金属拱型波纹屋盖结构在我国的应用与研究

金属拱型波纹屋盖结构在我国发展历史不长，但在世界上已有一百多年的历史。本文系统回顾了这种结构的发展历程，总结了这种结构的科研状况，最后详细介绍了我国这种结构技术规程的编制情况及规程主要内容。
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　　作为冷弯型钢结构的一个分支，金属拱型波纹屋盖结构产生于十九世纪八十年代。这种结构的第一个专利则出现在1896年的美国。目前世界上尚存的最古老的金属拱型波纹屋盖结构是1890年建于英国的某化工厂厂房（图1）。尽管金属拱型波纹屋盖结构属于冷弯型钢结构范畴并有着很久的应用历史，但到目前为止世界上还没有一部这种结构的专用技术规程，这其中原因很耐人寻味。

　　这种结构历经一百多年也没能在世界范围内形成统一的名字，从目前搜集到的文献资料看，以下几种叫法均指这种结构：1、Light Gauge Steel Cylindrical Shells，2、Barrel Vaults，3、Doubly Corrugated Shells，4、Orthotropic Barrel-Shells。这四个名字都是从结构特点角度来命名的，从中可以看出这是一种壳体结构，而且是一种筒壳。名称1反映出这种筒壳是由薄钢板制成的，名称3从结构的几何构形上加以描述，认为这是一种双向波纹壳体，名称4则更进一步，将这种几何上的双曲构形在力学性能上的表现描述为正交异性。 “金属拱型波纹屋盖结构”这个名称是目前我国这种结构技术规程草案中的暂用名，最早由北

　　 图1 建于1890年的化工厂 图2 采用螺栓连接的结构构件

　　京市银河金属屋顶成型技术研究所提出。该名称在一定程度上反映了这种结构的外形特征，而且通俗、易于理解和记忆，因此是目前国内最为普遍接受名称。从这个名称可进一步总结出这种结构的结构特点。

　　（1） 这种结构由薄钢板轧制而成。随着世界冶金技术的发展这种结构所用钢板的性能也不断改善。最初采用的钢板防腐能力差，力学指标也较低，因而钢板较厚（达3—4mm），结构最大跨度在20m左右。由于钢板厚，板件之间可以实施栓焊连接，因此当时这种结构构件之间的连接主要螺栓连接（图2），也有一部分采用焊接。那时，这种结构自重大，经济性差，使用范围受到限制，一般主要用于对施工速度要求较高的军营、机库等。目前采用的材料主要是预涂层卷板，其基板有以下几类：热镀锌钢板、热镀锌合金钢板、热镀铝钢板、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210MPa－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，所用钢板的厚度得以降低、结构适用跨度的范围也得到扩大。目前这种结构通常所用预涂层卷板的基板厚度在0.6－1.5mm之间，最大跨度已达40m。由于材料机加工性能优良且薄钢板之间难以实施栓焊连接，因此这种结构构件之间的连接也由过去的栓焊连接发展为今天的锁边连接。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） 这种结构是靠在钢板上轧制出波纹成型的。将卷板变成拱型屋盖需要两道成型工艺：第一步将钢板轧成U形或梯形波纹直槽板，第二步通过在下部轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱型槽板（图3）。拱型槽板的曲率大小就是靠槽板上横向小波纹的深浅来调整的。双向波纹彻底改变了钢板的力学性能。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。而第二步轧成的横向小波纹则可提高钢板的局部稳定承载力，增强结构纵向抗弯刚度，突出结构壳体受力特性。但横向小波纹无疑削弱结构跨度方向的刚度。根据槽板横截面形状的不同可将这种结构划分为不同类型。目前国际上广为采用的板型是由美国MIC公司开发的MIC-X系列，主要有MIC-120型、MIC-160型和MIC-240型。文献