大跨度金屬屋面風(fēng)荷載特性

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510000)

引言

風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，由于風(fēng)災(zāi)發(fā)生頻繁且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，所產(chǎn)生的災(zāi)害相對(duì)于其他自然災(zāi)害較大。大跨屋蓋發(fā)展于20世紀(jì)70年代的歐洲及北美等地區(qū)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，如高鐵火車站、體育場(chǎng)館、工業(yè)廠房等。此類結(jié)構(gòu)抵御強(qiáng)風(fēng)作用的能力關(guān)系到建筑屋面系統(tǒng)的安全性，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響重大。

一、低矮房屋屋面的風(fēng)壓分布特征

現(xiàn)階段，關(guān)于低矮房屋屋面抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)壓取值，主要依照GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的建議。20世紀(jì)70年代中期,Davenport等[1]開(kāi)始了風(fēng)荷載特性的研究，Surry等[2]在風(fēng)荷載特性研究上取得進(jìn)展。在此之后，大量對(duì)低矮房屋風(fēng)荷載特性的研究得到開(kāi)展，主要包括對(duì)平屋面[5]、單坡屋面[6]、雙坡屋面[7]、四坡屋面[8]等屋面的平面大小，高度以及其他想關(guān)因素對(duì)低矮房屋風(fēng)荷載的影響，通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果[9]，建立低矮房屋的氣動(dòng)荷載數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。文獻(xiàn)[10]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究跨度為60、120、180m，高度為5、7.5、10m等一系列平屋面的風(fēng)壓分布特征，并與相關(guān)規(guī)范建議進(jìn)行比較，結(jié)果表明，屋面高度是影響屋面風(fēng)壓系數(shù)值的關(guān)鍵因素。

二、大跨屋蓋的抗風(fēng)承載力

關(guān)于大跨度屋蓋抗風(fēng)承載力的研究，主要采用物理試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬以及理論分析。物理試驗(yàn)是屋面抗風(fēng)承載力研究的主要方法，試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，是屋面抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在得到物理試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，可以采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行參數(shù)分析，并研究屋面板的破壞規(guī)律以及進(jìn)一步分析總結(jié)屋面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

文獻(xiàn)[11]中采用物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同類型自攻螺釘固定的屋蓋金屬板進(jìn)行研究。結(jié)果表明，屋面的風(fēng)致破壞是由于局部失效所致，且通常是屋面板中心螺釘附近應(yīng)力最大的部位易率先發(fā)生破壞。

文獻(xiàn)[12]通過(guò)試驗(yàn)建立了屋面板的開(kāi)裂準(zhǔn)則，(即當(dāng)屋面板的膜應(yīng)變大于螺孔周圍最大的表面拉伸應(yīng)變的60%時(shí)，或者當(dāng)螺孔周圍最大的表面拉伸應(yīng)變大于材料單軸拉伸試驗(yàn)的開(kāi)裂應(yīng)變時(shí)，屋面板即開(kāi)裂破壞)。

文獻(xiàn)[13]中將剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)和有限元分析結(jié)合，綜合考慮屋面體系固定支座受力的實(shí)際影響范圍和屋面脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性，提出固定支座處有效受風(fēng)承載面積的計(jì)算方法。

文獻(xiàn)[14]對(duì)比了縮尺和足尺TTU標(biāo)準(zhǔn)模型的風(fēng)壓分布特征，結(jié)果表明通過(guò)縮尺模型得到的屋面邊緣區(qū)域和角落區(qū)域的最大極值風(fēng)荷載要比通過(guò)足尺模型獲得的小。

三、大跨屋蓋的疲勞特性

大跨屋蓋在隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。風(fēng)災(zāi)調(diào)查顯示，大跨屋蓋的風(fēng)致破壞一方面是由于屋面的抗風(fēng)承載力不足，另一方面則是由于屋面板在循環(huán)風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生疲勞損傷。

文獻(xiàn)[15]中根據(jù)持續(xù)5h熱帶氣旋過(guò)程的風(fēng)速風(fēng)向特性和具體屋面模型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究波紋狀金屬屋面在熱帶氣旋下疲勞損傷特性以及屋面損傷對(duì)最大極值風(fēng)速的敏感性。結(jié)果表明，適當(dāng)降低作用在屋面上的風(fēng)壓值，可以顯著降低屋面的損傷程度。

文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果顯示，屋面板的疲勞特性與屋面板的形狀密切相關(guān)，同時(shí)加載順序?qū)ζ诶鄯e損傷有一定的影響。因此，線性疲勞累積損傷理論無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算屋面板的疲勞累積損傷。

文獻(xiàn)[17]認(rèn)為低矮房屋在強(qiáng)風(fēng)作用下的主要破壞部位是屋面區(qū)域，且破壞主要是由于屋面板與檀條間的連接失效所致，在風(fēng)荷載作用下，屋面板往往會(huì)由于連接部位的強(qiáng)度不足或者風(fēng)致疲勞而破壞。

四、結(jié)論與展望

1.現(xiàn)有規(guī)范的屋面風(fēng)荷載主要來(lái)自于對(duì)跨度較小的低矮房屋的試驗(yàn)結(jié)果，跨度不同的低層房屋的風(fēng)荷載會(huì)存在不同程度的差異，對(duì)于大跨度屋蓋的風(fēng)壓分布需要進(jìn)一步細(xì)致試驗(yàn)研究。

2.研究不同類型金屬屋面的抗風(fēng)承載能力，提高數(shù)值模擬方法的精度并通過(guò)物理試驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)行規(guī)模性的參數(shù)分析，進(jìn)一步總結(jié)金屬屋面抗風(fēng)承載力的一般規(guī)律，提出提高屋面抗風(fēng)承載能力的建議。

3.建立考慮風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布模型的實(shí)際建筑金屬屋面板在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的損傷累積估計(jì)方法，進(jìn)一步研究屋面最大極值負(fù)壓對(duì)屋面累積損傷的敏感性。