摘要：金属拱型波纹屋盖结构是一种新型的金属拱型薄壳结构。它以其跨越能力大、自重小、施工速度快、造型优美等优点近年来在工程上得到了广泛的应用，并且具有极强的生命力和发展前景。本文系统地综述了金属拱型波纹屋盖结构在国内外的研究现状，取得的成果和这种结构形式的理论；系统地介绍了金属拱型波纹屋盖结构的成型过程和建筑中的应用。 

　　关键词: 地下结构， 研究现状，特点 

　　金属拱型波纹屋盖最早起源于美国。上世纪40年代，美国的一些建筑师和结构工程师们为了寻求新的结构形式，从自然界植物表皮的纹理中得到启发，用薄钢板通过波纹加劲，发明了这种结构形式。该结构型式出现后，以其具有自重轻、室内空间大、造型优美、施工周期短、防水性能好等诸多其他结构形式无法比拟的优点，立刻受到了人们的欢迎和青睐，得到了迅速的发展。但是，由于种种原因，国际上这种结构的科研及成型机组的研制、开发及生产被美、英、韩等国家的几家大公司（如美国的MIC公司、韩国的K—SPAN公司）垄断，这对金属拱型波纹屋盖的发展及进一步推广极为不利。 
　　从国外引进不仅设备昂贵，技术保密，而且又不能充分利用国内的材料，也不适合我国国情。为此，北京银河金属屋顶成型技术研究所和天津大学土木工程系空间结构研究室结合国外先进经验，共同研制和开发了一种新型的金属屋顶－银河金属拱型波纹屋顶（MMR）。1997年初，武汉钢铁（集团）公司结合武钢生产的建筑彩色涂层钢板，并参照国内外的经验开发出一种属于该公司自己的产品－W666型金属拱型波纹屋顶等。正因为他们的努力，这种结构在我国有了很大的发展空间，并且有了一定的发展。在短短的几年内，国内涌现了大批的工程施工单位，工程应用面积也剧增到每年100多万m2。 

　　1.金属拱型波纹屋盖结构的制作安装过程 

　　金属拱型波纹屋盖结构是用屋顶成型机组在现场制作拱板并经吊车或塔吊吊装至屋顶圈梁安装就位而成的，它的全套成型机组包括成型机和封边机，其中成型机用来制作屋面板，它又包括两部分：第一部分先将彩色镀锌钢板压成直型槽板，第二部分则用于将直型槽板辊压成带波纹的拱型槽板，而封边机则是用于连接两相邻槽板的专用机械，使用它可将若干槽板封边快速连成整体，不透风、不漏水。金属拱型波纹屋盖结构的制作过程具体如下图： 

　　2.金属拱型波纹屋盖结构的特点及其适用范围 

　　分析金属拱型波纹屋盖结构的生产工艺过程，并结合其材料性能，可知该结构与其他传统屋盖相比具有以下特点： 
　　1.造价低：采用0.6～1.6mm厚的镀锌钢板实现了集受力，围护为一身的结构体系，跨度一般在30m以下不需要檩条和屋架，自重轻，用料省，该结构单位面积仅为0.12～0.25KN/m2,尽管采用昂贵的镀锌彩板，其总造价也比较低； 
　　2.建筑空间大：根据压制成型截面型截面形式和应用的钢板厚度不同，结构跨度可为3.0～24.0m或36.0m以下，拱的矢高与跨度之比可为1/5～1/2,而且无拉杆，所以室内空间较大。 
　　 
　　3.屋面与承重结构为一体：彩色涂层钢板既是建筑围护面层，又是屋盖的承重结构，是集受力围护为一身的结构体系； 
　　4.施工简便，建造快速：采用机械化施工手段，自动化的施工设备，专业化的施工队伍，使得屋盖结构建造快速，工期短，每班10人左右，每班可完成500m2。施工的高效率可为甲方带来巨大的直接经济效益； 
　　 由于具备以上特点，金属拱型波纹屋盖具有极强的生命力，并得到了广泛的应用。到目前为止，这种结构形式已在下列建筑中采用：（1）仓库类房屋；（2）体育馆，健身房；（3）商贸市场和展览馆厅；（4）吊车吨位较小的加工，制作和装配车间；（5）汽车，码头的候车大厅和船厅；（6）影视放映厅。随着我国国产镀锌钢板材料性能的不断提高及彩板价格的下浮，这种结构在建筑市场上的竞争力也越来越强。目前，国内已建成的这类结构超过百万平米。 
　　但也应该看到金属拱型波纹屋盖结构也有其自身难以克服的缺点，比如截面形式固定，受力复杂等。对于一定特定的成型设备而言，只能轧制出截面形式一定的一种槽板，沿着整个跨度方向结构是等截面的，从受力角度看这是很不经济的。另外，结构的圆弧外形并非理想形式，因为常规荷载作用下，圆弧拱轴不是受力最合理的拱轴。由于采用了一定材料及一定跨度的这种结构，其承载力取决于拱高和钢板厚度，而研究表明在常用的钢板厚度及拱高范围内，变化这两个参数对提高结构承载力的意义不大。因此，对于荷载较大或跨度较大的建筑，这种结构留给设计人员可供选择的余地很小。 

　　3 金属拱型波纹屋盖理论试验研究状况 

　　如上所述，金属拱型波纹屋盖从整体上看属于双曲拱型薄壳，但其细部带有许多波纹褶皱，这些褶皱的存在使得结构受载后的工作性能，破坏机理以及破坏模型变得极为复杂。另外，辊压褶皱，咬边等制作及安装工艺质量好坏也直接影响波纹拱的力学性能。由此可见，在外荷载作用下，金属拱型波纹屋盖结构的受力状态相当复杂，建立精确的计算模型非常困难。 
　　20世纪90年代以来，金属拱型波纹屋盖结构在我国不断的得到推广和应用。随着人们对该结构的注重程度逐步提高，我国科研人员对该结构进行了大量的理论及试验研究，并在短短的几十年期间，取得突飞猛进的进展。 

　　目前金属波纹拱型屋盖结构的计算分析方法主要有以下几种: 

　　A.复合有限条法。这种方法主要是针对U型截面波纹屋盖，它把屋盖上的各U 型单拱之间相互靠在一起的两腹板和咬合部分看成是肋骨，底板部分看成是一段段的条元，相邻板条之间就是通过肋部相连，这样整个屋盖就可以简化成正交各向异性的加劲圆柱壳。在分析时，将横向加劲肋当作空间梁单元来考虑，它的两端节点位于条元的节线上，位移可用条元节线的位移参量表示。这样将梁元的刚度矩阵与条元相叠加，就是整个复合有限条元的刚度矩阵。这种半解析的方法在于可以大大减少计算量和内存需要量，但它并未考虑跨度方向上细小波纹的影响，且这种将腹板等代成加劲肋的方法只适用于U型截面的波纹屋盖。 
　　B.有限元法。采用曲面壳单元模拟波纹的真实构型，进行大规模的参数分析。这种方法的优点在于能够直接得到结构板件上的应力和变形。但是采用壳体单元进行结构分析存在以下难点：一是为了将细小波纹比较准确的输入，需要创建大量的单元。要对一个20m跨度，矢跨比为0.25的V型截面单拱进行有限元建模，要创建的四节点板壳单元的数目接近十万多个，结构自由度数量巨大，在对结构进行非线性分析时不仅要耗费大量机时，而且造成很大的计算累计误差，使得全过程分析因难以越过极值点而无法实施；二是计算结果数据庞大，难以从中发现规律。基于这两个原因，采用壳体有限元理论对这种结构进行大规模的参数分析还比较少见，而是采用简化计算方法。目前采用这种方法时一般都是运用某个大型的商业计算软件对单块波纹板进行分析，这离具有可推广的工程设计方法尚有很大的差距。 
　　C.简化计算法—等代平面拱计算模型。由于实际工程中这种结构的纵向长度一般都大于其跨度,远离两端部的屋盖受端部山墙的影响比较小.同时考虑到结构所受到的荷载沿纵向分布一般比较均匀,这种情况下结构的空间作用并不显著.此时,忽略结构的空间作用,可以将其按照平面结构来分析.为了考虑结构上面细小的波纹影响,按照等刚度原则将原先的等厚度波纹板等效成变厚度截面,再计算出等效截面的面积、惯性矩等,将其作为平面拱模型的计算参数,这样就可以进行结构的计算分析。这种模型的优点在于分析理论比较简单，计算量也不大，且分析方法对于U型和V型截面都适用；但由于对板件进行了简化，它只能对结构的整体进行计算分析，对于波纹板局部上的应力分布必须通过其他方法测得。 
　　D.试验研究。它是一种最直观的分析方法。其缺点在于所需的试验工作量大，试验费用高，所得试验结果难以具有普遍的适用性。但它的最大优点是可以与其它方法相结合。例如在简化计算中引入了很多的近似性，可以将它计算出的结论与试验相比较，分析所采用的近似性，可以将它计算得出的结论与试验相比较，分析所采用近似的合理性，再进一步对简化方法进行修正，从而得到比较合理可靠的分析方法。