拱壳结构设计中几个问题讨论.docVIP

拱壳结构设计中几个问题讨论近几年来,拱壳结构的工程事故频繁发生,2D08年震惊全国的凤凰石拱桥倒塌,死伤人数之多,令人心痛。而北方地区暴雪和南方冰灾,绝大部分薄壁钢板拱结构房屋倒塌。除此之外,平时的拱壳结构倒塌破坏的事故也时有发生,如长沙某酒楼的一层砖拱结构,在使用20年后突然倒塌,万幸的是事故发生的时间是下午四点半,酒店大厅内无工作人员和就餐人员,否则后果不堪设想。这些拱壳事故的发生,有天灾也有人祸。对于人祸的因素,作为从事工程建设的技术人员,我们可以回避责任的判定,却不可回避科学事实的判断。本文就拱壳结构设计中的几个问题进行讨论。 1、拱壳结构受力特点: 拱壳结构有其自身的特点,在竖向荷载作用下各个截面的弯矩比相应跨度的简支梁要小得多,其稳定性亦优越得多,可充分利用材料的抗压性能。因此,拱结构用料较省,自重较轻,能跨越较大空间。但拱壳杆轴为曲线,在竖向荷载作用下拱壳杆件因自身形态在支座处必然存在水平推力(除半圆拱外),这就是拱壳结构区别于普通梁板结构的一个重要标志。 在工程应用中拱壳结构有三种常用的作法: 1)带水平拉杆的拱壳结构构件 如图1所示,在竖向荷载作用下,上弦拱所产生的水平推力由下弦拉杆承担,拱壳结构自成一个完整的结构构件,该构件对支撑它的下部结构不存在水平推力的作用,只是考虑外部水平荷载通过拱壳结构构件传递到下部支撑结构。例如,带下弦杆的三角形屋架、桁架和带下弦杆拱壳等支承在框排架柱上。计算框排架时,柱顶与这些屋盖构件视连接方式的不同,屋盖构件传给下部柱一般有两个或三个作用力,当为铰接时,有一个竖向集中力Fy和一个水平集中力Fx,该水平集中力是外部水平荷载对拱壳作用在拱脚处的集中力(如拱壳构件高度范围内的风载作用、地震荷载作用传至支座处的集中荷载),不含拱杆构件的水平推力,因拱在竖向荷载作用下,上弦拱杆件的水平推力由下弦拉杆承担,当为固端时,还有一个弯矩作用。 2)不带水平拉杆的拱壳结构构件 如图2所示,这种拱壳形式在竖向荷载和水平荷载作用下,同样会对下部的支撑体系产生两个或者三个作用力,不同的是水平集中力Fx,由两部分组成,一部分是外部水平荷载对拱壳构件作用在拱脚处的集中力,另一部分是拱杆构件竖向荷载作用在拱脚处产生的水平推力,因为没有水平拉杆,拱杆产生的水平推力自身不能平衡,必然传给下部支撑体系, 3)不带水平拉杆的多跨拱壳结构构件 如图3所示,不带水平拉杆的多跨连续拱壳结构,若竖向荷载均匀分布且跨度相等情况下,从理论上分析,边跨存在水平推力,而中跨因邻跨间水平推力相等可相互抵消,水平推力可以忽略。但实际工程所处的时效和环境,它的受力特征并非如此,用简单的相互抵消来进行设计,是一个十分可怕的盲点。例如,冰雪的分布及融化过程,竖向荷载并非是均匀分布,又如,风荷载、地震作用等偶然荷载也决非按理论均匀分布。一旦此类情况发生,设计的基本假定与实际不符时,将导致多米诺骨牌效应,形成连续倒塌事件。 以上讨论看似十分简单的力学概念,但又是我们工程事故中常见的盲点,特别是对不带下弦拉杆的拱壳结构对下部支承体系的水平推力作用,认识不够、估计不足,所以与工程技术人员共同讨论一下是有必要的。 2、拱形波纹钢屋盖结构的问题: 拱形波纹钢屋盖结构技术在20世纪80年代末起源于美国。因其建设速度快、用钢量小、结构自重较轻、成本低、造型美观,在全国各地区得到广泛应用。但这种结构体系的房屋建筑,在近几年的暴雪和冰雪灾害中,被破坏的程度相比其它结构类型的房屋要严重得多,特别是拱形波纹钢屋盖多数在灾害中坍塌。这种特别现象的原因应该分为外因和内因,其外因是冰雪荷载超过设计预期荷载,其内因是对拱壳结构自身所特有的水平推力作用认识不足。 1)拱形波纹钢屋盖结构的水平推力 为加深对拱壳结构水平推力破坏力的认识,介绍在2008南方冰灾中两栋拱形波纹钢屋盖房屋破坏的案例。例1、某中学30米跨艺体馆拱型波纹钢结构屋盖在冰雪作用下垮塌(如图4)。在坍塌现场,发现拱形波纹单元板与支座钢板滑脱分离,锚固螺栓拉长剐丝,钢板支座翻转离开固定钢板的砼梁面。这一破坏现象是否可以这样分析,在超出设计预期的冰雪荷载作用下,钢板支座不能提供抗拱所产生水平推力,造成拱壳支座破坏,拱壳结构瞬问发展成为可变体系,拱的矢高减少,拱杆类似于简支梁结构,跨中弯矩最大,波纹钢屋盖从中部破坏垮塌。例2、在同一地方的某学校20米跨风雨操场,拱型波纹钢结构屋盖也在冰雪作用下垮塌(如图5),倒塌现场已夷为平地,虽然拱形波纹单元板与支座钢板连接仍然牢固地连在一起,支座节点没有任何破坏,但支撑屋盖的下部硷排架柱被推倒。这一破坏现象同样表明了拱壳结构的水平推力对下部结构的作用,导致砼排架柱角弯曲破坏,使房屋整体坍塌