《金属拱形波纹屋顶房屋围护结构设计》周献祥

论文标题：金属拱形波纹屋顶房屋围护结构设计

作者：周献详，张辉

（总后勤部建筑设计研究院，北京100036）

摘要：针对金属拱形波纹屋顶房屋受力的特殊性，结合工程设计实例，给出了金属拱形波纹屋顶房屋围护结构的基础选型、抗震计算模型选取及拱脚标高处位移限值的确定等的设计建议和工程措施。

关键词：金属拱形波纹屋项，薄壁褶皱拱形钢板屋顶，围护结构设计

一、引言

金属拱形波纹屋顶（薄壁褶皱拱形钢板屋顶，冷弯褶皱薄壁拱壳轻钢房屋）房屋是一种集承重、保温和围护于一体的无支撑、自重轻（10~25kg/m2）、跨越能力大（6~42m)、造价低、施工速度快（10000m2/25天）、造型新颖优美的新型空间钢结构屋盖体系。由于这类结构具有良好的经济和社会效益，比较适合我国的国情，在湿度不很大和无强烈侵蚀介质环境的跨度不大于40m的中小型机库、汽车库、物资和设备的储运及运输周转用仓库等仓储类房屋；游泳馆、训练馆、健身房等体育健身类用房：大中型超级市场的展销厅、游艺娱乐厅等商贸类展销厅；码头、汽车站等的候车（船)厅、影视放映厅；起重量小于5吨的轻、中级工作制的桥式吊车厂房以及各类临时建筑等，在目前国内建筑市场上极具竞争力，市场应用发展很快。

与屋架有槐体系、空间网架等传统的结构体系相比，其结构薄弱，整体刚度和稳定性较差，设计、构造和施工都有其特殊性，但迄今为止国际上还没有统一的设计计算方法，也没有相应的设计规程，工程质量也就没有可靠的保证。96年冬天鞍山地区的一场大雪使得该地区6栋大跨度MIC-240型金属拱形波纹屋顶塌落，不少文献对此作了详尽的分析和研究，并提出了相应的改进措施和建议[1~3]，对防止类似事故的发生并引导这类结构的健康发展起到积极的作用。另一方面，由于金属拱形波纹屋顶受力的特殊性，其相应的房屋围护结构的传力机理、受力特性等也与传统结构的围护结构有明显的差别，而文献中对此类房屋围护结构的分析和研究却很少，而围护结构的安全可靠性直接影响着整体结构的安全可靠性，因此应重视此类房屋围护结构设计。

笔者曾设计了3栋MIC-240型金属拱形波纹屋顶房屋，在此类房屋围护结构设计的抗震计算模型的选取、拱脚标高处的水平位移控制值及基础形式等方面作了些分析和探索，针对：[程的具体情况提出了～些工程措施，可供设计参考。

二、金属拱形波纹屋顶房屋围护结构设计

2．1房屋围护结构设计的抗震计算模型的选取金属拱形波纹屋顶是一种典型的薄壁轻钢结构，由于壁很薄(O．6～1．6mm)，在半跨荷载(通常是雪载)作用下的局部稳定问题是这类结构的设计控制条件。目前在常规荷载作用下的考虑几何非线性的壳体有限元等理论计算结果与试验结构较一致，从而克服了国外通常采用的平面拱理论的局限性，表明常规荷载作用下的理论计算已趋成熟。但在地震作用下屋顶与围护结构整体的理论计算模型的选取，文献上还很少提及。地震作用下，沿跨度方向拱脚一侧围护结构的地震作用能否通过拱形波纹屋顶传到另一侧，是地震作用下屋顶与围护结构整体的理论计算模型的选取所必须考虑的关键问题。由于屋顶轻钢结构壁很薄，传递水平地震力能力较弱，因而缺少一有效的机构将地震作用从拱脚一侧传到另一侧，因此从工程抗震设计的概念设计角度考虑。可不考虑沿跨度方向拱脚一侧围护结构与另一倒之间的相互作用，即认为拱脚的每一侧的墙和柱的地震作用仅由其自身承担，墙或柱按悬臂计算模型进行地震作用分析，这种悬臂动力计算模型理论上属于质量连续分布体系，具有无限自由度，但工程实践中通常可采用集中质量法将其简化为多自由度动力计算模型，见图1。

实例1：某3x30m的三跨金属拱形波纹屋顶仓库，建筑面积4920m，拱脚标高3．50m，拱顶标高12．50m，抗震设防烈度为8度。钢筋混凝土柱柱距为6m，金属拱形波纹彩板固定在柱顶500x6OOmm(建筑要求)的钢筋混凝土纵向粱上柱抗震计算模型可取悬臂计算模型进行分析，通常按结构的层数确定动力计算的自由度数，见图l(a)。

为精确考虑竖向质量分布的影响可取多质点系计算模型进行分析，见图l(b)。设计中可取沿竖向2m左右取一集中质量并在相应的位置墙体中设置圈梁也可做60mm厚钢筋混凝土配筋带以加强联系。计算模型确定后结构的地震作用可按底部剪力法计算。

实例2：某25m跨金属拱形波纹屋顶车间，面积1765m，拱脚标高5．Om，拱顶标高l1．Ore，抗震设防烈度为6度。钢筋混凝士柱柱距为6m。风载作用下按悬臂计算模型进行内力及变形分析。

实例3：某24m跨金属拱形波纹屋顶仓库，建筑面积1200m2，拱脚标高3．8m，拱顶标高9．8rn，抗震设防烈度为7度。钢筋混凝土柱柱距为6m。风载和地震作用下采用悬臂计算模型。

2．2拱脚标高处的水平位移控制值

金属拱形波纹屋顶是一超静定拱，由于在拱脚处支承梁的刚度比彩板的刚度相对大得多，实际上已接近于无拱铰，拱脚处支座条件已接近于固接。由于拱脚处的变形对超静定拱的受力性能影响较大，而一般的金属拱形波纹屋顶房屋的屋顶拱脚标高通常都在3．Om以上，在拱脚处内力及风荷载等水平力作用下，围护结构在拱脚处必定产生一定的水平变形，因此设计时必须考虑拱脚标高处的水平位移控制值问题。一般的金属拱形波纹屋顶生产厂家仅能提供拱脚的内力，并不能提供拱脚标高处的水平位移控制值，所以只能参照相应的规范要求确定。现行混凝土结构设计规范(GBJl0—89)对受弯构件给出了允许挠度值，钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3—9I)则给出了在风载和地震作用下的楼层水平位移限值。如按这两个允许挠度值作为设计控制值，由于风载和地震作用下柱是按悬臂计算模型进行内力及变形分析的，柱截面就比较大。为尽可能地减小柱子截面，笔者在设计前述三个项目时采取了以下措施：由于产生柱顶水平位移的各种因素中-在拱形波纹屋顶自重作用下的拱脚水平推力和弯矩是其主要因素，因此可根据钢筋混凝土梁支模板时预先起拱的原理，在柱子支模板时柱项有意向房屋内侧倾斜一特定值(前述实例I中是15mm)以抵消金属拱形波纹屋顶在自重作用下拱脚内力产生的水平位移(相当于梁的反拱)，柱配筋计算时，考虑柱几何偏心的影响由于金属拱形波纹屋顶自重轻，拱脚轴力较小，所以柱几何偏心产生的弯矩影响较小。抵消了屋顶在自重作用下拱脚内力产生的水平位移后，在风载和地震作用下的拱脚处柱顶水平位移限僵就很容易满足规范要求了。当然支模时柱顶内倾值要控制在一定范围内，以免产生由柱几何偏心而引起过大的附加弯矩效应和其它不利影响；采取这项措施比单纯从计算角度来控制拱脚内力产生的位移效果更明显并可取得较好的经济效益。另外，拱脚处纵向连续梁的截面尺寸也不应取得太小，以免拱脚处梁产生较大的转角位移。

这个是拱形屋顶的混凝土基础图

2．3基础形式

由于金属拱形波纹屋顶自重轻，拱脚轴力较小而水平推力及支座弯矩则相对较大-又因前进柱在风载和地震作用下是采用悬臂计算模型进行内力分析的，所以柱传至基础底面的轴力较小而弯矩则相对较大。为减少基础偏心弯矩的影响，根据这类结构的受力特点，可将基础几何中心与柱中心相对偏移一数值（见图2（a）），使得在金属拱形波纹屋顶及墙和柱的自重作用下基础处于轴心受压状态，在风载、地震及其它荷载作用组合下基础处于偏心受压状态。采用这种偏心基础形式与常规的基础几何中心与柱中心重合的基础形式相比，实例l中的边柱基础平面尺寸由常规形式的2600xSOOOmm，变为1900×3200ram(见图2)，基础平面尺寸明显减小。基础平面尺寸减小，不仅可取得较好的经济效益而且基底反力实际分布更均匀，受力性能也相对好些。所以对于这类上部传至基底的偏心力矩方向比较固定的，采取将基础几何中心与柱中心相对偏移～数值的方法以抵消偏心荷载对基础的影响，不失为一经济而有效的措施。但此时，建筑地基基础设计规范fGBJ7_891中所给出的确定偏心荷载作用下的基底压力分布的式(5．1．5．2）x为柱中心与基础几何中心之间的偏离值，其余符号的意义同建筑地基基础设计规范fGBJ7·89)相应的基础冲切验算时的计算基础冲切破坏面以外的基础冲切力作用面积的计算公式也不能直接套用文献中的计算公式：

2．4柱截面设计的控制内力

虽然在地震作用下其围护柱和墙只能按悬臂计算模型进行内力分析，但由于金属拱形波纹屋顶自重轻，在各种不利荷载组合中地震作用所占的份量相对较小，即使是在8度抗震设防区，有地震作用的荷载组合不一定是柱截面设计的控制内力，柱截面设计时还得考虑无地震作用的不利荷载组合。另外，由于柱轴力相对较小而弯矩相对较大，柱截面设计时，按现行混凝土结构设计规范(GBJ1O一89)中的式(4．1．15-1)及(4．1l】5-2)计算柱子配筋时，有可能出现柱截面混凝土受压区高度X<2a。的情况，此时应根据混凝土结构殴计规范第4．1．15条的规定按该规范第4．1．9条的规定进行柱子配筋计算，否则将出现柱子配筋偏小的不利情况。

前述实例l中抗震设防烈度为8度，有地震作用的荷载组合时，柱底内力设计值为：M=438．95kN-m，N=132．1kN轴压比wf，bh=0．053<0．15，因而承载力抗震调整系数丫RE=0．75，对称配筋时由混凝士结构设计规范中的式(4．1．15-1)及(4．1．150)有：由上式柱截面混凝土受压区高度=19．8ram<2a=70ram，根据规范第4．1l15条的规定，应按该规范第4．1．9条的规定进行柱子配筋计算。由式(4．1．9)得A=2381．4ram：当无地震作用的荷载组合时，柱底内力设计值为：M=347．2kN．m，N=I32．1kN，按前述步骤由式(4．1．9)得A=2398．2mm．说明即使是在8度抗震设防区，无地震作用的荷载组合反而是柱截面设计的控制内力组合。前述实例3在7度抗震设防区，柱截面设计的控制内力组合也为无地震作用的荷载不利组合．而实例2、3的柱子配筋计算时均不满足2a的要求而需按式(4．1．9)来计算柱子配筋。

三、结语

由于金属拱形波纹屋顶受力的特殊性，其相应的房屋围护结构的受力特性也与传统结构的围护结构有明显的差别笔者在设计金属拱形波纹屋顶房屋时，在选取围护结构抗震计算时，取悬臂动力计算模型进行内力及变形分析；基础设计时根据这类结构的受力特点，为减少基础偏心弯矩的影响，将基础几何中心与柱中心相对偏移一数值(图2(a))使得在屋顶及墙和柱白重作用下基础处于轴心受压状态，在风载、地震及其它荷载作用组合下基础处于偏心受压状态；在控制拱脚标高处的水平位移值方面采取在柱子支模板时柱项有意向房屋内侧倾斜一特定值以抵消屋顶在白重作用下拱脚内力产生的水平位移(相当于梁的反拱)，柱配筋计算时，考虑柱几何偏心的影响．这些措施可供设计参考。

参考文献

1.刘锡良．一种新型空间钢结构——银河金属拱形波纹屋顶．建筑结构学报，1996~(4)：72—75

2.王辫铭等．大跨度薄壁褶皱拱形钢板屋顶塌落事故的调查与分析．建筑技术，1997~(9)：6l7—6l9

3.李少甫冷弯褶皱薄壁拱壳轻钢房屋建筑结构，1998~(1)：23—25

4.天津大学等编钢筋混凝土结构(下册)．中国建筑工业出版社，1980

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