不均勻分布雪荷載作用下門式剛架穩(wěn)定性分析

徐井良，李方慧

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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不均勻分布雪荷載作用下門式剛架穩(wěn)定性分析

徐井良1,2，李方慧1

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

雪荷載為輕鋼結(jié)構(gòu)敏感荷載，在寒冷地區(qū)不均勻雪荷載是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的主要因素。本文首先對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)屋面積雪分布形態(tài)進(jìn)行實(shí)測(cè)，進(jìn)而采用大型有限元分析軟件ansys對(duì)不同形態(tài)雪荷載作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性研究。獲得以下結(jié)論：均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最大，1/2跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較小，1/4跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最小；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著屋面坡度的增加而提高；結(jié)構(gòu)初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；柱腳采用剛接比采用鉸接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大。

雪荷載；實(shí)地測(cè)量；門式剛架；穩(wěn)定性

在寒冷地區(qū)門式剛架結(jié)構(gòu)受風(fēng)雪災(zāi)害的危害較為嚴(yán)重，不均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或坍塌，如：2008年我國(guó)南部遭受大范圍的冰雪災(zāi)害，浙江北部7個(gè)廠房倒塌，圖1(a)所示；2009年11月陜西商洛市某一商場(chǎng)由于局部雪荷載過大導(dǎo)致屋蓋突然破壞，造成21人死亡，圖1(b)所示。影響屋面積雪分布形態(tài)的因素較多，不均勻雪荷載分布形態(tài)比較復(fù)雜[1-3]。目前，我國(guó)門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)屋面積雪荷載取值以及積雪分布形態(tài)的確定主要依據(jù)荷載規(guī)范(GB 5009-2012)[4]。規(guī)范中有關(guān)積雪荷載的計(jì)算條款沒有考慮空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速和風(fēng)向、熱輻射等因素對(duì)屋面積雪分布形態(tài)的影響。

圖1　雪災(zāi)中坍塌的輕鋼結(jié)構(gòu)

目前，我國(guó)尚未形成完善的雪荷載計(jì)算理論，考慮積雪分布形態(tài)影響因素不夠全面。本文主要通過對(duì)單跨雙坡門式剛架結(jié)構(gòu)屋面積雪分布形態(tài)的實(shí)測(cè)研究，明確屋面積雪不均勻分布形態(tài)進(jìn)而對(duì)不同屋面坡度門式剛架結(jié)構(gòu)在不同形態(tài)雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性展開研究。

1　屋面積雪分布形態(tài)

對(duì)單跨雙坡屋蓋表面積雪分布形態(tài)進(jìn)行實(shí)測(cè)，單跨雙坡屋蓋模型屋面尺寸為2 m×2 m，屋面坡度為30°，用木方作為支架，屋面材料采用壓型彩鋼板，屋蓋模型及模型尺寸如圖2所示。

圖2　單跨雙坡屋面模型

根據(jù)氣象資料哈爾濱冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，為了分析新降雪屋蓋迎風(fēng)面和背風(fēng)面積雪分布形態(tài)，屋面放置方位為南北朝向。圖3為單跨雙坡屋面積雪分布現(xiàn)象。降雪過程中風(fēng)速較小時(shí)屋面積雪基本呈現(xiàn)均勻分布形態(tài)，圖4(a)，降雪過程中風(fēng)速較大時(shí)屋蓋背風(fēng)面積雪分布形態(tài)較為復(fù)雜，圖4(b)。圖X/L中作為橫坐標(biāo),其中X為測(cè)量點(diǎn)到屋檐距離，L為屋面的長(zhǎng)度。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可以得出：①實(shí)測(cè)一中，在X/L=0到X/L=1范圍內(nèi)積雪分布較為均勻。②實(shí)測(cè)二中，在X/L=0到X/L=0.5范圍內(nèi)積雪分布較為均勻，從X/L=0.5到X/L=1之間積雪分布形態(tài)比較復(fù)雜，其中X/L=0.5到X/L=0.75之間積雪厚度較大，約為均勻分布積雪厚度的1.5倍。分析表明降雪過程中風(fēng)速對(duì)屋面積雪分布形態(tài)產(chǎn)生較大影響。國(guó)外學(xué)者，Taylor指出風(fēng)是影響積雪不均勻分布的主要因素，在迎風(fēng)面風(fēng)將加速向上偏轉(zhuǎn)，在背風(fēng)面風(fēng)速降低，從而導(dǎo)致積雪在背風(fēng)面沉積下來導(dǎo)致背風(fēng)面積雪厚度較大[5]。

圖3　單跨雙坡屋面積雪分布形態(tài)

圖4　屋面積雪分布實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，圖5給出了單跨雙坡屋面積雪分布形態(tài)。荷載規(guī)范中給出了屋面積雪荷載均勻分布形態(tài)和1/2跨雪荷載不均勻分布形態(tài)[6]。圖4(a)與荷載規(guī)范中給出的積雪均勻分布情況較為相近，然而，規(guī)范中未能給出1/4跨積雪荷載不均勻分布形態(tài)。由于測(cè)量次數(shù)有限在實(shí)測(cè)過程中未發(fā)現(xiàn)1/2跨雪荷載不均勻分布形態(tài)。積雪的分布形態(tài)受環(huán)境因素影響較大，在降雪過程中較容易出現(xiàn)積雪不均勻分布形態(tài)[7-9]。

圖5　積雪分布形態(tài)圖

2　門式剛架穩(wěn)定性分析

根據(jù)單跨雙坡門式剛架結(jié)構(gòu)屋面積雪分布形態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果并結(jié)合荷載規(guī)范中給出的積雪分布形態(tài)，對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)在1/4跨雪荷載、1/2跨雪荷載以及均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。

2.1計(jì)算模型選取

根據(jù)《門式剛架輕型屋面圖集》(07SG 518-3)選取剛架GJL21-1，柱子截面為H450×250×6×12，梁截面為H450×250×6×12?？缍葹?1 m，柱間距為6 m，柱頂標(biāo)高為9.3 m，根據(jù)荷載規(guī)范屋面坡度選取10°～50°。邊界條件設(shè)定為柱腳鉸接，柱與橫梁每隔2 m設(shè)置一道側(cè)向約束。有限元模型如圖6所示。

圖6　有限元模型

2.2荷載信息

對(duì)屋面坡度為10°、30°、35°、40°、45°、50°的6種不同坡度門式剛架進(jìn)行討論，當(dāng)?shù)鼗狙簽?.5 kN/m2(建設(shè)地點(diǎn)為哈爾濱，對(duì)基本雪荷載采用100 a重現(xiàn)期)，根據(jù)荷載規(guī)范選取對(duì)屋面坡度的積雪分布系數(shù)，當(dāng)?shù)鼗狙号c屋面積雪分布系數(shù)的乘積得到屋面雪荷載。本節(jié)討論6種門式剛架在3種形態(tài)雪荷載作用下結(jié)構(gòu)受力情況如表1所示。

2.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用ansys有限元軟件對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性穩(wěn)定分析。按照實(shí)際情況，先進(jìn)行線性整體穩(wěn)定性分析得到屈曲模態(tài)，以最低屈曲模態(tài)的3%作為結(jié)構(gòu)的初始缺陷。詳細(xì)分析屋面坡度、初始缺陷、柱腳約束方式對(duì)不均勻分布雪荷載作用下門式剛架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過幾何非線性屈曲分析，得到該結(jié)構(gòu)的屈曲荷載與給定荷載的比例因子，即結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)[10]。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要通過結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)來體現(xiàn)，穩(wěn)定性系數(shù)越大，證明該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好。

表1　荷載作用信息

2.3.1屋面坡度的影響

對(duì)跨度為21 m的6種坡度門式剛架結(jié)構(gòu)分別在1/4跨雪荷載、1/2跨雪荷載、均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨屋面坡度變化曲線如圖7所示。

圖7　不同屋面坡度—結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性曲線

從圖7可以看出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與積雪厚度關(guān)系并不大，與積雪的分布形態(tài)有較大關(guān)系。在1/4跨雪荷載和1/2跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨著屋面坡度的增加有較大的提高，說明屋面坡度對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大。

屋面坡度由10°增加到30°時(shí)，均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高16.4%，1/2跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高30%，1/4跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高39.3%。屋面坡度30°～45°之間結(jié)構(gòu)在不均勻雪荷載作用下穩(wěn)定性提高較大，屋面坡度大于45°時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性趨于一致，在屋面坡度為50°時(shí)兩種形態(tài)不均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相差僅為3.8%。結(jié)構(gòu)在均勻雪荷載、1/2跨雪荷載和1/4跨雪荷載作用下最大坡度屋面與最小坡度屋面穩(wěn)定性系數(shù)分別差約21.8%、69.3%、134.7%。可見，在不均勻雪荷載作用下屋面坡度對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大的影響，隨著屋面坡度的增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有較大的提高。

2.3.2初始缺陷的影響

對(duì)構(gòu)件的前期加工、運(yùn)輸以及在工程施工過程中，不可避免產(chǎn)生一定的誤差和缺陷。因而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。我國(guó)門式剛架結(jié)構(gòu)屋面坡度一般為1∶3～1∶10居多[11]。當(dāng)屋面坡度較小時(shí)，屋面積雪不均勻分布情況也存在，并且發(fā)生破壞的概率較大[12]。本節(jié)選取坡度為10°的門式剛架結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)在均勻雪荷載、1/2跨雪荷載和1/4跨雪荷載作用下，依次施加特征屈曲分析第一階模態(tài)的1%、3%、5%、7%的初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響如圖8所示。

圖8　不同初始缺陷—結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性曲線

初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。3種形態(tài)雪荷載作用下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨著初始缺陷的增加而降低，其下降幅度有所不同。所施加的不同初始缺陷中，均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高，其次是1/2跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，1/4跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差。

當(dāng)初始缺陷由1%擴(kuò)大到5%時(shí)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性基本呈線性降低。當(dāng)初始缺陷由5%擴(kuò)大到7%時(shí)，1/4跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降幅最大，均勻雪荷載和1/2跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降幅也有所增加，說明結(jié)構(gòu)初始缺陷較大時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到很大影響。在1%、3%、5%、7%不同初始缺陷影響下，1/4跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降12.5%，1/2跨雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降10.5%，均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降7.9%。以上分析表明，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)初始缺陷和屋面積雪分布形態(tài)影響較大。

2.3.3柱腳約束的影響

文獻(xiàn)[13]和[14]中指出門式剛架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接方式常采用鉸接。結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)剛接能夠提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移性能，然而柱腳采用剛接對(duì)基礎(chǔ)的要求相對(duì)較高、柱腳連接比較復(fù)雜，提高了工程造價(jià)。當(dāng)門式剛架結(jié)構(gòu)有大噸位吊車同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移要求比較嚴(yán)格時(shí)，易采用結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)剛接的連接方式。

由于6種門式剛架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化規(guī)律相同，本文只給出了屋面坡度為10°和50°時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化曲線如圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果可以得出，6種不同坡度的門式剛架結(jié)構(gòu)分別在3種形態(tài)雪荷載作用下，結(jié)構(gòu)柱腳采用剛接穩(wěn)定性較大。均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)柱腳采用兩種連接方式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相差較小，最大增加幅度當(dāng)屋面坡度為35°時(shí)為6.2%。然而，結(jié)構(gòu)在不均勻雪荷載作用下柱腳連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，其中1/2跨雪荷載和1/4跨雪荷載作用下柱腳采用剛接較鉸接最大增幅分別為12.6%和25.6%。因此可知，柱腳采用剛接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更大，尤其在不均勻雪荷載作用下柱腳采用剛接更有利于提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖9　不同柱腳約束—結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性曲線

屋面坡度對(duì)不同柱腳連接方式的門式剛架也有一定影響。屋面坡度≤10°時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受柱腳約束方式影響較小。屋面坡度為30°～40°時(shí)，1/4跨雪荷載作用下柱腳采用剛接較采用鉸接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高較大為25.6%。隨著門式剛架結(jié)構(gòu)屋面坡度的增加，柱腳的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響逐漸降低。結(jié)構(gòu)屋面坡度為50°時(shí)，1/4跨雪荷載作用下柱腳采用剛接較鉸接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性僅提高約為3.5%。以上分析數(shù)據(jù)可以得出，屋面坡度的增加有利于提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，門式剛架結(jié)構(gòu)屋面坡度較小或較大時(shí)柱腳的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小。

3　結(jié)　論

(1)門式剛架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與屋面積雪分布形態(tài)密切相關(guān)，不均勻雪荷載對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨著屋面坡度的增加有所提高，尤其在不均勻雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高更為顯著。

(2)結(jié)構(gòu)初始缺陷的存在給結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來較大的不利影響，較大的結(jié)構(gòu)初始缺陷使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大的削弱，在不均勻雪荷載作用下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)初始缺陷影響更為嚴(yán)重。

(3) 柱腳采用剛接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大于柱腳采用鉸接時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不均勻雪荷載作用下，屋面坡度為30°～40°時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受柱腳約束方式影響較大。

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The stability analysis of the portal frame under the effect of the unbalanced distribution of the Snow

XU Jingliang1,2，LI Fanghui1

(1.SchoolofHydraulic&Electric-power，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China; 2.SchoolofArchitectureEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

Snow load is sensitive to light steel structure.The unbalance distribution of the snow is the main factor leading to the collapse of the structure in the cold area.Firstly,we conducted the field measurement of characteristics of snow distributions on the roof,and then using the large-scale finite element analysis software ANSYS to research on the stability of structure under the different forms of snow load.Obtained the following conclusions：structural stability under uniform snow load maximum,structure stability under half span snow load structural stability is small,1/4 span snow load minimum；structural stability increase with the slope roof；structure stability with rigid connection column is higher than the articulated structure.

snow load；field measurement；portal frame；stability

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541602)

徐井良(1989-)，男，碩士生，主要從事防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程研究。

李方慧(1978-)，男，教授，主要從事防災(zāi)減災(zāi)研究。

TU392

A

2096-0506(2016)03-0035-06