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高（浅）拱形波纹钢屋盖承载力研究

王世英王小平

武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉(430070)

摘要：随着拱型波纹钢屋盖（简称波纹拱）在我国的广泛应用，高拱型波纹钢屋盖（简称高拱）及浅拱型波纹钢屋盖（简称浅拱）等特殊波纹拱也在实际工程中时常遇见，但其在竖向荷载作用下的承载能力尚不得而知。本文以18m跨MMR-238型波纹拱为研究对象，采用ABAQUS有限元软件，研究了不同矢跨比的波纹拱在不同的竖向荷载工况下承载力的变化情况。在全跨竖向荷载作用下高拱结构的极限承载力随矢跨比的增大有较大减小，浅拱结构的极限承载力随矢跨比的减小有较大减小；而在半跨竖向荷载作用下矢跨比的变化对高拱和浅拱的极限承载力的影响较小。

关键词：拱形波纹钢屋盖；高拱；浅拱；极限承载力；有限元分析

1.引言

拱型波纹钢屋盖（简称波纹拱）是一种新的空间钢结构[1]，具有自重轻、造价低、适用跨度大、造型美观等特点，自上个世纪90年代引入我国以来，经过十几年的发展，已广泛应用于工业厂房、仓库、室内体育场馆、飞机库等大跨度结构中，应用前景极为广阔。2004年，中国工程建设标准化协会组织编制了《拱形波纹钢屋盖结构技术规程CECS167:2004》[2]，使得设计和制作安装人员有据可依，也更快的推动了波纹拱在我国的发展和应用。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能力；结构的动力特性[3]—[10]。

在实际工程中，工程技术人员常把矢跨比大于0.25的波纹拱称为高拱，而矢跨比小于0.2的波纹拱称为浅拱。随着波纹拱在我国的广泛应用，高拱及浅拱等特殊波纹拱也在实际工程中时常遇见，其在竖向荷载作用下的承载能力尚不得而知，对该结构进行专门的研究是很有必要的。本文以18m跨MMR-238型波纹拱为研究对象，利用ABAQUS有限元软件，模拟分析高拱及浅拱在竖向荷载作用下的受力性能及承载能力，为这种结构的应用提供参考。

2.研究对象

为了模拟高（浅）波纹拱结构，本文以国内广泛应用的18m跨MMR-238型截面（如图1）、矢跨比为0.10、0.15的两种浅拱和矢跨比为0.35、0.40、0.45三种高拱作为研究对象，波纹板为厚1.0mm的Q235钢材。

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上翼缘

腹板

下翼缘

图1MMR-238截面几何尺寸

在竖向荷载作用下，须考虑以下两种荷载工况：（1）全跨均布荷载，如图2；（2）半跨均布荷载，如图3。

矢高F

矢高F

波纹拱

/

跨度L

图2全跨均布荷载示意图

波纹拱

矢高F

矢高F

跨度L

跨度L

图3半跨均布荷载示意图

3.有限元模型的建立

3.1材料

为利用有限元软件包ABAQUS模拟波纹拱的实际情况，本文采用文献[5]的简化方法，即将带有小波纹的腹板和下翼缘等效成大小和厚度都相等的正交各向异性平板，其两个方向的等效弹性材料常数可由试验直接获取[5]。

表1是文献[10]通过试验和分析得到的18m跨、拱高4.5m、彩板厚1.0mm的MMR-238拱型波纹钢屋盖腹板和下翼缘两个方向的等效弹性拉伸模量、剪切模量和泊松比。

材料应力、应变关系假设为弹塑性两段线，屈服强度取设计值235N/mm2，其它参数按表1采用。

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表1等效材料弹性常数的取值

板件类别

材料类别

弹性常数(×105N/mm2）

泊松比

Ex

Ey

G

μx

μy

腹板

各向异性

0.281

0.371

0.1093

0.227

0.3

下翼缘

各向异性

0.050

0.192

0.0383

0.0781

0.3

上翼缘

各向同性

2.06

2.06

0.79

0.3

0.3

备注

X、Y方向相互垂直，X方向为顺试件拱弧线方向

3.2单元与网格

由于波纹拱的厚度比其它两个方向的尺寸小很多，在建立波纹拱有限元模型时采用薄壳单元，具体为ABAQUS有限元软件中四节点缩减积分单元S4R；网格的划分时考虑了单元规则性、结果收敛、计算结果的精确和计算成本等因素，不同的模型的网格大小各不相同，一般为150-200。

3.3荷载和支座边界条件

由于波纹拱是弧形的，不便直接施加竖向均布荷载，因此建模时在波纹拱上施加均布的体积力，根据所加体积力的大小可等效计算出相应竖向均布荷载。在实际工程中，波纹拱是通过自攻螺丝将下翼缘端部与下部结构连接的，因此在模拟支座边界条件时，将波纹拱两端的下翼缘直边设为铰支座，两侧的弧边设为能够在竖向平面内移动的滑动支座。

3.4分析方法

由于波纹拱结构的刚度较小，