拱型波纹钢屋盖结构计算模型研究

当我们杰达拱形屋顶的施工队伍在施工的时候，常常遇到客户向我们询问该如何建立拱型波纹钢屋盖结构的计算模型，而负责工程质量问题的监理也进场有这样的困惑。有一次我们在菏泽进行21米跨度拱形屋顶施工过的时候，就遇到现场的拱形屋顶项目负责人问我们关于计算模型的问题，经过查阅资料，我们的技术员树大林先生将下面的答案回复给了领导。

在拱型波纹钢屋盖实验研究的基础上，天津大学对拱型波文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（两种壳体计算模型、一种拱计算模型），并逐一进行理论与试验结果的对比分析。

拱型波纹钢屋盖结构是一种筒壳结构，因此将其简化成壳体计算模型在概念上更容易被接受。壳体计算模型1是以单福拱型槽板为研究对象，将其作为空间壳体，并用壳体有限元进行模拟分析。对于这种纵向长度较长的结构，若所受荷载沿纵向均匀分布，那么距离结构端部较远的拱板由于受到相邻拱板的制约将只发生平面内的变形，此时若取这洋的一福拱板为研究对象，则相邻拱板间的相互作用可简化为一定形式的平面外约束。

壳体计算模型2以整个屋盖为研究对象，对于矩形截面的屋盖分别采用空间梁单元及空间板单元摸拟结构的腹板及下翼缘，对于梯形截面屋盖则用壳体有限元进行模拟分析。

显然，采用壳体计算模型，结构分析的计算量是巨大的，而且壳体分析理论也比较复杂，难以为一般技术人员所掌握。因此，基于壳体模型的结构分析方法不宜作为通用设计方法进行推广。事实上，当结构跨度与纵向长度相比较小时，远离两端部的屋盖受端部山墙的影响较小，在荷载沿结构纵向对称的情况下，这种结构的空间作用并不显著，若忽略这种空间作用将其按平面结构来分析则可大大简化分折过程。故提出的第3种计算模型便是平面拱计算模型。

拱形波纹钢屋盖的模型试验已表明，无论采用何种计算模型，在确定结构计算参数时都应考虑小波纹的影响。对于波文板的分析采用静力等效法进行了简化处理，具体是按照等刚度原则将波纹板的刚度矩阵等效成平板的刚度矩阵。具体到不同的计算模型，又分别采用了不同的变换技巧：在壳体模型中，等效变换直接变化的是板件的弹性模量和泊松比，而在拱计算模型中变化的是板件的厚度。