大跨度无梁压型钢板拱形屋盖应用技术

大跨度无梁压型钢板拱形屋盖技术是运用车载式移动建造机，将彩色涂层钢板带冷弯压制成槽型直板，再滚压折皱成梯形断面的槽形单拱曲面板，然后用封口机依次将板咬口拼接成整体的一种轻型钢屋盖的新结构形式。这一新技术近两年在沿海地区的一些工程项目上得到应用，国家和行业目前尚未制定统一的规范和标准。笔者有幸分别作为施工单位主任工程师、建设单位项目经理与甘肃金顶实业公司合作两工程,现将体会和有关过程回放，供大家指教。     其一，上海张江高科技园区开发股份有限公司日前(2004年10月)完成的四期标准厂房（二期）工程，位于张江高科技园区祖冲之路887弄内，建筑面积5.3万余平方米。它由五层厂房、单层石房和一些辅助建筑组成，其中屋盖面积9千余平方米（单跨16.2米）采用了此项技术。
    厂房采用钢筋砼框架结构，楼面屋盖均为现浇钢筋砼。为了与周边厂房环境融洽，同时体现高科技公司独特形象，张江高科采用了德国公司设计的造型，连续拱型装饰屋面，配以复合铝塑板外墙和裸露H型钢立柱，这样既有轻盈的屋面，又有稳重的骨架，高而不傲，娇而不媚。
    其二，上海邮电通信设备有限公司于2000年建设的钣金车间位于浦东新区杨高中路2102号，车间建筑面积7600平方米，由两跨单层厂房（单跨26米）和一跨三层办公楼组成的轻型钢结构体。单层车间屋盖系统全部采用大跨度无梁压型钢板拱形屋面形式，室内板底采用聚胺脂发泡剂喷涂厚5cm，天沟内排水，几年来未有渗漏现象出现。真是养在深闺人未知，深藏不露。
一、无梁压型钢板拱形屋盖的设计计算通常按照荷载及组合、概念设计、结构设计等部份展开
1.基本要求和规定
在国家未出台专门规范和标准之时，可套用国家《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001、《钢结构设计规范》GBJ17-88、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002、《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001，同时应符合国家、行业其它有关相类似的标准、规范和规定。
2.屋面板材通常根据耐火性的要求，选用不同类型的彩色涂层热镀锌钢带，亦可选用彩色涂层热镀锌合金或稀土合金钢带。
    钢带应符合国标《碳素结构钢》GB/T700规定的Q235和Q275钢。
钢带基材的物理化学性能应符合建筑钢结构用钢技术要求。
见下表

钢带基材的技术参数
钢带钢号	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	强度设计值（抗拉.抗压.抗弯）(MPa)	抗剪强度(MPa)	弹性模量(MPa)	剪切模量(MPa)	伸长率(L=80mm)(%)	线膨胀系数/0C	质量  密度Kg/M3
Q235	≥235	≥375～500	205	120	2.06×105	0.79×105	≥26	12×10-6	7850
Q275	≥275	≥490～630	235	135			≥20

钢带镀锌层应符合建筑钢结构用钢及辊压成型、锁边连接工艺的要求。                                               见下表：

镀锌层技术要求
锌层代号	锌层弯曲试验时的弯心直径 （t为钢板厚度）	热镀锌层（2面）                  重量最小值（8/M2）
		三点试验	单点试验
180	2t	180	150
275	2t	275	235

彩色涂层常用二涂二烘，涂料种类根据适用建筑的耐久性选择聚酯、硅改性聚酯、聚偏氟乙烯、塑料溶液等（详见《彩色涂层钢板和钢带》GB/T12754-91）。
连接用自攻螺钉、螺栓应符合国家《自钻自攻螺钉》GB/T15856.1～4、GB/T3098.11）和《六角头螺栓-C级》GB5780规定。
3.荷载设定
压型钢板拱形屋盖上作用的荷载应包括：
恒载：自重、保温层重、吊重及其它附加于建筑自身的重量。
活载：风载、雪载、屋面活载、施工活载。
对于承载能力极限状态采用荷载基本组合，荷载效应组合的设计值按下列公式确定：
S＝ｒG·CG·GK＋ｒQ1·CQ1·Q1K＋ΣｒQi·CQi·ψci·Qik
对于正常使用板限状态，采用荷载的标准效应组合的设计值
Ss＝CG·GK＋CQ1·Q1K＋ΣCQi·ψci·Qik
在一般情况下，当有风荷载参与组合时，荷载组合值系数取0.6;当没有风荷载参与组合时，荷载组合值系数取1.0。
吊顶吊点应按屋盖跨度方向对称而置，相邻点间距不大于2M，每吊点不超过20Kg，可折算为均布荷载
屋盖均布活载及施工荷载按水平投影计0.3KN/m2。
风荷载按规定计取，对四面敞开或部分敞开的，风荷载可乘2～1.5并按最不利状态考虑。
雪荷载根据高低拱、连跨拱、单拱等情况按规范考虑最不利组合。
4.屋盖结构概念设计
压型钢板拱形屋盖是集承重、围护、自防水为一身的新型薄壁钢结构。其刚度小，对非对称荷载、狂风、支承及制作安装等因素比较敏感，易导致失稳。一般矢跨比可选0.2～0.4之间，当跨度较大时选0.2～0.3；长跨比：跨度在24m时，不小于0.5，当跨度大于24m时，不应小于0.8，
单层金属屋盖宜在内壁喷涂聚氨脂泡沫保温层。
压型钢板拱形屋盖本身可不设温度伸缩缝，可不设沉降缝，亦可不进行抗震计算，但需对屋盖支承结构进行强度、刚度、稳定性和抗震计算，特别考虑屋盖的侧面推力。此外，还应按规定设置避雷装置。
5.结构设计计算
压型钢板拱形屋盖在设计时可与下部支承结构分开计算，屋盖可看作两端不动铰接支承。屋盖的挠度与其计算跨度的比值不应超过1/200，各工况下各截面的承载力应满足
Nn/A+Mn/W≤ψf
Ψ=(564.11t3-1832.1t2+2052.2t-709.3)/f
                         (0.9≤t≤1.5)
6.构造设计
    压型板拱形屋盖结构基板按计算的最小厚度不宜小于0.9mm;屋盖因通风和采光需要开孔时，孔洞宜分散，均匀布置在踌度中部的下翼缘处，且孔洞面积之和不宜大于翼缘表面积的5％，当在较大跨度的顶盖上开孔或孔总面积较大时，应核算结构的承载能力，并在孔边加支承框。屋盖设采光带时，应离开拱脚1.5m以上，且每1.5～2.0m设支撑。屋盖拱脚与支座通过预埋件上焊接异型连接角钢联接。拱脚应做防水、防腐处理。为减少屋盖对支座的水平推力，在不影响使用和美观的前提下，可在拱脚处加设水平拉杆，拉杆可为钢铰线，亦可用粗直钢筋代替。
二、无梁压型钢板拱形屋盖从选材到验收要经过六大步序
1.材料的选样
    屋面压型钢板多选用彩色涂层钢板带，其产品应符合国家标准GB/12754-91《彩色涂层钢板和钢带》的规定，通常可选用符合宝钢企业标准Q/BQB440-94规定的卷板，板宽914mm，板厚0.6～1.5mm。具体板厚根据跨度、荷载经计算确定。
对钢板、钢材的质量及涂层有疑义时，应按国家现行标准或有关规定抽样检验。
拱型屋盖所采用的零配件，如支架、堵头板、天沟板、挡水板、檐口板、安装固定螺栓及下挂吊夹具等应有出厂证明和符合设计要求或符合相关规定。
2.压型钢板拱型构件的制作
2.1制作前应根据原设计中圆弧拱的几何参数（圆弧半径、跨度、拱高等）计算出压型钢板的长及压型直板的长度，根据滚压折皱产生的延伸和缩减经验值确定下料定出长度。
2.2按照设计、建设方的要求和供货的产品标准检查进场钢带的颜色、规格、尺寸、重量等。检查质量证明书与包装标签内容是否一致，若发现产品有暇庇应及时采取措施，或裁剪或退换。
2.3压型直板及拱板单件采用美国生产的MIC-240型ABM车载式移动建造机组成型。轧制前根据板带的实测厚度和宽度调整轧辊间隙和宽度。根据拱板起拱度调整弯板机。成批轧制前应进行工艺性试验。
2.4压型板的截面形状及尺寸

如右图示
  

2.5每个直板、拱板轧制后，应逐件检查构件的尺寸和涂层有无损伤，允许偏差见下表：

项目		公称尺寸mm	允许偏差mm
压型直板	波高	203	±2.0
	波距	620	＋5、－2.0
	板长	根据设计确定的定长	±7.0
	侧弯		10.0
	横向剪切偏差		3.0
压型拱板			2.0

轧制后的板材表面用10倍放大镜观察，不允许有裂纹存在，不得有涂层脱落。
3.构件的堆放运输
3.1直板或拱板的压制应尽量靠近吊装区。
3.2制成品应堆放在经过抄平的木支架上，减少堆放变形和搬运时构件与支架摩擦产生的损坏。
3.3搬运时一般以25Kg/人的承载力确定每块板的搬运人数，通常不超过4人，搬运时应步调一致，防止扭曲变形。也可利用现场机械采用支架法多片翻驳。
4.直板或拱板的咬拼连接
4.1压型板单件之间连接采用机组配套的封口咬合机咬口拼接。制作过程中采用二次咬口拼接。第一次是将三个单件搬到吊装场地平放竖迭，两两咬拼三个构件为一整体的吊装单元;第二次是将二个吊装单元吊装就位后，将二个吊装单元构件按缝咬拼。
4.2咬拼前将构件在接缝处就位，调整接缝吻合和两端平齐，卡上固定卡钳（间距≤2m），在摆放封口机的一端先用手板钳咬口10cm，后用封口机连续连接咬口。
4.3咬口时注意将需安装吊挂件的位置预先准确标划，将吊挂件准确就位。吊挂件应规格尺寸一致，安装后挂件竖直成排，挂件在一条直线上。
5.屋盖安装
5.1吊装机械的选择应根据现场实际情况，按照施工组织设计或施工方案，可以利用现场已有的塔吊、高吊，也可另行布设汽吊。
5.2吊装工具采用机组配套的滑轮横吊梁和专用卡具。横梁的长度、吊点位置、吊点个数、穿索型式应根据结构的跨度确定，以保证吊装过程中稳定不变形。
5.3吊装前应对建筑物的定位轴线，支座中心线、标高等进行检查复核，要求办理好现场交接手续。支座验收标准同土建标准。
5.4吊装顺序应以建筑的一端开始，向另一端延伸。开始安装的二个吊装单元为基准构件，应采采经纬仪校正，防止累积误差。
5.5吊装构件就位咬口后方可卸除吊装卡具。
5.6构件咬口连接后，立即在支座预埋件上钻孔，拱脚与预埋件通过螺栓拧紧。
5.7所有构件吊装完毕并与支座连接可靠后，对所有螺栓复拧
6、工程验收
6.1压型钢板拱型屋盖结构的工程验收应在现场吊装全部完成后进行。
6.2工程验收应在建设方、设计方、监理方、施工方（总包、专业分包）共同参与下进行。
6.3工程经现场实物验收后，施工单位尚应提供如下完整资料方可认为工作完成。竣工图，制作、安装过程中形成的工程技术文件，材料、构件质保书或质量证明，试验、复试报告，隐蔽工程验收记录，技术复核记录，质量核查、安装检测记录和评定资料等。
6.4工程监理应据实独立作出质量评估报告。
三、对大跨度压型钢板拱形屋盖体系一点体会
1.大跨度压型钢板拱形屋盖体系除了具有一般钢结构和轻型钢结构的强度高、自重轻、抗震性能好、专业标准化生产、质量容易保证和工业化程度高等优点外，其结构更简捷、构造更轻巧、工艺更简单，效率更高，优势更明显。
2.大跨度压型钢板拱形屋盖体系相对于其它结构另一优势是造价省、维保费用低、施工速度快、环境条件要求低、无污染。张江高科四标二期厂房屋盖通过招标、投标比较分析，采用传统工艺的比采用拱板的贵50～70％。
3.大跨度压型钢板拱形屋盖体系造型新颖、美观实用、可用于矿山、机场机库、又可用于车间，还可用于公共体育场馆设施。
4.作为大跨度压型钢板拱型屋盖体系本身尚需在槽形深浅、折皱成拱、矢高及材料本身厚薄与提高跨度等方面形成新的系列和突破，并不局限于此。
5.大跨度压型钢板拱型屋盖体系进入上海及周边地区时间不长、使用不多，除了大家对它不了解外，还存在这样那样的担心，这就更需要向外界广为推展，让建筑师、结构师、建设方、施工方多了解它，多研究他。