一、前言
今年3月4日沈陽遭受了百年不遇的暴風雪災害。據(jù)了解有關報導,當天降水量達48mnI,風力也很大,從庭院、街道的積雪情況來看,積雪很不均勻,甚至一側(cè)基本無雪,而另側(cè)雪堆則可達1.m5高,此特高的雪堆多不緊靠墻,與墻之間留有一弧形溝隙。
在這場罕見的暴風雪中,沈陽(包括郊區(qū))有5處拱形波紋鋼屋蓋發(fā)生了嚴重的倒塌、局部倒塌事故。倒塌中除形成財產(chǎn)損失外,也發(fā)生了人員傷亡,這是十分令人痛心的。
應當承認:拱形波紋鋼屋蓋在沈陽的倒塌不是國內(nèi)首次發(fā)生。就全國大范圍而言,已是多年以來有多起出現(xiàn)。這一“前有塌例,后還續(xù)建”的反復趨勢,生動有力地說明了兩點。其一是:拱形波紋鋼屋蓋具有造價很低、建造特快、多功能合一、用于大跨更有其非凡的效果。其二是:對于拱殼為一向弧曲,另一向彎折并具有凸凹壓痕的特薄板件,在承受壓彎剪作用時,各部位內(nèi)應力分布與常規(guī)板件相比確實存在很大差異。而對此情況,設計科研技術工作滯后,十多年長期以來國內(nèi)沒有一本能指導設計計算工作具體進行的規(guī)范(規(guī)程)。這正象劉錫良教授在《拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構技術規(guī)程的特點與應用》一文中所述:“設計無章可循,結(jié)構參數(shù)由施工單位根據(jù)經(jīng)驗確定,使得工程安全性難以保證”。
就在我國對拱型波紋鋼屋蓋連續(xù)試探建造,伴隨屢有個別塌例的十多年后,于2005年,我國具有自主知識產(chǎn)權的、中國工程建設標準化協(xié)會標準《拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構技術規(guī)程CECS167:2004》面世了。我們應該深深感謝天津大學及以劉錫良教授為首的CECS167編寫組同行先輩們的辛勤艱苦,他們編制完成了確實象劉錫良、張勇所說的“世界上第一本拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構的專用技術規(guī)程”。這世界第一是實質(zhì)上的。論形式,有的“地方專業(yè)規(guī)程伙早在多年以前就己批準,如《壓型鋼板拱殼結(jié)構技術規(guī)程DBZI/1032一1999》是1999年發(fā)布,2000年實施的地方標準,但它在設計計算方面的規(guī)定存在空缺,如該規(guī)程第4.3.4條所寫,’.··…拱殼結(jié)構的計算應采用經(jīng)省部級以上科技主管部門鑒定……專用設計計算程序”,但其后一直對“專用程序”未能補供。
CECS167通過近5年的理論研究、試驗分析工作,經(jīng)精心梳理給出了有關強度、相關參數(shù)的計算公式,使對拱殼的計算有理有據(jù),就此而言稱其為“世界第一”是受之無虧的。
二、直觀事故過程的思考
(一)從沈陽暴風雪期間,庭院、街道的布雪多有單側(cè)聚雪堆的實況,也結(jié)合拱殼具有明顯的起拱,一般矢跨比用0.2~0.25的狀況，更更考慮半跨單坡三角雪載(下稱坡角雪載),(即拱腳處雪最厚，拱頂雪厚為零，雪載呈三角狀分布) 對拱殼受力更為不利;這樣看來,對拱殼應是采用半跨坡角雪載以替代規(guī)范的半跨均布雪載。
(二)從平坡屋面檐部無雪的實況,可推斷該處存在風的負壓。此拱殼邊跨外半承負風壓,如遇內(nèi)半承坡角雪載,這將形成拱殼結(jié)構受力的明顯惡化。對此如何決策,須待商榷加以考慮。
(三)拱殼結(jié)構的跨度一般較大,多達20~30m。這些大跨結(jié)構在承受暴風雪的惡劣工況時,支座用膨脹螺栓,自攻螺釘相連,殼板厚很薄僅1,上下,其抵抗與螺栓的擠壓能力不大,如斯構造,似嫌單薄。
(四)針對“在不對稱的雪、風荷載下較易整體失穩(wěn)”(此語引自1S6前言的情況,借助歐拉穩(wěn)定理論概念來看,支座如改固接,則對改善拱殼結(jié)構的整體失穩(wěn),以及提高其承載能力將是明顯有利的。
三、明確的概念—對計算數(shù)據(jù)的分析歸納所得為了查清不同負載對拱殼的內(nèi)力影響,筆者在CECS167未列出半跨坡角雪載相關的臨界荷載系數(shù)及彎矩調(diào)整系數(shù)情況下,粗略地按常規(guī)實心拱,取跨度為24可,矢高4.m8,板壁厚T=l.2m垃分別計算了四種負載(自重作用,全跨均布雪,半跨均布雪,半跨布坡角雪—其雪載總重與半跨均布雪同,亦即在拱腳處的雪載強度較均布者大出一倍)作用下,對三種拱型(二鉸拱、無鉸拱、三鉸拱)的內(nèi)力對比。在計算中按單片拱殼0.6ml寬計,所取的荷載設計值為:
自重(無保溫時)1.ZN/em
全跨均布雪4.7N/cm
半跨均布雪7.52Nc/m(此處對分布系數(shù)取用了1.6)
半跨坡角雪拱腳處最大值15.04N/cm
從計算后數(shù)據(jù)中選擇有意義的比對結(jié)果可看出以下幾點。
(一)按二餃拱計算承受自里
1、拱殼的最大軸壓力產(chǎn)生在支座截面處,該軸力生成的壓應力與210N/mnI,(采用Ts25oGD+z彩涂板的強度設計值)相比,尚不足1.2%。
2、拱殼最大正彎矩產(chǎn)生在跨中,其引發(fā)的應力與210N/mnI,相比,尚不足2.4%。
3、拱殼最大負彎矩產(chǎn)生在距支座約m3處,其引發(fā)的應力尚不足210N/nunz的2.1%。
4、這里顯示出自重作用下拱殼跨中的正彎矩比拱腳附近的負彎矩為大。它們產(chǎn)生的應力對材料強度而言可謂“微不足道”
(二)按二鉸拱計算承受全路均布雪
1、拱殼最大軸壓力產(chǎn)生在支座截面處,其值不超過210N/nunz的%5。
2、拱殼最大正彎矩產(chǎn)生于跨中,其值不超過210N/耐的10%。
3、拱殼最大負彎矩產(chǎn)生于距支座約m3處,其值不超過Z10N/mmz的12%。
(三)聯(lián)系對照(一)與(二)來看,可知
l、拱殼在承受自重與全跨均布雪時,其安全裕度是較大的。
2、對比拱殼在承受全跨均布雪與自重的不同時,可看出:
)l承受沿水平投影面均布的雪載時,負彎矩值大于正彎矩值;
2)承受沿拱軸弧面均布的自重時,負彎矩值小于正彎矩值,這初步反映了拱受力特性的一面。
(四)按二校拱計算承受半躊均布雪
1、拱殼最大軸壓力產(chǎn)生在承載側(cè)支座處,其值與全跨均布雪者接近相等。
2、承載一側(cè)的半跨皆屬正彎矩,其最大值約為全跨均布雪最大彎矩值的6.5倍。
3、空載一側(cè)的半跨皆屬負彎矩,其最大值約為全跨均布雪最大彎矩值的7倍。
(五)對比(四)與(二)看出:半跨均布雪載比全跨均布雪載的彎矩值出現(xiàn)了陡然增大。
結(jié)合(三)來看,這充分說明:拱結(jié)構是非常不適于承受半跨載的結(jié)構,它的最佳承載性能應是承受沿拱軸均勻分布的豎載。這也正是古人多用拱橋的機理概念。
(六)按二餃拱計算承受半躊坡角雪救
l、拱殼最大軸壓力位于承載側(cè)的支座處,其值與半跨均布雪者接近相等。
2、承載一側(cè)的半跨屬正彎矩,其最大值比半跨均布載大了2%2。
3、空載一側(cè)的半跨屬負彎矩,其最大值比半跨均布載小了巧%。
(七)對比(六)與(四)粉得出。承受半跨坡角雪載對承載一側(cè)的半跨的截面受彎將更為不利,其最大彎矩值約為滿載均布雪載的8倍,單就該彎矩最大值,不乘彎矩放大系數(shù),其產(chǎn)生的應力己超出1.2mm。
厚的s5OGD十z的強度設計值.
(八按無校拱計算半躊坡角雪峨
1、拱殼的最大軸壓力與雙鉸拱者相比,少有增大,約大了%6,這可視為二者接近相等。
2、產(chǎn)生了支座彎矩(這在雙鉸拱中則無)
承載一側(cè)支座彎矩為負彎矩(上面受拉)。與雙鉸拱承受坡角雪載承載一側(cè)最大彎矩值對比此支座彎值少有增大,增大量不足3%,.但承載段內(nèi)的正彎矩與其對比,則明顯減小了4%9。
空載一側(cè)支座彎矩為正彎矩(下面受拉)與承載側(cè)支座彎矩對比,其值小34%,空載段內(nèi)的負彎矩與雙鉸拱受坡角雪載的該段彎矩最大值對經(jīng)則小了5%。
四、對采用無鉸拱的探討
從前條所述無鉸拱的受力特點來看,雖然產(chǎn)生了明顯的支座彎矩,但其最大值與雙鉸拱的彎矩最大值對比接近相等,僅大出不足3%;而跨內(nèi)截面上的彎矩對比雙鉸拱的最大彎矩則小了一半,(49一51%)考慮到固接支座在受力工作時的特點(由剛性固接到彈性固接),這無疑對拱殼結(jié)構的安全受力將是十分有益的。
從古老的傳統(tǒng)概念來看,拱是砌筑材料最能發(fā)揮特長的構造之一,亦即事實上拱的受力是屬于受壓構件范疇。對拱形波紋鋼屋蓋中的拱殼,當僅承受自重與均布雪時,它的受壓構件特征是明顯的,但此時拱殼的應力很小。而當處于承受坡角雪載的極限狀態(tài)時,正如前條分析所述,它承受的軸向壓力很小,軸壓的應力值大約僅達材料強度的6%,這樣看來,拱殼構件的受力劃分應是屬于受彎構件,充其量也僅是小偏必受壓。
作為受彎構件從目前工程結(jié)構力學的角度來看是存在塑性、塑性鉸及至塑性內(nèi)力重分布的工作機理,作為無鉸拱是三次超靜定結(jié)構,它不象雙鉸拱為一次超靜定,各截面內(nèi)力基本固定,不具備在構件全長范圍內(nèi)各截面間的塑性發(fā)展條件。而無鉸拱,具備有良好的內(nèi)力重分布優(yōu)越條件?？紤]到這一有利因素,根據(jù)拱殼構件彎矩圖的構成來看,無鉸拱在按承載能力極限狀態(tài)設計時,所取構件截面的最大彎矩值與雙鉸拱者相比,粗估來看降低20%一3%0是可能的。參照現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構設計規(guī)范GB50017一2003》第9.1.1及9.1.2條的規(guī)定來看,這樣做也是合理的,可允許的。
筆者對拱殼結(jié)構中間支座的固接構造曾進行了底單梁、底雙梁、硅嵌固、鋼板錨固等多個方案的對比分析。從考慮保持拱殼結(jié)構快速施工,有利屋面排水,決策認定圖1所示的做法是比較合適的。該做法采用了底雙梁中間構成排水天溝,左右梁項以小梁相連,起類似綴板的作用,連左右梁為一體,在梁頂甩出拉接條,用高強螺栓配備合適尺寸的墊板夾牢拱殼的上下翼緣,使拱殼與硅梁拉接牢靠,形成對拱殼的固接效應,這樣將會明顯改善拱殼的安全受力·
