太空瓦

金属拱型波纹屋盖结构

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结构体系。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，因此在建筑市场上极具竞争力，表现出了空前的发展势头。

与金属拱型波纹屋盖结构发展形势很不协调的是，这种结构的科研工作严重滞后。该结构体在我国出现较晚，尽管在引进这种结构的同时，国内许多著名的学府和科研机构(如天津大学、清华大学等)即开始了相应的研究工作，但无论是理论分析还是应用领域的工作，都还处在探索阶段。因此目前在我国这种结构同样缺乏必要的技术支持，理论研究跟不上工程应用的需要，加系最早专利出现于美国，在国外已有百余年的历史。目前世界上包括美国、日本、英国、俄罗斯和韩国在内的很多国家都有大面积的工程应用。但由于种种原因，国外学术界对这种结构研究不多，至今尚未形成普遍接受的统一的设计计算方法，更没有这种结构专用的技术规程。这种结构上国内外频繁发生的工程事故，无疑阻碍了这种结构的进一步普及及推广。大庆地区目前已在多项工程中应用这种结构，虽还未出现严重的工程事故，但应予重视，并有深入系统研究的必要。 如前所述，到目前为止世界上还没有这种结构的专用技术规程。尽管这是一种冷弯薄壁钢结构，但从这种结构的构造特点不难看出这种结构和一般的冷弯型钢结构有很大的不同。可以肯定地说目前世界上任何一部有关钢结构的规范都难以完全反映这种结构的特点，按照一般规范设计这种结构通常情况下只能得到不合理的设计结果。国内外这类结构的工程事故已屡见不鲜。国内辽宁地区于97年初3万余m2屋盖结构塌落，2000年一月新疆、辽宁、吉林等省区又有大面积的这种结构的塌落，其中还包括市场等公共建筑。不久后北京某工地在施工尚未结束时屋盖突然塌落??，频繁的工程事故无疑不利于这种结构的普及推广。 金属拱型波纹屋盖结构的产生源于人们对冷弯型钢的研究，冷弯型钢是由很薄的钢板或钢带在常温下经冷加工而成，钢材经冷加工成开展截面，不仅使截面刚度大大提高，而且使钢材性能也得到改善。由于能够充分利用材料的力学性能，因而采用冷弯型钢的建筑一般都轻巧、美观，且有很好的经济指标，故冷弯型钢于十九世纪三十年代一经出现，便受到工程界的普遍欢迎。很多国家成立了冷弯型钢结构专业协会，颁布实施了相应了技术规范。作为冷弯型钢结构的一个分枝，金属拱型波纹屋盖结构产生于十九世纪八十年代，至今已有百余年历史，但耐人寻味的是世界上还没有一部这种结构的专用技术规程，甚至未能形成统一的名称。目前我国国内普遍接受的名称“金属拱型波纹屋盖结构”来源于我国这种结构技术规程草案中的暂用名。 这种结构的主要特征如下：

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，可实现的最大跨度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，第一步将钢板轧成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，第一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最大跨度为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，圆弧拱轴不是受力最合理的拱轴；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。

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，在发达国家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。目前国内已有很多厂家能够生产这种结构的成型设备，象北京银河公司的MMR-178型及辽宁营口三星公司的W760型成型设备，均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，而后者轧制的板材截面更为开展、材料利用

率更大，应用于较小跨度的建筑可实现更好的经济指标。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，国内便涌现出大批工程施工单位，工程应用也骤增到每年100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国家鉴定，分别为清华大学两家和天津大学一家。三家的成果各有可取之处，但仔细推敲起来也有各自的欠缺。总的来说国内的研究工作似乎走向了两个极端：简单的过于简单，对结构的简化假设近乎粗糙；而复杂的过于复杂，力求理论模型原版再现实际结构。这对于广大工程技术人员来说前两者难以接受，而后者还不宜掌握和理解。

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）。

荷载及荷载组合

金属拱型波纹屋盖结构是一种薄壁型钢结构，不能用来承受大的悬挂荷载，更不能承受直接动力荷载，故所受荷载类型比较单一。这种结构设计时要考虑的荷载类型主要有：自重、保温荷载、吊顶荷载、雪荷载、积灰荷载和风荷载等。根据这几种荷载的特点把它们分成如下四类荷载：1）自重类荷载；2）类雪荷载（均匀分布荷载）；3）半跨非均匀分布荷载；4）风荷载。

其中自重类荷载是指象结构自重一样沿拱轴线均匀分布且方向竖直向下的荷载，在实际工程中这类荷载主要有结构自重、保温荷载以及吊顶荷载等。类雪荷载是指荷载在拱上的分布形式类似与雪荷载在拱上均匀分布形式的荷载，如积灰荷载、雪荷载等，按现行国家荷载规范的规定的均匀雪荷载的分布形式。半跨非均匀分布荷载是一种模拟积雪在半跨非均匀分布的荷载形式，虽然我国现行荷载规范对拱型结构半跨积雪分布情况没有考虑，但多起工程施工事故已表明，半跨非均匀分布的积雪荷载往往是导致结构破坏的主要原因，参照美国荷载规范对此类荷载分布形式进行简化。风荷载是这种结构所承受的一种主要荷载，按现行国家荷载规范的规定执行。

这种结构的荷载组合，对于多雪地区，须考虑半跨非均匀雪荷载作用，主要荷载组合工况应包括：

1）自重类荷载+全跨均匀雪荷载（活荷载）；

2）自重类荷载+全跨均匀雪荷载（活荷载）+风荷载； 3）自重类荷载+风荷载；

4）自重类荷载+半跨三角形分布雪荷载；

5）自重类荷载+半跨三角形分布雪荷载+风荷载。 金属拱型波纹屋盖下部结构设计

由于这种屋盖结构的刚度较小，因此设计时可以不考虑屋盖与下部结构的协同作用，故下部结构可按悬臂结构考虑。设计时根据上部屋盖结构分析所得支反力及风荷载组合工况，设计下部结构的圈梁、柱墙体和基础。整个结构简化成一系列的静定构件计算。具体为： 1） 墙体和柱按悬臂柱设计； 2） 基础设计按大偏心基础； 3） 柱顶圈梁按弯扭构件； 4） 山墙抗风柱按常规。

拱脚节点的防腐和防水的处理

金属拱型波纹屋盖的拱脚节点的防水一般通过构造解决。防腐处理可根据防腐的具体工艺要求采取相应的防腐措施。建议采用三层聚胺脂和两层无纺布做法，在拱脚处用细石砼填实后，仔细逐层刷涂。这样即可满足防水要求，同时也可具有一定的防腐作用。另外我们还可以根据具体工程的防腐防水要求进行设计和施工。

6.2 采光问题：采光带的设置和节点处理

金属拱型波纹屋盖的采光应尽量利用在侧墙或山墙上设窗的方式解决。当这些措施仍不能满足采光要求时，可根据功能要求由设计确定在屋盖板上设置采光带或采光口。

采光带或采光口的开口不预留，待结构安装完毕后用等离子切割机在结构上开口，等采光板安装完毕后，开口处再用密封胶封闭。采光处的结构宜作适当加强处理。

根据有关企业提供的资料，这种结构的采光一般采用在拱型槽板的壳板上开口代之以采光板的做法，采光口通常设在结构跨度的1/4附近。通过对该结构的受力分析表明，无论是在全跨还是在半跨荷载作用下，结构在1/4跨度附近的由力和变形都还比较大。如果该处截面遭到削弱，必然要使结构的整体刚度（整体稳定性）、和该处的局部稳定性受到影响，以致使屋面结构的承载力降低。其次，由于该种采光口处的防水、防腐处理不易解决，势必影响结构的耐久性。再者，采光口的形成是用等离子切割机在结构上开孔，在开孔过程中如果操作不当也会给结构造成许多初始缺陷，使得结构的局部稳定性下降，既而影响结构的承载力。因此这种采光方法仅适用于较小跨度的屋盖或采光口面积较小且分布不集中的情况。对于较大跨度的屋盖工程，较好地解决该结构采光问题的方法是沿跨度方向设置整体采光带。采光带两侧的拱型屋盖板用连接部件加固使之连接成整体。推荐采用CARBOLUX采光板，在采光板与屋盖板连接处夹以防水橡胶条，并用密封胶密封，以防水防渗。这种采光板为双层结构、中空、透光率高、质量轻，并具有一定的强度和刚度，有较大的跨越能力，且耐久性好，便于维修和更换。这种采光做法即不损伤结构，同时又具用较好的采光性能，而且能够保证耐久性，故非常适用于这种结构。

通风问题 通风帽的设置和节点处理 金属拱型波纹屋盖工程中，通风问题一般可在侧墙设置排风扇，并辅以门窗通风的措施来解决。当这些仍不能满足要求时，可在屋面设置通风机和通风帽。通风机的设置类似于天窗，其位置一般应设置在屋盖的跨中，这样一方面可以迅速高效地排换空气，另一方面有利于安装平稳，减少噪声并有利于屋面的排水处理。同时还应注意通风机安装位置周围的防水防渗。目前国内有多种形式的通风帽，并逐渐趋于多功能化，成功范例较多，不一一列举。

保温问题 保温材料的选择和施工工艺

金属拱型波纹屋盖通常采用喷涂（或粘贴）聚胺脂或其他阻燃性的保温材料（聚苯乙烯泡沫、硅酸盐等）进行保温。但从目前国内市场上来看，一般情况下采用喷涂聚胺脂方法。聚胺脂的保温隔热性能在各类建材中堪称一流。10mm厚的聚胺脂可达370mm厚砖墙的保温效果。基本可满足一般建筑工程的各种保温要求。另外，聚胺脂采用喷涂工艺、现场发泡、不需要其它粘接剂、施工简便、周期短。但是聚胺脂材料及施工工艺也有自身的缺点：发泡过程中所形成的表面不甚平整，材料表面在紫外线下易老化，故对外观要求较高的建筑需进行二次装修处理。再就是聚胺脂材料的防火性能差，在其使用中往往受到一定程度的限制。近年来国内在研制防火聚胺脂方面虽已有很大进展，但由于受生产和施工工艺限制总体来说仍不够理想。其它保温材料，如聚苯乙烯泡沫和硅酸盐等，使用效果上均不如聚胺脂。

防火问题

钢结构的防火问题一直是一个老大难问题，亟待解决。我国国家规范对于钢结构防火规定较其它国家来说比较严格。但对于钢结构的防火措施又不十分明了。一般情况下是从防火构造和按构件的重要性，在表面进行防火处理以达到规定的耐火极限的方法来处理。同时存在着行业和地方消防部门规定上的不一致。在这种情况下，除应严格执行国家、行业、地方规范标准外，还应会同有关部分协商解决。

金属拱型波纹屋盖结构制作与安装问题的探讨与分析

1、 成型机组的运输、定位、调试和水平调整

金属拱型波纹屋盖成型机组设备主要由槽型直板成型机和槽型拱板成型机构成，设备外形尺寸等因板型不同而略有差异（以MMR-238为例，其外型尺寸2.3mX6.8mX1.2m，动力功率22KW、液压设备自重8.8T，配件重1.6T）。一套机组可由一辆10T载重汽车运输，装卸一般采用16T汽车式起重机随行。汽车式起重机除了装卸机外，用于现场安装过程中屋盖单元板组的吊装。 成型机组场地应经“三通一平”，机组进场后根据现场情况和生产要求，确定成型机组及其附件的摆放位置。成型机组的定位首先必须满足轧板的生产要求，同时要兼顾轧板运输、车辆进出及单元板组吊装等的便利。应尽量避免或杜绝成型机组在生产过程中的二次定位，影响生产效率。

机组定位后便可着手调整直板托架和曲板托架，接通电源调试电机、空试转动系统；调整直板和曲板轧辊间的几何关系和上下排轧辊间隙。

调整成型机组的主机水平的目的是：为了防止长屋盖直板或曲板在伸出机体后，因为主机不水平，而造成直板上翘或下插，曲板因此内力分布不正常，而严重影响屋面工程质量。

主机水平调整后，还应该根据具体情况检查入料口导板和切刀等的运转是否正常，以保证屋盖板顺利轧制。

槽型直板的下料长度

直板下料长度的精确和均匀与否将直接影响其施工质量。下料长度L与屋盖的跨度S，矢跨比ξ和屋盖单元板的截面高度h有关。理论上等于屋盖单元板的上沿弧长。

金属拱型波纹屋盖单元板的轧制主要问题是曲率控制。屋盖板的曲率通过大小轧花鼓的咬合深度来控制。大小轧花鼓的咬合深度决定了屋盖板波纹的深度，也就确定了屋盖板的曲率。在轧花的过程中，小轧花鼓轧制单元板的腹板的波纹，大轧花鼓轧制肋板的波纹。此时要求大小轧花鼓的一对主轴要与水平面绝对垂直，两个轧花鼓轴应保持平行，否则容易造成了单元板腹板两侧的拱板长度有所差异，则其曲率不同，造成工程质量的一大隐患。

轧制完成后的单元板，腹板上的波纹深度应是均匀一致的，肋板上的波纹深度应从底向上由深到浅线性过渡。波纹轧制的主要目的是为了单元板的成型，但其对结构的力学性能却产生巨大的影响，使屋盖板的受力状态变得非常复杂。

单元板轧制时，应当根据工程设计的要求，计算出该工程所需的波纹深度来调整大小轧花鼓的咬合深度，并应放出大样反复矫正，直至符合要求为止。在屋盖单元板的轧花工程中，为了不使由于机组、材料辊卷以及控制轧花鼓咬合深度的控制受柄震动和移位对拱板质量造成不良影响，单元板轧制生产的线速度宜控制在20m/min左右。

单元板的咬合封边、地面和高空作业

轧花成型后的每一榀拱板我们称为单元板。为了方便工程吊装和安全需要，增大吊装单元的整体刚度，适应吊装机械的工作能力，我们常把五到七榀单元板在地面咬合封边连接成一组，称为单元板组。将单元板组整体作为一个单位吊装和安装，以加快施工速度和保证吊装安装工程质量。 对单元板咬合封边时，应先确定一榀单元板作为基板，将另一榀与其咬合的单元板的肋板与基板肋板对齐，并使两者的内外翻边咬合紧密，用大力钳临时固定，再用封边机咬合封边。咬合封边时不应使封边机自行行走，应由专人把持，以保证咬合封边的质量。否则如果无人把持，由于封边机自重较大，地面作业时，容易使得单元板肋板倾斜，两单元板之间的缝隙过大；在空中作业时，还可能造成封边不紧或脱扣。这些都将严重影响整个屋盖的整体刚度和承载能力。 其次，无人把持的封边机在自行行走时，可能由于倾斜等原因会发生刻板现象。刻板现象使得彩色钢板的保护层局部受损，极易发生应力集中和腐蚀破坏，影响和缩短屋盖结构的使用寿命。尤其是此类薄壁型的轻钢结构对此类缺陷非常敏感，必须引起高度重视。

单元板组的吊装、就位和固定

金属拱型波纹屋盖单元板组在吊装、就位和固定过程中，它的受力状态与其就位固定后截然不同。由于这种结构属于薄壁钢结构，对初始缺陷非常敏感。如果在吊装、就位中起吊形式或吊点布置不当，则单元板受力状态就不合理，从而导致各种施工问题。比如：

1）屋盖单元板的折屈或强度破坏;

2）屋盖单元板变形过大，造成安装困难，既而引发单元板所受安装外力过大而导致破坏; 3）吊装过程中由于施工方法不当等因素造成初始缺陷，导致结构承载力降低等。这些都给金属拱型波纹屋盖结构在施工和使用埋下潜在的不安全因素。

屋盖单元板组吊装过程中的受力状态分析 屋盖单元板是开口的薄壁构件，在荷载作用下极易发生弯扭失稳。当多个单元通过封边连成整体单元组时，其刚度非常大，对称荷载作用下不会发生沿纵向的平面外失稳，而沿跨度方向的平面内稳定性则成为结构的主要控制因素。故在屋盖单元板组的吊装过程中，应采取对称吊装方案，单元板组可被看成简支的曲梁进行分析。这与金属拱型波纹屋面正常使用状态下的受力分析截然不同，有必要进行吊装过程的设计验算。

屋盖单元板组吊装工艺

单元板组的吊具主要由吊杆、钢丝吊绳、卡具及连接件组成。起重设备根据吊装构件的尺寸和吊装高度选择汽车吊或塔吊。起吊过程中，单元板组由水平的置放状态过渡到垂直起吊状态，受力和变形发生非常大的变化。此时板组的应力分布和变形是控制吊装成败的主要因素。同时板组的应力分布和变形又受吊装形式、吊点布置的影响。

根据跨度和板型的不同，屋盖板组可选用两点、三点、四点起吊等不同的吊点布置方式。为使吊装过程中板组保持平衡，避免起吊过程中由于重心偏心使板倾斜，也为了现场操作方便，吊点应按拱轴对称布置，单元板组一般也选每组3、5、7榀。吊点处采用专用卡具直接与单元板组连接。在布置吊点和安装钢丝吊绳时，应确保吊点处所受合力方向铅直向上，防止吊点处吊绳产生过大水平分力，使吊点滑移，影响吊装安全。

单元板组的安装和固定 单元板组的安装和固定，关键在于第一个单元板组。当第一个单元板组吊装就位后，在起重设备的辅助下，应用经纬仪从相互垂直的不同方向校正其安装垂直度，并用吊锤检验单元板拱顶位置和板组矢高是否正确。在此期间应严格控制板的晃动。检验合格后两端拱脚以自攻螺钉与连接角钢固定完毕后，起重设备才可以卸钩。自攻螺钉数目由计算确定，沿纵向均匀分布，每榀不得少于一枚。 其余板组的安装和固定，可以前一组单元板组为基准，进行定位和校正后，与前单元咬合封边连接，顺序安装与固定。在屋面单元板组的安装过程中，要保持用经纬仪和吊锤检验和矫正各单元板组的垂直度、拱顶位置、屋脊线的平整度和与

纵向轴线的平行。发现问题及时处理，要杜绝误差的逐步积累，以至最后难以或根本无法矫正，造成较大的工程质量问题和经济损失。

屋盖的山墙板的安装

金属拱型波纹屋盖的山墙根据设计的要求，也可以采用金属拱型波纹屋盖的直板封堵。这时可根据工程实际计算或放出大样得出每条山墙板的长度，留出连接余量。在与屋面曲板连接段，用等离子切割机割出封舌。封舌通过伸入进连接处的下翼缘与屋盖连接，其余部位用拉铆钉连接，山墙板的下段仍以自攻螺钉与连接角钢连接固定。当一侧的山墙板全部安装完毕后，再在山墙外侧增加一榀单元板，作为檐板与原有的屋面咬合封边连接。

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