拱形波纹钢屋盖结构技术规程与设计要点

中国工程建设标准化协会标准CECS167:2004《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》是世界上第一部拱形波纹钢屋盖结构的专用技术规程，于2005年2月1日正式实施。该规程汇聚了多年的研究成果和工程经验，为拱形屋盖结构的设计、制作、安装和使用提供了科学依据。

规程编制的主要研究工作

足尺模型试验研究

拱形波纹钢屋盖结构的特殊性决定了必须进行足尺试验研究：

• 板材极薄（0.6～1.5mm），缩尺模型已无更薄板材可用
• 波纹精细复杂，缩尺模型难以准确复现波纹的力学特性
• 波纹对薄板力学性能的改变极大，甚至使缩尺模型具有与原结构完全不同的特征

规程编制组先后进行了20组跨度为7～33.5m的拱形波纹钢屋盖结构足尺破坏性试验，几乎涵盖了国内市场上所有的板型。通过试验可得出的关键结论包括：

• 拱形波纹钢屋盖结构的刚度较小，在荷载作用下结构变形较大，表现出显著的几何非线性特征
• 结构在全跨荷载作用下的承载力远大于在半跨荷载作用下的承载力
• 初始缺陷对破坏模态及承载能力都有很大影响，这是一种缺陷敏感结构
• 槽板之间的锁边连接质量对板件协同工作状况和结构承载能力都有很大影响
• 截面上的横向小波纹对结构力学性能影响很大，可有效提高结构的局部稳定承载力

波纹板组屈曲研究

针对拱形波纹钢屋盖结构的局部稳定性能，进行了专门的波纹板组相关屈曲试验和残余应力研究。试验结果表明：

• 波纹板的屈曲承载能力明显高于平板板组
• 波纹板组几乎没有屈曲后承载能力，屈曲后快速失去承载力
• 波纹的特殊构形显著增大板件刚度，相当于给平板加上加劲肋
• 截面应力集中在棱角和波纹的波峰、波谷位置，材料易进入塑性

计算模型与理论分析

天津大学对拱形波纹钢屋盖结构的有限元计算模型进行了系统研究，提出了3种可能的有限元模型：

• 壳体计算模型1：以单拱型槽板为研究对象，用壳体有限元进行模拟
• 壳体计算模型2：以整个屋盖为研究对象，分别采用空间梁单元及空间板单元模拟
• 平面拱计算模型：简化成平面结构进行分析，计算量小，便于工程应用

采用大挠度有限元理论进行了静力性能分析，得出了结构在不同荷载条件下的失稳模态和承载能力规律，为设计方法的制定提供了理论依据。

规程的主要特点与适用范围

结构名称与板型命名

规程将结构定名为"拱形波纹钢屋盖结构"，统一了国内的叫法。根据截面形状，将板型统一命名为YJ和YT系列：

• YJ表示矩形槽截面，YT表示梯形槽截面
• xxxx代表4位数字，前两位为单元板上槽口宽度，后两位为槽深
• 如YT6118表示上槽口宽61cm、槽深18cm的梯形槽压型单元板

适用条件

拱形波纹钢屋盖结构的适用范围有以下限制：

• 适宜跨度为30m以下，超过跨度时结构承载力（尤其是半跨荷载作用下）比较低
• 适用于四周封闭的建筑，开敞式拱形屋盖不在规程适用范围内
• 不适用于强腐蚀、相对湿度长期较高和高温环境的建筑
• 不适用于直接承受动力作用的建筑，该结构对集中荷载、动荷载敏感

材料与性能要求

彩涂钢板标准

规程规定采用冷连轧钢带经热镀锌或热镀铝锌工艺后的彩涂钢板：

• 热镀锌彩涂钢板牌号：TS250GD+Z、TS280GD+Z、TS320GD+Z、TS530GD+Z等
• 热镀铝锌彩涂钢板牌号：TS250GD+AZ、TS280GD+AZ、TS300GD+AZ等
• 基板厚度一般不超过1.5mm，属于超薄钢板
• 基板厚度不得小于0.8mm，供货负偏差不得大于3%

防腐与耐久性

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，规程在附录中根据使用环境腐蚀性给出了具体的镀层重量要求和涂层技术性能要求。

结构设计的关键要点

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连接角钢与下部支承结构相连，可简化成固定铰支座。设计时应考虑以下要点：

• 屋盖支座处的水平相对位移不得大于100mm
• 当跨度不大于24m时，屋盖纵跨比不宜小于0.5；跨度大于24m时不宜小于0.8
• 满足上述要求后，可忽略结构纵向作用和屋盖山墙支承作用的影响
• 采用基于一阶分析的简化设计方法，只需进行一阶分析便可推导出二阶内力

荷载与承载力验算

规程对这类结构的基本雪压提高了10%，即sk=1.1ks0，以应对国内很多拱形屋盖由半跨雪荷载引起的坍塌事故。采用边缘屈服准则判断极限状态，考虑了结构的二阶效应。

下部支承结构设计

拱形波纹钢屋盖结构的下部支承结构可为钢框架、混凝土框架或配筋混凝土墙体。设计时应注意：

• 屋盖支座处的相对水平位移不得大于100mm
• 满足此条件后，可不考虑上下部分协同工作，分别设计
• 下部结构可不设温度缝，屋盖结构可不考虑温度作用
• 屋盖结构可不进行抗震计算，但与下部结构的连接应按规范设计

常见问题解答

规程为什么要求基板厚度不得小于0.8mm？

超薄钢板受缺陷影响较大，而目前尚缺乏制造偏差的统计数据，为提高结构安全度，规程规定最小基板厚度为0.8mm，并设定供货负偏差不得大于3%。

为什么半跨荷载时承载力明显下降？

试验和理论分析都表明，拱形波纹钢屋盖结构在半跨荷载作用下的承载力远小于全跨均布荷载时的承载力，这与结构的非对称性失稳特征有关，设计时必须特别重视。

屋盖结构需要进行抗震设计吗？

由于拱形波纹钢屋盖结构自重很小，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，但与下部结构的连接应按相关标准设计。

小结

CECS167:2004《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》是行业内系统的、全面的技术指导文件，为工程设计提供了科学依据。规程基于大量足尺试验和理论分析，提出的设计方法既反映了结构的特殊性能，又便于工程应用。江苏杰达钢结构工程有限公司严格按照规程要求进行拱形屋盖结构的设计和施工，确保工程质量和安全性。