《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》的特点与应用

论文名称：《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》的特点与应用

刘锡良（天津大学土木系天津300072）

张勇（北京交通大学土木建筑工程学院北京100044）

[摘要]中国工程建设标准化协会标准《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》已于日前正式颁布实施。这是世界上第一本拱形波纹钢屋盖结构的专用技术规程。本文从材料、结构设计及质量控制等方面介绍了该规程的的主要特点，并运用规程中的简化设计方法设计分析了两个事故工程。

[关键词]拱形波纹钢屋盖结构，技术规程，设计方法，彩涂板，质量控制。

1、引言

拱形波纹钢屋盖结构在国外已有一百多年的应用历史，我国自90年代初开始应用。

由于其具有用料省、施工速度快、跨越能力大、防水性能好、造价低等优点，很适合我国国情，因此在短短十余年间，这种结构在我国已完成了从无到有，到大量应用的发展历程。据不完全统计，目前国内已有这种结构的施工单位100多家，已完成建筑面积400多万平方米。

与这种结构发展形势很不协调的是对这种结构的技术管理滞后，长期以来，世界上尚无这种结构明确的设计方法，更没有可供操作使用的专用技术标准。在我国，这种结构对大多数工程技术人员及管理人员来说都是全新的，再加上缺乏规程等技术支持，因此在过去的推广应用过程中暴露出了很多问题：设计无章可循，结构参数由施工单位根据经验确定，使得工程安全性难以保证；工程验收无据可依，全凭施工单位提供的技术资料，使得工程质量难以保证。从1997年至今，国内已发生了多起屋盖坍塌的恶性工程事故，不仅造成了巨大的财产损失，而且妨碍了这种结构的推广普及。

为了规范拱形波纹钢屋盖结构的建筑市场，确保这种结构的健康发展，1998年9月中国工程建设标准化协会下达了协会标准《金属拱形波纹屋盖结构技术规程》的编制计划。在协会轻型钢结构委员会CECS/TC28主持下，经主编单位天津大学和各参编单位近5年的辛勤工作，最终完成了编制任务。规程于2004年12月批准，于2005年2月1日开始实施，编号为CECS167：2004。

《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》CECS167：2004(以下简称《规程》）是世界上第一本拱形波纹钢屋盖结构的专用规程。该规程在吸收国内外有关科研成果、总结成熟的实践和使用经验的基础上，不仅规定了拱形波纹钢屋盖结构的材料、制作、安装及使用等技术要求，而且提出了一套切实可行的结构设计方法。为更好地理解和应用《规程》，本文将从材料、结构设计方法、工程质量控制等方面介绍《规程》的主要特点，并运用《规程》中的简化设计方法分析了两个事故工程。

2、《规程》适用范围

我国的拱形波纹钢屋盖结构是从国外引进的，这种结构在国外没有统一的名称。各种英文名称侧重点不同，都有偏驳之处，直译成中文后也形成了多种叫法：“金属拱形波纹屋盖”、“压型钢板拱”、“冷弯褶皱薄壁拱壳”等。本规程中定名为“拱形波纹钢屋盖结构”。随着《规程》的颁布实施将在国内统一对结构的叫法，这对规范市场很有意义。

另外，根据构件横截面的形状，市场上又将这种结构划分为不同类型。目前国内外广泛采用的板型是美国MIC公司开发的MIC-X系列，主要有MIC-120型、MIC-160型和MIC-240型；北京银河金属结构工程有限责任公司开发的MMR-118、MMR-178、MMR-238型，以及武汉钢铁集团开发的W666型、营口三星公司的W760型等板型。上述板型的命名规则很不统一，难以为设计人员理解和选用，因此《规程》根据现行行业标准《城镇建设和建筑工业产品型号编制规则》的规定，将这种结构的板型统一命名为YJxxxx型和YTxxxx型，YJ和YT为产品的名称代号，其中Y表示压型单元板、J表示矩形槽截面、T表示梯形槽截面，名称中的xxxx代表四位数字，前两位数代表单元板的上槽口宽度，后两位数代表槽深。如YT6118表示上槽口宽61cm、槽深18cm的梯形槽压型单元板，该板型与目前市场上的MIC-240和MMR-238板型相当。

按照《规程》术语规定，拱形波纹钢屋盖结构是用专门的成型机组将彩涂钢板压制成具有褶皱波纹的弧形钢槽板，经锁缝连接并安装就位而形成的屋盖结构。受构件成型工艺及机械加工能力的限制，这种结构的截面形式单一，所用钢板的厚度也不能根据需要而随意加大。理论分析和工程实践表明，对于目前国内常用的几种板型，在加工能力许可的钢板厚度范围内，在跨度较大时结构承载力（尤其是半跨荷载作用下）比较低。因此，本《规程》规定这种结构适宜的跨度

为30m以下。另外，现行《建筑结构荷载规范》没有给出开敞式拱形屋盖的风荷载体型系数，所以开敞式建筑中的拱形波纹钢屋盖结构不在本《规程》的适用范围之内。

由于拱形波纹钢屋盖结构是一种薄壁钢结构，对集中荷载、动荷载反应敏感，对使用环境等也有特殊要求，所以本《规程》不适用于强腐蚀、相对湿度长期较高和高温等环境中的建筑，以及直接承受动力作用的建筑。

3、材料

目前国内拱形波纹钢屋盖结构工程中采用的彩涂钢板，绝大多数是由宝钢生产的热镀锌彩色涂层钢带，也有一小部分是武钢生产的热镀铝锌彩色涂层钢带。这两种彩涂钢板的基板均为冷连轧钢带。冷连轧钢带经热镀锌或热镀铝锌工艺后，材料的力学性能会产生一些变化；另外，这类结构采用的冷连轧钢带的物理化学指标也与现行国家标准《碳素结构纲》和《低合金高强度结构钢》中规定的Q系列钢材有很大不同，是一种高强度、低含碳、中合金、低硫磷含量的优质结构用钢材。欧洲已有专门的连续热镀锌/热镀铝锌钢板及钢带的技术标准，我国目前尚无这方面的专用标准，所以如何命名材料、如何规定材料的理化指标，一直是困扰本《规程》编制的问题。2004年11月国家标准《彩色涂层钢板与钢带》GB/T12754（修订本）通过了专家审查，其中明确了彩涂钢板的钢材牌号，因此本《规程》直接按该标准的规定采用，即热镀锌彩涂钢板牌号TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS350GD+Z和热镀铝锌彩涂钢板牌号TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ、TS320GD+AZ、TS350GD+AZ等。这些钢材的理化指标在标准中都有规定。为便于设计采用，在《规程》的条文说明中给出了上述牌号钢材的屈服强度、抗拉强度及伸长率等力学性能指标。需要明确的是，彩涂板的力学性能指标是指基板（含镀层)的力学性能指标。当需进行力学性能检验时，应采用除去涂层的基板做试样。

拱形波纹钢屋盖结构所用基板厚度一般在1.5mm以下，属于超薄钢板。它受缺陷的影响较大，而目前尚缺乏这类板材制造偏差等的统计数据。为提高结构的安全度，《规程》将彩涂板的抗力分项系数取1.17，大于国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018一2002中抗力分项系数的取值。

拱形波纹钢屋盖结构的承载性能受基板厚度的影响很大，基板厚度太小一方面直接降低了构件截面的计算刚度，另一方面会放大构件成型过程中所形成的各种缺陷的作用，因此《规程》规定，拱形波纹钢屋盖结构的基板厚度不得小于0.8mm，且基板厚度的供货负偏差不得大于3%。规程在结构设计可靠度中已考虑了3%以内的板厚负偏差；对大于3%负偏差造成板厚的不足，《规程》规定在设计计算时应予扣除。

拱形波纹钢屋盖结构的防腐性能依赖于镀层和涂层的类型和厚度，具体的耐久性还与建筑物的使用环境有关。《规程》在附录A中按使用环境腐蚀性的不同给出了彩涂板镀层的重量要求，以及不同面漆类型二涂二烘涂层的各项技术性能要求。相关内容均引自国家标准《彩色涂层钢板及钢带》GB/T12754（修订本）。

4、结构设计

采用拱形波纹钢屋盖的承重结构一般由两部分组成：集围护与受力功能于一体的拱形屋盖结构和由梁柱组成的下部支承结构。从形式上看，屋盖为连续的简壳，下部支承结构为线形构件，将上、下合在一起进行整体分析，最能够反映结构的真实状况，但计算量较大，且不方便建模。

《规程》在足尺模型试验研究的基础上通过大量的理论分析，提出了一套简化设计方法。该方法将上部结构和下部结构分开计算，不仅简化了设计过程，而且易于理解和掌握。

4.1、上部屋盖结构设计

拱形波纹钢屋盖结构一般在两拱脚处通过布置在柱顶边梁上的连接角钢与下部支承结构相连，这种连接构造只能约束拱脚的平动位移，转动约束刚度很小，所以可简化成固定铰支座。若考虑柱顶水平位移的影响，可进一步将下部结构对屋盖的支承作用简化成具有一定水平支座位移的固定铰支支座。研究表明，由于屋盖刚度较小，在《规程》允许的范围内，柱顶水平位移，（即屋盖支座水平位移）对屋盖承载力的影响不大（在5%以内），所以《规程》限制了屋盖支座处的水平相对位移，而在屋盖结构分析中不再考虑支座位移的影响。这样屋盖结构便成了两边固定铰支的筒壳结构。

通过采用三维模型分析了屋盖纵向长度、屋盖两端山墙的支承作用以及山墙处风荷载的纵向作用对结构跨度方向承载力的影响。发现只要结构的纵向长度与跨度的比值满足一定要求，屋盖的纵向作用对面内承载力的影响可忽略不计。为方便设计，《规程》规定当跨度不大于24m时，屋盖的纵跨比不宜小于0.5；当跨度大于24m时，纵跨比不宜小于0.8。当屋盖结构满足此要求时（这个要求在实际工程中很容易达到），便可忽略结构的纵向作用和屋盖山墙支承作用的影响，将屋盖简化成拱形结构进行计算。

拱形波纹屋盖结构是一种薄壁结构，组成板件的局部稳定性问题必须予以重视。由于成型的需要，拱形波纹钢屋盖结构上压有许多横向小波纹，小波纹对整个结构的力学性能有很大影响：

一方面可提高钢板的局部稳定承载力、增强结构的纵向抗弯刚度，另一方面则削弱了结构跨度方向的刚度、降低了结构跨度方向的稳定承载力。因此，计算时还必须考虑小波纹对结构刚度的影响。另外，拱形波纹钢屋盖结构的整体刚度较小，在荷载作用下具有典型的几何软化特征，因此结构的二阶效应也是设计时不可忽略的。

《规程》对于板件上横向小波纹的影响采用了等效正交异性化方法，具体是在建立拱计算模型时运用了一个技巧，即按照等刚度原则改变等

效后平板的厚度，而不改变等效后平板的弹性常数。这样可将拱板截面等效成板厚变化的不带波纹截面，这种做法使得平截面变形假设仍然成立，而且物理意义明确。另外，计算表明采用这种方法等效后的结构截面刚度降低很多，甚至比采用有效宽度法考虑不带波纹的平板局部失稳问题对结构刚度的削弱更大。而理论及试验均已表明，波纹板的局部稳定承载力远较平板的局部稳定承载力大，因此《规程》的做法很巧妙地处理了这种结构的局部稳定问题。

结构的二阶分析方法虽然可以很好地反映结构的二阶效应，但由于这种方法理论及计算过程均较复杂，因此难以作为一种通用的设计计算方法而被《规程》采用。在对这种结构进行了大量二阶分析的基础上，《规程》给出了一种基于结构一阶分析的简化设计方法。该方法只需对结构进行一阶分析，求出结构的一阶内力，便可推导出结构的二阶内力，并进而判断结构的安全性。

研究表明，在荷载作用下这种结构的二阶效应主要表现在两个方面：一是荷载与结构变形之间的显著非线性关系；另一是荷载与弯矩内力之间的显著非线性关系。而当荷载达到极限荷载之前，荷载与轴力之间的关系基本上是线性的。由于变形控制是为了满足结构的正常使用要求，而对于拱形屋盖结构主要是满足人们的心理安全要求。因拱形屋盖即便产生较大的变形，人在室内

也不易察觉，所以《规程》不要求对这种结构进行正常使用极限状态计算。

荷载与弯矩之间的非线性关系，规程通过公式（1)反映：

M。=EB1M(1）

即结构的非线性弯矩M。等于线性弯矩M.乘以弯矩放大系数A，A则可通过公式（2)求出：

A=1(2）iggen

最终，结构的承载能力通过式（3)检验：

M，Ma+语≤f(3）

从形式上看（3）式是一个强度验算公式，但由于考虑了结构的二阶效应，当结构存在失稳可能时，其实质上是一个稳定验算公式。对于拱形波纹钢屋盖这种典型的薄壁钢结构，结构出现屈服点后的剩余承载力非常有限，因此这里的稳定承载力验算采用了边缘屈服准则。《规程》根据不同板型给出了考虑板上波纹影响后的截面刚度Am、Ia、Wa，以及公式中Y、q。等参数的计算公式。

拱形波纹钢屋盖结构的组成板件很薄，因此不能用来承受大的悬挂荷载，更不能承受直接动力荷载。实际工程中，这种结构所受荷载类型比较单一，设计时要考虑的荷载主要有：自重、保温荷载、吊顶荷载、雪荷载（活荷载）、积灰荷载、风荷载等。国内许多拱形波纹钢屋盖结构的坍塌事故均由半跨雪荷载引起，因此，按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定，《规程》对这类结构的基本雪压提高了10%，即Sk=1.1μ,S。

4.2、下部支承结构设计

拱形波纹钢屋盖结构的下部支承结构有钢框架、混凝土框架以及配筋混凝土墙体等多种做法。拱形波纹钢屋盖结构对下部支承结构的反力可通过对屋盖与下部结构的整体分析求得。但研究表明，当下部结构的刚度满足一定要求时，整体计算得到的反力与按两固定铰支模型单独计算屋盖得到的反力相差不大。所以，为了简化设计过程，也为提高屋盖结构的承载力，《规程》规定下部支承结构的变形除应满足相应结构设计标准的规定外，屋盖支座处的相对水平位移不得大于100mm。在这一条件下，《规程》规定可不考虑上下部分的协同工作。设计下部结构时，可将屋盖对下部结构的作用力作为外荷载考虑。

拱形波纹钢屋盖的下部支承结构基本上都是常规结构形式。本规程根据屋盖结构的特点，仅提出了上述屋盖支座处最大相对水平位移的特殊要求。除满足这点外，下部结构可按现行国家有关标准的规定进行设计。比如，由于拱形波纹钢屋盖结构相临构件之间采用锁缝连接，连接处一般都有较大缝隙，而且构件本身为双曲构形，这些都有利于结构释放温度应力，因此《规程》规定屋盖结构可不设温度缝，且不考虑温度作用，但下部支承结构及连接角钢应按现行国家有关标准的规定设置温度缝，必要时考虑温度应力。同样地，由于拱形波纹钢结构自重很小，其承载能力一般不受地震作用控制，因此《规程》认为屋盖结构可不进行抗震计算，但其与下部结构的连接及下部支承结构均应按现行抗震规范的规定进行设计。

5、工程质量控制

《规程》对拱形波纹钢屋盖结构工程质量的控制是通过控制材料、构件制作、安装等各环节的质量来实现的。

《规程》首先规定了屋盖结构采用的彩涂板牌号、基板厚度、镀层重量、涂层要求和外观质量等应符合相关规程的规定及设计要求。

《规程》对彩涂板的贮存、装卸都提出了明确要求。当彩涂板表面出现局部划伤或小面积涂层脱落时，《规程》规定了相应的修补要求。

对于构件的制作，《规程》规定了构件的长度、曲率、矢高等的尺寸允许偏差，并规定不得使用有折曲损伤的构件。

拱形波纹钢屋盖结构组成构件之间为锁缝连接，连接质量对整个屋盖结构的承载性能影响很大，因此《规程》也规定构件之间应采用专门机械咬合锁缝，锁缝必须牢固平滑，不得出现局部翘曲现象。

为便于形成整个工程统一的验收文件，《规程》规定拱形波纹钢屋盖结构工程应属于现行国家标准《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300规定的“主体结构”分部工程中“钢结构”子分部工程的“压型金属板”分项工程。并规定可按一栋房屋中采用同一种截面构件的屋盖划分为一个检验批。《规程》根据这种结构的制作、安装工艺流程，明确规定应按安装工程准备阶段、组合单元板安装阶段、安装工程竣工阶段等三个阶段进行质量验收，给出了每个阶段应进行的验收项目，并规定前一阶段未经验收合格，不得进入下一阶段施工。

根据对结构性能影响大小的不同，《规程》将验收项目划分为主控项目和一般项目，并规定了所有验收项目的检验要求和检验方法。只有所有抽查样本均符合主控项目的要求，且80%以上符合一般项目的要求的检验批，才可判定为合格。当各检验批的质量经验收均为合格时，分项工程才能判定为合格。

由于目前国内还缺乏关于彩涂板耐久性的工程应用经验，无法具体规定彩涂板的耐久年限，因此《规程》规定，工程交付使用后还应定期对屋盖和支座进行检查和维修。

6、工程设计实例

根据《规程》提供的拱形波纹钢屋盖结构设计方法，可总结出结构设计步骤如下：

（1）对结构所受各类荷载进行组合，确定各种工况下各类荷载的设计值；对于多雪地区，须考虑半跨非均布雪荷载的作用。因此，一般情况下设计时要考虑的荷载组合类型有：

a.自重类荷载十全跨均布雪荷载/活荷载

b.自重类荷载+全跨均布雪荷载/活荷载+风荷载

c.自重类荷载+风荷载

d.自重类荷载+半跨分布雪荷载

e.自重类荷载+半跨分布雪荷载+风荷载

（2）按《规程》提供的方法计算结构单位宽度截面的各等效弹性常数；

（3）采用线弹性理论计算出结构在各种设计荷载下各截面的弯矩M和轴力Ns；

（4）利用《规程》提供的方法，求出各类荷载对应的结构弹性临界荷载qm；

（5）利用本文公式（2）求出各类设计荷载对应的弯矩放大系数A，并进而利用本文公式（1)求出特定荷载工况下结构各截面的一阶轴力Ni和二阶弯矩M。

（6）按照本文公式（3）验算各工况下结构各截面的承载力。

由于计算采用的两铰拱模型为超静定结构，且轴线为曲线，通过手算计算结构内力工作量大且易出错。因此，为了方便计算机编程计算，《规程》给出了设计过程所需要的所有中间参数的多项式拟合公式，且据此编制了拱形波纹钢屋盖结构设计软件（ACSRAP)。该软件具有很好的用户界面，能够自动进行荷载组合并对各种荷载工况下的结构进行内力分析及承载力验算，可以图形显示并从图上查询各种计算结果，可以直接打印结构内力图及设计计算书。为验证《规程》简化设计方法的可靠性、适用性，运用此软件进行了大量的工程试设计，均得到较满意的结果。下面列举了两个实际工程的设计结果。

6.1、工程一 新疆乌鲁木齐某事故现场

结构参数：跨度30m，拱高6m，板厚1.4mm，板型YT6118，支座类型铰支座，钢板牌号TS280GD+Z（相当于宝钢生产的TStE28钢板），钢板屈服强度280MPa，设计强度235MPa。

荷载标准值：自重0.20kN/m2，基本雪压0.75kN/m2，活荷载0.30kN/m2，基本风压0.60kN/m2。

计算结果：

按有较大天沟考虑截面最大应力719MPa>235MPa，应力比3.05>1；

按没有较大天沟考虑截面最大应力458MPa>235MPa，应力比1.95>1。

结构不安全。

该工程为一实际工程，工程地点在乌鲁木齐市。工程1999年6月完工，于2000年1月在一场大雪后倒塌。

对事故现场的勘测表明此工程施工质量很好。

6.2、工程二 辽宁市鞍山某事故现场

结构参数：跨度33m，拱高6.6m，板厚1.25mm，板型YT6118，支座类型铰支座，钢板牌号TS280GD+Z，钢板屈服强度280MPa，设计强度235MPa。

荷载标准值：自重0.18kN/m2，基本雪压0.40kN/m2，活荷载0.30kN/m2，基本风压0.55kN/m2。

计算结果：

按有较大天沟考虑截面最大应力463MPa>235MPa，应力比1.97>1；

按没有较大天沟考虑截面最大应力313MPa>235MPa，应力比1.33>1。

结构不安全。

此工程也是一项事故工程，建于1995年并于1997年1月在一场大雪后塌落，工程地点在辽宁省鞍山市。在事故现场（图2）的足尺模型试验表明，结构在半跨雪荷载作用下的承载能力不足是导致事故的根本原因。

参考文献

1、《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》CECS167：2004.中国计划出版社，2005

2、张勇，刘锡良，王元清，石永久.金属拱形波纹屋盖结构的简化设计方法，《建筑结构学报》，2003，No.2.

3、刘锡良，张勇，张福海.金属拱形波纹屋盖结构的拱计算模型”。《钢结构》增刊-2000-10.

4、张勇，刘锡良，王元清，石永久.金属拱形波纹屋盖结构静力性能研究.《建筑结构学报》，2001，No.4.

5、张勇，刘锡良，石永久，王元清。支座位移对金属拱形波纹屋盖结构承载力的影响.《工业建筑》，2001，No.11.

6、张勇，刘锡良，石永久，王元清.金属拱形波纹屋盖结构弹性稳定承载力简化计算公式.《工业建筑》，2001，No.12.

7、张勇，刘锡良，王元清，石永久，张福海，金属拱形波纹屋盖结构足尺模型实验研究.《土木工程学报》，2003，No.2.

8、张勇，刘锡良，石永久，王元清.山墙对金属拱形波纹屋盖结构承载力的影响.《建筑结构》，2003，No.6.

9、么俊男，尹晓东.MIC-120拱板的局部失稳试验及研究.工业建筑，1999，No.5

10、高轩能，吴丽丽.拱形波纹钢屋盖结构局部板组相关屈曲试验研究.《钢结构》增刊，2002，11.

附：《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》的特点与应用图片版本

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