拱形波纹钢屋盖内拉式增强方法研究

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1、http://www.paper.edu.cn拱形波纹钢屋盖内拉式增强方法研究华聪（武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070）E-mail:jackhonest@sina.com摘要：拱形波纹钢屋盖是一种典型的冷弯薄壁空间钢结构，应用范围广泛，具有诸多优点。但其承载力不高，刚度较低，适用的跨度范围有限。本文提出了一种内拉式结构增强方法。介绍了增强措施及特点，采用ABAQUS软件包建立了增强结构的有限元模型，针对不同跨度、矢高及荷载工况，分析了增强前后结构的极限承载力和变形，并进行了比较。结果表明：

2、增强方法显著提高了拱形波纹钢屋盖在全跨荷载作用下的极限承载力极其整体刚度，具有一定的适用价值。关键词：拱形波纹钢屋盖；极限承载力；刚度；增强方法；有限元分析0概述拱形波纹钢屋盖(ArchedCorrugatedSteelRoof)简称波纹拱，是一种典型的冷弯薄壁空间钢结构，具有自重轻，室内空间大，造型优美，施工周期短，防水性能好，集受力、维护功能于一身等诸多优点。波纹拱拱形结构在国外已有一百多年的应用历史。自上世纪90年代初引进到我国以来，这种结构体系已广泛应用于厂房、仓库、室内体育场馆、飞机库等中小跨

3、度结构中，且应用领域不断[1]拓展，建筑面积连续增长。拱形波纹钢屋盖在得到广泛应用的同时，也暴露出的致命弱点：（1）结构刚度低，在较大荷载作用下产生的位移可能超出容许范围，影响美观和使用；（2）结构承载力不高，在大雪或大风荷载作用时易发生整体失稳；（3）结构适用跨度不大，《拱形波纹钢屋盖结构[2]技术规程》(CECS167:2004)中规定，这种结构形式的适用跨度为30m以内。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[3]—[10]能力；结构的动力特性。有关波

4、纹拱增强方法方面的文章十分有限。文献[11]针对拱形波纹钢屋盖变形和破坏模态提出了一种提高承载能力和刚度的增强方法，且方法简单，在全跨荷载作用下效果明显。文献[12]则在波纹拱内侧加环向预应力钢筋，以提高结构的刚度和承载能力。在我国目前有若干种拱形波纹钢屋盖的截面形式，且其适用范围也各不相同。但应用最为广泛的截面形式为MMR—238，如图1所示。图1MMR-238截面本文针对拱形波纹钢屋盖的弱点，以MMR-238截面为研究对象，提出一种内拉式增强方案，并采用软件包Abaqus6.4建立了增强结构的有限元

5、模型，分析了若干典型波纹拱在增强前后的极限承载力及刚度，并进行比较分析，说明内拉式增强方法效果明显。1http://www.paper.edu.cn1拱形波纹钢屋盖内拉式增强方案图2为本文所提内拉式增强方法的示意图，即在波纹拱内侧加设拉索，并在距支座1/5L且高度为矢高的1/4处辐射出两根拉索连接于相隔一个波纹单拱的上翼缘，与上翼缘连接的位置为波纹拱跨度的1/6处，并在拉索中部用花篮螺栓施加预紧力，其空间整体结构示意图如图3所示。波纹拱花篮螺栓拉索图2内拉式增强方法示意图由于施加预紧力后的拉索能承受较大

6、的拉力，在全跨荷载作用时，有效限制了波纹拱两端由于[11]负弯矩而产生的向上拱起的挠曲变形，而在半跨荷载作用时，拉索在加载半跨区对波纹拱下陷有一定的抑制作用，而在非加载半跨区域，有效地阻止了波纹拱向上的挠曲变形。因此，此种增强方案无论是在全跨或是半跨荷载作用下，均能改善结构的整体受力性能，有效地提高了结构的整体刚度和承载能力。图3：增强方法整体结构示意图2增强波纹拱有限元模型的建立2.1材料拱形拱形波纹钢屋盖是由多个波纹单拱沿其侧边通过锁边机相互咬合而成，每个波纹单拱的下翼缘和腹板均被齿轮滚压成横向波纹

7、状，这些横向波纹数量大，几何形状复杂，它们的存在给结构的理论分析造成了很大的困难，本文采用目前一种典型的简化方法，把带有波纹的下翼缘和腹板分别简化为同样厚度的正交各向异性的平曲板（图4）。若假设其两主方向坐标轴为X、Y，则等效弹性常数包括弹性模量和泊松比等5个。等效材料常数的确定可以进行理论推导，也可通过试验的方法直接获得。表1是文献[10]通过试验和分析得到的18m跨、Q235钢材、拱高4.5m、彩板厚1.0mm的MMR-238拱型波纹钢屋盖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。由于

8、具有相似的局部构造,本文将表1中数据直接用于24m、30m、36m跨度的波纹拱，能够有效地反映波纹拱增强前后极限承载力、刚度和破坏模态等特性的变化规律。2http://www.paper.edu.cn图4波纹单拱的简化表1等效材料弹性常数的取值52弹性常数（×10N/mm）泊松比板件类别材料类别ExEyGμxμy腹板各向异性0.280.370.110.230.3下翼缘各向异性0.050.190.040.080.3上翼缘各向同性2.062.0