《大批波纹拱壳屋顶倒塌的事故分析及其安全改进措施》范学伟

论文标题：大批波纹拱壳屋顶倒塌的事故分析及其安全改进措施

作者范学伟、徐国彬

（北方交通大学土木建筑工程学院）

【摘要】波纹拱壳屋顶是一种新型的大跨轻钢结构。由于其造价低、施工期短，在国内己得到大规模的应用。1996年起，我国有几十个大跨波纹拱壳屋顶由于大风或大雪而相继发生坍塌事故，这类伤亡事故引起了业界的高度重视。笔者从波纹拱壳屋顶的设计理论、成型工艺、施工工艺、材质等几个方面探讨了波纹拱壳屋顶发生坍塌的原因，分析了影响波纹拱壳屋顶安全性能的几个主要因素，还提出了防止该结构倒塌的安全改进措施。

【关键词】波纹拱壳屋顶，倒塌事故，安全改进措施

一、引言

波纹拱壳屋顶最早于二战期间出现在美国，当时将这种屋顶用于军事（战斗机库、营房等），因其低廉的造价、神奇的施工速度、良好的使用效果，使用范围不断扩大吸引了越来越多的用户。90年代国内企业引进了该项技术并积极地推广。目前国内的施工面积每年高达两百万平米。但是，因其结构本身的不足从而造成了严重的事故隐患。1997年1月1日鞍山地区出现暴风雪天气。附近地区的雪荷载最大达到0.53kN/m2。在暴风雪中该地区6栋大跨波纹拱壳屋顶发生坍塌，直接经济损失达400万元。1997年杭州地区的大雪又有一批该种屋顶发生坍塌。1996年湛江地区的一次台风也吹垮一批此类屋顶。近年来，全国又发生多起波纹拱壳屋顶的塌落事故。因此，这种结构的坍塌，引起了工业界的高度重视。为了分析倒塌事故，很有必要了解波纹拱壳屋顶的成型工艺和施工工艺。

二、波纹拱壳屋顶的成型方法和施工工艺

波纹拱壳屋顶的成型方法和施工工艺流程可归纳如下：

1）直槽板冷弯成型。将幅宽为（600~914）mm，板厚为（0.6~1.6）mm的彩色镀锌钢板卷材，通过直板机辊轧成截面形状如图1所示的直槽板。直槽板的长度为拱弧长度，直槽板各段均为直线，板面为平面。

2）弯板成型。根据建筑物的实际跨度及设计矢跨比，通过弯板机把翼缘和腹板轧成褶皱，使其下部缩短，形成拱体（此时弯板的翼缘、腹板上出现了细小的横向波纹，见图2所示）。

3）地面锁边成组。因为单榀拱板抗扭刚度很小，吊装时易扭曲破坏，故在吊装前将3条单福拱板在地面用波纹屋顶封边机连成一组，根据场地及吊装条件在地面连成若干拱板。锁边示意图见图3、图4所示。

4）吊装就位。用起重设备将成组的拱板吊装就位，并用自攻螺丝固定，每两组拱板就位后用自动爬行锁边机连成整体。

三、事故分析

虽然波纹拱壳屋顶发生坍塌事故的原因很多，但笔者认为：波纹拱壳屋顶坍塌的原因王要是由于在设计理论、成型工艺存在的问题所造成的。

1）设计理论：这种结构多由承接工程的单位采用从国外引进的软件，结合国内的钢结构设计规范设计的。从国外的计算机软件说明书可以看出，国外这类结构的设计采用的是平面拱理论。对于结构的局部稳定问题，有的软件不予考虑，有的软件在结构截面演算时通过有效宽度予以考虑。但这种结构的腹板宽厚比远远超过了我国规范要求，而这些软件的有效宽度的取值没有依据。近期国内一些科研单位也曾编制了计算这种结构的有限元软件。但对于分布于整个屋顶上的细小的波纹褶皱，无论国外还是国内都没有给以相应的考虑。

2）成型工艺：波纹拱壳屋顶为了成形的需要将槽形截面的杆件冷轧成带有横向波纹的拱板，这使得大量的钢板被轧成波纹褶皱分布拱板的底板、翼缘上。这些有规律上下起伏的褶皱在宏观上显出了正交各向异性的性质。在褶板的两个弹性主轴方向上，两者的弹性刚度相差悬殊。建筑结构中的褶板一般是利用其强轴方向来承载，但波纹拱壳屋顶结构恰恰相反。拱形结构的一个重要受力特点就是沿拱轴方向上，存在很大的轴力和一部分弯矩，而褶板的弱轴方向恰恰落在这个方向上。这就是说波纹拱壳屋顶主要是以褶板的弱轴方向来承受弯矩和轴力。

在受力机理上，是不合理的。有文献[5]曾经对此屋顶上的褶板作过等效弹性模量测试，发现褶板的弱轴方向的等效弹性模量最大仅为0.24e5MPa，约为钢板弹性模量2.06e5MPa的1/8左右。再者，在成型过程中薄钢板易被成型机械轧漏。这两种因素合在一起，使得波纹拱壳屋顶沿拱轴方向的刚度被严重削弱。

除此外有一些次要原因：通过倒塌事故现场分析，板带之间的连接咬口撕开、拉脱的多数为在屋面上咬合的接口，而在地上组合的咬口很少拉脱。这说明屋面咬合不牢，使屋盖整体性能受到影响。再者，这种屋顶所采用的钢板厚度仅为（0.6~1.6）mm，而我国目前生产的热镀锌钢带的厚度负偏差较大。此值对结构的安全性能也有一定影响。

四、波纹拱壳屋顶承载力研究

波纹拱壳屋顶的安全性能主要是由其承载力决定的。因此，研究波纹拱壳屋顶安全性能必须考查影响结构承载力的主要因素。影响波纹拱壳屋顶承载力的因素很多，就结构本身而言，对结构承载力构成影响的因素主要有：力学模型的选取、结构的跨度、钢板的厚度等。

4.1波纹拱壳屋顶的力学模型的选择

笔者选取波纹拱壳的一品拱板为研究对象，其力学模型示意图如图5所示。所采用的计算软件为国际通用计算程序ANSYS。因为这种薄壁结构属轻钢结构范畴，参照美国轻钢结构规范，规定在正常工作状态下，其变形不得超出跨度的1/100，最大应力水平不得超过材料的屈服强度85%，否则会影响结构的正常使用。

4.2不同力学模型对承载力的影响

选择正确的力学模型是结构分析的基础。从现有的力学模型看，主要有以下3种：模型一：平面拱计算模型。这种计算方法主要是由国外波纹拱壳屋顶成型机厂商提供的。具体方法是沿结构的纵向取单位长度，计算梁截面的几何参数和刚度，沿跨度方向分成28份，考虑不同荷载工况下结构的应力和变形。这种方案没有考虑结构的几何非线性。故已被工程技术专家否定。施工单位和设计单位现在已基本上不在采用这种方法。模型二：有限应变梁理论。此法与第一种方法类似，但考虑了结构的几何非线性。这两种方法都没有考虑到波纹的影响。

模型三：本文所用的计算模型。笔者计算了波纹拱壳屋顶在不同力学模型情况下的承载力。

计算结果如表1所示。

本文算例中所用的屋顶型号为MIC120，屋顶的矢跨比为0.2。由计算结果可见：模型二的承载力较高，模型三的承载力较低。可见，不考虑波纹效应时，波纹拱壳屋顶的承载力被过高估计了。波纹拱壳屋顶的褶皱起了降低结构的承载力的作用，影响了结构的正常安全使用。

4.3跨度对承载力的影响

跨度是影响波纹拱壳屋顶承载力的重要因素之一。发生倒塌事故的波纹拱壳屋顶的跨度一般在20m以上，见表1中波纹拱壳屋顶跨度与承载力关系（模型三）。由计算结果可见随着跨度的增加，结构的承载力下降很快。跨度在22.9m时，波纹拱壳屋顶的半跨承载力才为0.401kN/m2。这就是说对板型为MIC120的屋顶跨度在22.9m以上时，波纹拱壳屋顶的承载力大大降低，已接近不实用的地步。

4.4厚度对结构承载力的影响

波纹拱壳屋顶采用的钢板厚度为（0.6~1.5）mm。若钢板过薄，屋顶刚度过低，则无法满足安装要求；过厚，又会使钢板在成型过程中，彩色涂层及镀锌层受损，影响屋顶的耐久性。有文献[]研究过钢板厚度对结构承载力的影响，指出厚度与承载力大致呈线形关系。

五、安全改进措施

针对影响波纹拱壳屋顶安全性能的主要因素，提出以下安全思路及改进措施：

1）波纹拱壳屋顶是一种集传力、受力、围护和保温为一体的大跨薄壁空间结构。为了保证这种结构的负荷安全，其使用跨度在现有设备和结构形式条件下，目前不宜大于30m，特殊荷载条件下和较大跨度时，应采取加固措施，以确保结构安全。波纹拱壳屋顶的根部一般支撑在与拱脚角度相适应的角钢上，并用④8的自攻螺丝固定，建议用④8的螺栓加钢压板固定，以提高拱脚抗局部失稳的能力。

2）波纹拱壳屋顶上的细小波纹对结构的安全性能的影响不可忽视。在此结构的设计中必须考虑波纹对整个结构承载力的影响。

3）改进波纹拱壳屋顶的成型方法。波纹拱壳屋顶为了成型需要，将直槽板轧弯成弧形的拱板，并通过调整弯板机压鼓的咬合深度在波纹拱壳的槽板上轧制了许多横向波纹，这些波纹大大降低了整个结构的承载力。因此，可以从波纹拱壳屋顶的成型工艺入手，开发无波纹拱壳屋顶的成型技术。无波纹拱壳屋顶的成形工艺是：

①下料。将板材裁成幅宽为（600~914）mm的钢板带。幅宽的具体尺寸依槽板的规格而定。

②直槽板冷弯成型。用直板机将钢带辊轧成截面形状如图1所示的直槽板。

③弯板成型。辊轧直槽形截面的上部翼缘，使直槽板轧弯成弧形。

⑤轧制锁边。在弯板的上翼缘上轧制锁边。⑤地面锁边成组。在吊装前将3条单福拱板在地面用屋顶封边机连成一组，根据场地及吊装条件在地面连成若干拱板。为了使单榀拱板间的翼缘协同工作，可在每两榀拱板的翼缘的下部每2m左右点焊一次，改善锁边过程中的拱板

咬合不牢的问题。

⑥吊装就位。用起重设备将成组的拱板吊装就位，无波纹拱壳屋顶的根部支撑在与拱脚角度相适应的角钢上，并用8的螺栓加钢压板固定。每两组拱板就位后用自动爬行锁边机连成整体。其中①、②、⑤和⑥项工艺与波纹拱壳屋顶相同。无波纹拱壳屋顶所用材

料可与波纹拱壳屋顶相同，所受荷载形式与波纹拱壳屋顶相同。

无波纹拱壳屋顶与波纹拱壳屋顶相比，不但有其优点，而且还有成型工艺更简单、承载力更高的优点。冶金设备专家认为此成型我术是可行的。波纹拱壳屋顶的跨度一般在30m左石。即使在30m以内时，在特殊荷载条件下，仍需加固。而本文提出的无波纹拱壳屋顶的实用跨度，经计算可达46m，在这么大的跨度下，半跨均布荷载可达1kN/m2以上，全跨均布荷载可达3kN/m2以上。

六、结论

通过对对波纹拱壳屋顶的坍塌事故详细的分析，并考查了影响结构安全性能的主要因素。波纹拱壳屋顶倒塌的主要原因在于其承载力低，安全系数小。按过去的计算方法的承载力取值过高，荷载稍大，结构就有可能倒塌，因此，对其使用范围和跨度应严格控制。此外，波纹拱壳屋顶结构设计必须考虑分布于整个屋顶上的细小的波纹褶皱的影响。无波纹拱壳屋顶是针对波纹拱壳屋顶的缺陷而开发的一项新技术，北方交通大学土建学院新结构研究室已联合北京治金设备研究院等7个单位对此展开了研究，并与建设部签定了技术合同。从现有的研究成果看，无波纹拱壳屋顶很有希望成为拱壳类屋顶中的一种新型产品。

收稿：2000年9月；

作者地址：北京市西外上园村；

北方交通大学土建学院研究生信箱；

邮编：100044）

参考文献

1、银河金属屋顶科研成果及施工技术资料汇编.北京市银河金属屋顶成型技术研究所，1998.

2、张勇.银河金属拱型屋顶的理论分析及实验研究（硕士论文）.天津大学，1998.

3、刘锡良.一种新型的空间结构一银河金属拱型屋顶.建筑结构学报，1996，17（4）：72~75.

4、中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会.压型钢板拱型屋盖结构应用暂行规定.建筑结构，1999，11（11）：56~58.

5、王小平、蒋沧如、李桂青.金属拱型波纹屋面计算的简化.钢结构，1999，14（4）：8~10.

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