高波纹拱跨中竖向位移与支座等高情况相比差别逐渐加大。

2）在两种半跨竖向荷载作用下，支座不等高波纹拱的竖向最大位移与支座等高的波纹拱比较相近。

3.2变形及破坏模态

在全跨竖向荷载作用下，波纹拱的变形不对称，在低支座侧向上突起，在高支座侧下陷，而且在距离低支座1/8~16跨度段的应力较大，且首先达到材料的屈服应力值而使结构发生整体失稳破坏，如图7所示。

在低支座半跨竖向荷载作用下，波纹拱的变形也是非对称的，在低支座侧下陷，在高支座侧向上突起，而且在距离低支座18~1/6跨度段的应力较大且最先到达材料的屈服应力值而使结构发生整体失稳破坏，如图8所示。

在高支座半跨竖向荷载作用下，波纹拱的变形仍然是非对称的，在高支座侧下陷，在低支座侧18~14跨段向上突起，而且在距离较高支座18~1/6段的应力较大且最先到达材料的屈服应力值，使结构发生整体失稳破坏，如图9所示。

4、支座不等高对波纹拱极限承载力的影响

表3为18m跨支座不等高波纹拱在不同竖向荷载工况下的极限承载力。

为更清楚地表述支座不等高波纹拱的极限承载能力与支座高度差的关系，绘制了结构极限承载力与支座高度差系数关系曲线，如图10所示。

5、结论

利用小波空间变换对简支梁和固端梁空间损伤信号进行分析，准确地识别了其损伤位置，表明了空间小波变换能够方便快捷、准确可靠地用于工程结构的损伤定位。在模极大值图和染色图上都表明了边界条件对识别的效果有一定的影响，而何种裂缝形式则影响不大。模极大值法与染色图法的识别效果在小尺度上相当，但尺度增大后不如染色图法稳定。对绝大多数情况的染色模式图，至少能大致的确定损伤区域，在小尺度上，大多数情况能够准确的识别损伤位置，且相对稳定，但随尺度的增大，影响区域增大，定位不够精确或出现了偏差。因此，一般采用几种性能较好的小波函数进行分析，结合连续与离散小波空间变换、模极大值与染色图以及别的不同的显示模式，在较小的尺度上综合观察，从而确定损伤位置。

从表2和图10容易得出：

1）在全跨竖向荷载作用下，支座不等高波纹拱承载能力较支座等高的波纹拱有明显的降低，而且降低幅度在30%以上；

2）在全跨竖向荷载作用下，随着支座高度差的增大，支座不等高波纹拱的极限承载力呈明显的下降趋势，即支座高度差越大结构的极限承载力越低；

3）在半跨竖向荷载作用下，支座不等高波纹拱的承载能力与支座等高的波纹拱几乎相等，支座高度差的变化对结构的极限承载能力影响很小；

4）在半跨竖向荷载作用下，当荷载作用于高支座的半跨时，随着支座高度差的增大，结构的极限承载力比荷载作用在低支座的半跨时偏高。

6、总结论

支座不等高波纹拱在竖向荷载的作用下，结构的变形和破坏模态都是非对称的；在全跨竖向荷载作用下，支座不等高波纹拱的极限承载力比支座等高的波纹拱有较大降低；而在半跨竖向荷载作用下支座不等高对结构的极限承载力影响不大。本文的研究成果对于实际工程的设计和施工一定的具有参考意义。

参考文献

1刘锡良.一种新型的空间钢结构——银河金属拱型波纹屋顶.建筑结构学报，1996，17(4）：72-75

2CECS1672004拱形波纹钢屋盖结构技术规程

3郭彦林，郑浩然.彩色波形拱壳屋面结构折曲屈曲试验研究.工业建筑，1997,27（11）：30-33

4李少甫.冷弯折皱薄壁拱壳轻钢房屋.建筑结构,1998（1）：23一25

5王小平.大跨度金属拱型波纹屋顶试验研究与有限元分析：[博士学位论文1。武汉：武汉工业大学，1999

6张勇.金属拱型波纹屋盖结构分析、设计理论和试验研究：[博士学位论文.天津：天津大学，2000

7杨维国，徐国彬.冷弯折皱薄壁拱壳轻型钢结构在风荷载下的动力响应.空间结构，2000（2）：44-49

8谭成冬，王元清，石永久，等.拱型波纹钢屋盖动力特性分析.四川建筑科学研究，2004（2）

9王小平，蒋沧如，胡春宇，等.拱型波纹钢屋盖动力特性测试及分析.地震工程与工程振动，2005（5）：112-116

10杨安蓉.拱形波纹钢屋盖计算模型及动力特性研究：[硕士学位论文.武汉：武汉理工大学，2002

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