金属拱型薄壳在建筑工程中的应用研究

金属拱型薄壳在建筑工程中的应用研究

摘要：金属拱形薄壳屋顶作为一种新型空间钢结构屋顶，和传统结构相比较，该结构有很多优点，在建筑工程实践中体现了其独特的韵味。本文从建筑工程设计和施工方面详细阐述了金属拱型薄壳在实践中的具体应用。

关键词：金属拱型薄壳屋面；彩色钢板

中图分类号：tu33 文献标识码：a 文章编号：1671-3362（2013）04-0013-03

引言

目前，我国在网壳、桁架、网架等这些钢结构的应用以及此类结构的建筑覆盖总面积，在世界上已位于前列。不过，这些结构还存在着很多的缺点。首先，受钢结构性质限制，它的附加小部件多、设计工序复杂、运营较为不便，且施工过程时间长。其次，水对钢结构表面影响较大，日常生活做好防水措施是非常有必要的。钢结构自身的重量也不容忽视，这些限制影响了钢结构工程的总体造价。理论上，这种空间结构用钢材较少，但是如果出了问题不能很好的解决就会影响工程总体的经济效益。拱型薄壳结构的特点是全截面均匀受力，这是一种能够发挥材料潜能的受力形式，可以节省材料，使得结构的经济性和可靠性得到统一。这种结构形式与其他的屋面工程形式相比具有很大的优势。

20世纪40年代，一个偶然的机会，在研究植物表皮纹理结构的过程中，美国结构设计师从中得到灵感，开始对极薄材料的应用上

做了大量的尝试。最终设计师选定薄钢板作为基本材料。尝试建立对应的力学模型，从理论角度得出了最佳的结构模型。在结构实现的过程中，机械工程师和结构工程师开始了合作。为了满足结构的要求，机械工程师制作了能够生产带有波型薄壁结构的设备。这为金属薄壳屋顶的建设提供了基础。50年代开始，该结构的屋顶开始用于各种军事设施，这种设计造价低，建造速度快，很多人开始慢慢接受这种金属薄壳屋顶。近几年，这种屋顶在我国也受到了很多客户的认可和欢迎。这种结构简洁、经济，为建筑增添了美感。

1 金属彩色钢板拱型薄壳设计原则

金属拱型薄壳屋顶使用的是彩色镀锌板，厚度只有0.6～1.5mm。首先用成型机械冷辊做成直型槽板，再把直型槽板做成横向波纹的拱形槽板并用锁边机把拱板连成一个小整体，最后把圈梁和钢结构接在一起就形成了钢结构整体。在我国较常使用的有mic-120型、mic-240型两种板型。mic-120型可以把0.6～1.2mm厚600mm宽的钢板滚压制成深111mm宽300mm的拱型槽板和直型槽板（适宜跨度3.7～24m）。mic-240型可以把厚0.6～1.5mm宽914mm的钢板滚压制成深200mm宽600mm的拱型斜槽板和直型斜槽板（适宜跨度15～36m）（如图1、2）

连节点间的设计是钢结构设计中最为关键的设计之一。节点间的设计必须符合以下要素：传力安全、合理、明确、过程简洁。常用节点如下（图3、4、5、6）

从市场的角度来审视拱型金属屋顶结构，该结构的设计还存在以

下不合理的地方：

（1）设计过于保守。由于拱形结构自身重量小，无盖的支撑结构却被设计成了肥梁胖柱，这在一定程度上造成了资源浪费。（2）屋顶结构的安全系数较低，存在安全隐患。一些支撑屋盖的梁柱由于刚性不好、易变型以致它的承载力有限等。

造成以上现象的原因有：一方面可能是施工单位对金属屋顶结构进行规划时采取的数据不够准确。另一方面就是施工单位没有明确掌握屋盖结构特征。

1.1 设计假定

金属拱形层面结构和传统的排架、框梁结构连着之间的差异性比较大。一般而言，梁柱的刚性要比拱形彩板的拱板刚性大得多。所以出于安全性考虑，大众在选择建筑支柱时，需要参照屋顶重量来做决定。比如：若想提高屋盖结构的稳定性和强度，可以采用承托式支座中的铰接支撑简图。另外也有一种普遍使用的构架方式为埋入式支座，它的本质是半钢接支撑，这种支撑方式主要是防止屋盖早期失稳情况的发生。

1.2 钢结构中屋顶与墙柱梁的组合方式

有准确计算证明，建筑的结构可以分为大致两部分。

1.2.1 上部结构

上部结构包括防火层和保温层等自重。通常是一些通风口、采光窗等设备自重，吊灯、灯具、管道等物体的重量和雪荷载、风荷载、积灰荷载等活荷载。

1.2.2 下部结构

该部分的作用除了要承受上部的负荷压力外，墙柱梁还要受到常规负载的自重。由于屋顶的自身重量比较小，所以结构承载力不受地震作用组合的限制，也就是此屋顶的建造不需要考虑地震因素。拱形屋顶的荷载组合有自重、雪荷载、风荷载和特殊负载共四类。常见的组合有：自重类+风荷载+特殊荷载、自重类+雪荷载、自重类+特殊荷载+半跨雪荷载+风荷载等。其中，最危险的情况当属于半跨雪荷载，它对壳体内力的影响比较大，会导致结构变形而造成整体失稳，所以对于这种组合，再设计时应要特别注意。另外拱形钢板屋面结构的矢跨比可以选择0.2～0.4，当主要荷载是竖向荷载时，矢跨比要取较大值，当主要荷载是风荷载时，矢跨比要取较小值。

如果拱形钢板屋面山墙采用压型钢板墙时，要根据它的水平风荷载来设计对应的承载力，然后再和屋顶的结构进行可靠性连接，以保证山墙的稳定性和刚性。另外压型钢板墙屋面山墙上也可以开设采光孔和通风孔，但总的开孔面积不能大于屋顶总面积的5%。如果建筑所处的地区比较空旷，那么要按国家的《建筑防雷设计规范》gb50059的相关法律规定来设置避雷装置。

屋盖的拱形钢板需要满足的外用钢要求如表1：

2 拱型薄壳屋盖制作与施工

（1）在对彩色钢板进行滚压之前，要对其外观及各项力学性能指标进行检测，要有生产商各项指标符合设计选材要求。它的检测

内容主要有：尺寸（厚宽）、彩板颜色、镀锡层及涂层附着力。然后再严格按照国标gb/t28中确定的金属拉伸试验法对基础材料进行复检。各项检验合格后投入使用。使用过程中进行轧制前，要对屋盖结构两侧的支座线间的跨度和水平度进行测量，只有符合图纸要求才可以投放样布板。

拱形彩板轧制的实际直板长度，要按照屋面的实际支撑位置的矢高和跨度来具体计算，并加放收缩量为1%的滚压弧板中。再用2m 弧形靠尺检测弧板的曲度和翼缘是否符合要求，若符合要求制作一个2m长的弧板。若有误差，需要作出调整直到达标。然后把压制好的标准的弧形板平放在地面上，保证其受力时测量其弧长和矢拱高，一切核对无误后再做全面轧制。需要注意的是：在轧制时，设备运行时会产生震动，因此在轧制过程中要对机器做及时调整。（2）在对拱形板进行吊装之前，要先在地面上把其组装成吊装单元。若采用的是mic-120系列设备，则每五个作为一个吊装单元，若采用mic-240系列设备，则每三个作为一个吊装单元。吊装前要按位置把吊装单元放好，以便吊装。要在屋盖结构两侧的支座线上标注每一单元的具体位置，检查数量无误之后再进行拱型屋盖的安装。

第一吊装单元的安装是安装拱型彩板屋盖的关键，要确保吊装的牢固平稳，不然接下来的工作会有很大的难度。在进行安装时，每一单元都要组装锁好，要用钉铆将檐口处铰结部分固定牢固，然后才能安装下一单元。安装拱型彩板屋盖时，要进行定期的检查工作，