CN100398770C - 一种采用装配式钢拱桁架加固金属拱形波纹板屋盖的方法 - Google Patents
一种采用装配式钢拱桁架加固金属拱形波纹板屋盖的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种采用装配式钢拱桁架加固金属拱形波纹板屋盖的方法，属于土木工程大跨度钢结构技术领域。其特征是采用装配式钢管拱形桁架沿跨度方向按照6-9米的间距置于拱形波纹板内侧，同时在每榀拱桁架之间增设2-3道纵向桁架，使钢桁架与波纹板共同承受外荷载，通过这种方法对拱形波纹板屋盖进行加固，有效解决拱形波纹板屋盖使用安全度低、易发生整体失稳、使用跨度受到限制的问题，这种加固方法在用钢量增加不大的情况下，可大幅度提高拱形波纹板屋盖的使用安全度及使用跨度，同时这种方法同样可以应用到新建建筑中。本发明的效果和益处是解决在永久性建筑中使用拱形波纹板屋盖安全度低、使用跨度受到严格限制的问题，能够产生巨大的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
一种采用装配式钢拱桁架加固金属拱形波纹板屋盖的方法属于土木工程大跨度钢结构技术领域。
背景技术
目前空间结构在世界范围内得到迅猛发展，在众多空间结构中，金属拱型波纹屋盖结构具有用料少，自重轻，施工周期短，跨越能力大，且集受力、维护功能于一身等优点，深受广大建筑界人士的关注和认可。近年来，我国的工程实践表明，它具有显著的技术经济效益和社会效益，具有广阔的发展前景，将成为轻钢结构的重要发展方向之一。
但是，由于成拱需要，圆弧槽板上压有许多横向小波纹，这些小波纹的存在致使结构受力性能比较复杂，在国内尚未形成统一的计算模型、计算公式和分析方法。近年来，由于设计理论不统一，不能保证工作质量，工程事故频繁出现，尤其在北方，雪载较大，该结构在半跨不均匀雪载作用下极易发生失稳现象，1997年1月鞍山地区的暴风雪天气使得该地区有6栋波纹拱壳结构发生坍塌，直接经济损失达400万元，此后在我国南方沿海各地以及新疆等内陆地区都相继发生大批波纹拱壳因大风或大雪而发生坍塌的事故。申请者也主持过庄河市大成食品(大连)有限公司库房的拱形压型板屋盖坍塌事故的鉴定分析。拱形压型板屋盖的坍塌事件引起了业界的广泛重视。分析总结坍塌事故原因主要有：(1)压型钢板拱形屋盖结构为缺陷敏感结构，施工质量差将容易造成工程事故；(2)由于沿拱轴有波纹存在，受力性能比较复杂，尤其在半跨荷载作用下，易发生失稳破坏，致使各地设计理论不健全、不统一。总体来讲，压型钢板拱形屋盖的破坏形式是整体失稳，结构的承载力由其整体稳定控制，结构的可靠度指标偏低，在应用环境、使用跨度等方面受到很大限制。
国外对于拱形压型板屋盖已研究多年，设计理论趋于完善，拱形压型板屋盖结构形式多应用于跨度不大的建筑或临时性建筑。
在我国，天津大学刘锡良等人对拱形压型板屋盖结构作了大量的研究工作，对指导压型钢板拱形屋盖的设计施工及有关规程的编制给出了许多建设性的成果，明确提出拱形压型板屋改结构设计安全度偏低，应限制使用范围的建议。
鉴于以上状况，为改变拱形压型板屋盖结构使用受限制的状况，尽量避免工程事故，申请者结合多年对大跨度钢结构稳定的研究工作，提出了合理增设方钢管装配式拱桁架及相应的纵向桁架，从而达到加固拱形波纹板屋盖，提高拱形压型板屋盖的使用跨度和安全度，以改变我国在拱形压型板屋盖结构应用领域中的状况。
发明内容
本发明的目的：提供一种加固金属拱型波纹屋盖的方法，避免工程事故，以提高拱型波纹屋盖的使用安全度，同时可应用于新建建筑中以提高使用跨度。
本发明的技术方案如下：
(1)在大跨度金属拱型波纹屋盖内侧按照6-9米间距布放装配式钢管拱桁架，并在长度方向设置2或3道的纵向平面桁架。
(2)装配式拱桁架分段预制，每段装配式拱桁架端部预留四个螺栓连接点，对于各种跨度或失高的波纹板屋盖应预制相应的拱桁架预制单体。
(3)拱桁架端部以原波纹拱板的支座经处理后作为拱桁架的支座。纵向桁架也是通过预留连接螺栓孔的方式与钢管拱桁架相连接，拱桁架、纵向桁架在上弦节点部位设置竖向方管小立柱，立柱上端的橡胶垫通过胶粘材料与波纹拱板的波纹上板相粘接。
本发明的效果和益处是通过对增设拱桁架对拱形波纹板加固：
(1)半跨荷载承载力得到大幅度的提高，全跨荷载承载力虽然也有所提高，但是提高幅度明显不如半跨荷载作用情况；
(2)由于桁架的作用，破坏模态发生了变化，受力性能也得到明显的改善，提高了结构的稳定极限承载力，改善了金属拱型波纹屋盖的稳定性能；
(3)所增设的桁架的质量相对较低，而承载力提高的幅度较大，经济性能较好；
(4)可大幅度提高拱形波纹板在永久性建筑中的使用安全度。
(5)提高屋盖体系整体刚度和保形能力。
附图说明
图1是波纹板与拱桁架结合模型示意图。
图2是拱桁架及纵向连系构件示意图。
图3是未增设钢管拱桁架的波纹拱板破坏模态图。
图4是增设钢管拱桁架的波纹拱板破坏模态图。
图5是最大竖向位移点处的P-Uy曲线图，其中P为力，Uy为y方向位移。
图6是最大水平位移点处的P-Ux曲线图，其中P为力，Ux为x方向位移。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施例。
具体金属波纹拱板与拱形桁架及纵向桁架位置关系示意图见图1和图2。拱形波纹板采用目前市场上常用的MIC-240板，屋盖跨度36m、矢跨比0.25、板厚1mm的，拱桁架间距取6.1m，空间拱桁架及纵向平面桁架均采用￠30*1.2mm的圆管，空间拱桁架高度取0.8m，装配式桁架上弦节点间距为0.81m，下弦节点间距为0.5m，桁架上弦宽度为500mm，下弦宽度为300mm。纵向桁架高度为0.622m，采用平面桁架。拱桁架的两端下弦节点处铰接固定于原波纹拱板的支撑物上。
按照以上方式进行数值模拟，计算结果与分析如下：
(1)破坏模态
结构的具体破坏模态见图3和图4所示。
基于理论分析和试验验证，加固前金属拱型波纹屋盖结构的主要破坏形式是整体失稳，该结构的承载能力由其平面内的整体稳定性控制。纯波纹拱板结构在半跨荷载作用下呈反对称整体变形，且变形非常大。而在增设钢管拱桁架后，该结构的变形明显变小，且最终破坏是由局部拱板的破坏引起的，避免了整体破坏。
(2)承载力及变形分析
为了直观的看出增设钢管拱桁架前后结构的稳定性能的变化，给出增设钢管拱桁架前后最大竖向位移及最大水平位移处的荷载—位移曲线见图5和图6。
(3)增设钢管拱桁架与未增设钢管拱桁架波纹拱板计算结果对比见下表
Claims (1)
1.一种采用装配式钢拱桁架加固金属拱形波纹板屋盖的方法，其特征在于以下步聚：
(1)在大跨度金属拱型波纹屋盖内侧按照6-9米间距布放装配式钢管拱桁架，并在长度方向设置2或3道的纵向平面桁架；
(2)装配式拱桁架分段预制，每段装配式拱桁架端部预留四个螺栓连接点，对于各种跨度或失高的波纹板屋盖应预制相应的拱桁架预制单体；
(3)拱桁架端部以原波纹拱板的支座经处理后作为拱桁架的支座；纵向桁架也是通过预留连接螺栓孔的方式与钢管拱桁架相连接，拱桁架、纵向桁架在上弦节点部位设置竖向方管小立柱，立柱上端的橡胶垫通过胶粘材料与波纹拱板的波纹上板相粘接。
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