大跨度拱形屋面结构体系

新疆拱形屋顶厂家 7年前 ( 2017-08-29 ) 1056

  大跨度拱形屋面结构体系(又称金属拱型波纹屋盖结构)是由预涂层卷板经轧制后形成的一种外形呈拱型的屋盖构体系。我国于1992年通过引进美国的施工设备引进了金属拱型波纹屋盖结构体系。由于这种结构具有用料省、施工速度快、跨越能力大、防水性能好等突出的优点,很适合我国经济尚不发达,但却持续高速增长的国情,因此在建筑市场上表现出了***的发展势头。  

这种结构的主要特征如下:  

大跨度拱形屋面结构体系大跨度拱形屋面

1)结构由薄钢板轧制而成:目前采用的材料主要为预涂层卷板,其基板有以下几类:热镀锌钢板、热镀锌合金钢板、热镀锌铝合金钢板、热镀铝锌合金钢板和电镀锌钢板等,这些预涂层卷板的强度指标在210~550MPa之间,极限使用寿命可达40~50年。随着钢材强度的提高、抗腐蚀能力的增强,结构所用的钢板的厚度得以降低,结构适用跨度的范围也得到扩大,目前常用的预涂层卷板基板的厚度在0.6~1.5mm之间,可实现的***大跨度40m。由于材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实现栓焊连接,因此这种结构构件之间的连接采用锁边连接形式,锁边连接不仅改善了连接处的耐疲劳、耐腐蚀及防水性能,而且也简化了施工工艺,加快了施工速度。  

2)结构靠在钢板上轧制出波纹成型:将卷板变成拱型屋盖需要二道成型工艺,***步将钢板轧成U型或梯形波纹直槽板,第二步通过在直槽板下部轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱型槽板,拱型槽板曲率大小就是靠板上横向小波纹的深浅来调整的。双向波纹彻底改变了原来钢板的力学性能,***步轧制成的槽形波纹极大地提高了钢板的横向刚度,是结构承载力的根本所在,第二步轧成的横向的小波纹则可提高钢板的局部稳定的承载力,增强结构纵向的抗弯刚度,突出结构的壳体受力特征,但同时也削弱了结构跨度方向的刚度,降低结构跨度方向上的稳定承载力。  

3)结构呈拱型结构:金属拱型波纹屋盖呈拱型(或筒壳)结构受力机理,内力分布较均匀,故而可在无梁无檩的情况下独立实现很大的跨度。  

    这种结构具有施工速度快、用料省、跨越能力大、防水防腐性好、色泽艳丽、造型美等诸多优点。目前这种结构可实现***大跨度为40m,而所用的钢板厚仅为1.5mm,用钢量约为22kg/m2。由于在制作、安装过程中的各个环节均通过机械操作完成,因而施工速度非常快,一般情况下一个台班可制作安装500~800m2,1万m2的屋盖结构可在20天内完成。这种结构艳丽的色彩来源于材料的彩色涂层,同一建筑可选用多种颜色的彩板进行组合。因受结构成型工艺的制约,这种结构主要为圆弧外形,但与国内常见的平屋顶及人字形屋顶相比不失为一种新的变化。另外不同曲率的圆弧,以及对圆弧拱壳进行切割或相贯处理,可实现更为优美的建筑造型。  

    但也应该看到金属拱型波纹屋盖结构也有其自身难以克服的缺点,如造型单一、截面形式固定等。另外从结构受力角度来看,这种结构的圆弧外形并非理想形式,因为常规荷载作用下,圆弧拱轴不是受力***合理的拱轴;对于一定特定的成型设备而言,只能轧制截面形式一定的一种槽板。这种结构沿整个跨度方向是等截面的,从受力角度看这也是不合理的。另外由于采用一定材料及一定板型的一定跨度的这种结构,其承载力取决于拱高和钢板厚度,而研究表明在常用的钢板厚度及拱高范围内,变化这两个参数对提高结构承载力的意义并不大,因此对于荷载较大或跨度较大的建筑,这种结构留给设计人员可供选择的余地很小。  

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国内外发展和研究状况  

    总的来说这种结构的优点是主要的,也正因为如此这种结构在世界范围内得到了普及及推广。有资料显示在北美地区每年就有一万多栋建筑采用这种结构,当然由于前面提到的这种结构的一些缺陷,在发达***这种结构多被用于对功能要求不太高的建筑和临时建筑中。海湾战争更是为了这种结构作了活广告,在海湾战争后的1992年我国通过引进美国设备引进了金属拱型波纹屋盖结构。由于这种结构蕴涵着很大的经济及社会效益。非常适合我国经济飞速发展的社会主义初级阶段的国情,再加上天津大学,清华大学等科研机构在技术上的积极投入,这种结构在我国得到了蓬勃发展。我公司研制的W610、W120型机组在吸取国外先进经验基础上有很大的创新,前者轧制的板材具有更大的截面刚度,可实现更大跨度的建筑,而后者轧制的板材应用于较小跨度的建筑可实现更好的视觉效果。成型设备的国产化,大大地降低了设备购置费用,这对推动这种结构在我国的普及推广具有很大意义。短短几年内我公司工程应用也骤增到每年10多万m2,应用领域涉及厂房、仓库、展厅、礼堂、训练馆、体育馆、餐厅、娱乐厅、加油站、营房、车库以及临时建筑等方方面面。  

    从搜集到的有关资料看,国外关于金属拱型波纹屋盖结构研究成果的文献主要发表于六、七十年代,文献作者分别来自美国、加拿大、意大利、前苏联和澳大利亚等国,文献内容涉及足尺试验、构件实验以及计算方法、设计思想等。尽管对这种结构进行了理论及试验研究并取得了很多成果,但这些成果多为互不联系的学者所取得,很少有文献对其进行系统的分析和总结,更没有从中提炼出实用的结构设计方法。  

    金属拱型波纹屋盖结构在国内出现的时间虽不常,但由于很多科研院所的热情投入以及企业的积极支持,研究工作进展很快,目前已有三家单位的研究成果通过***鉴定,分别为清华大学两家和天津大学一家。按金属拱型波纹屋盖结构拱脚连接方式可分为铰接、固接支座两类。其常用的构造节点除支座节点(包括单跨、多跨)外,还包括单元板间连接、与山墙连接节点、拱脚防水防腐处理、屋面采光孔、采光带设置、屋面通风构造等。其中因板型的差异,节点处理上略有不同(详见构造图集)。  


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