雪載荷下的鋼結(jié)構(gòu)屋頂可靠性分析

張衛(wèi)華

摘 要：本文研究分析了極端雪荷載下鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)目煽啃裕紫葘︿摻Y(jié)構(gòu)屋頂進(jìn)行了分析，得出了由空腹式鋼托梁構(gòu)成的屋頂跨度與應(yīng)力的關(guān)系，給出了寬翼緣型鋼構(gòu)成空腹式鋼托梁屋頂參數(shù)。其次根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)屋頂與雪載荷的隨機(jī)分布參數(shù)，給出了鋼結(jié)構(gòu)屋頂計(jì)算的極限狀態(tài)函數(shù)，該函數(shù)是一個隱式函數(shù)，采用蒙特卡羅方法計(jì)算出了鋼結(jié)構(gòu)屋頂在考慮自重與雪載荷下的可靠性指標(biāo)。最后，由所計(jì)算得到的鋼屋頂結(jié)構(gòu)的可靠度，對鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)目煽啃耘c安全運(yùn)行給出了合理建議。

關(guān)鍵詞：雪載荷;鋼結(jié)構(gòu);屋頂;可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.094

1 引言

大跨度鋼構(gòu)屋頂目前在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于各類場合如：火車站，機(jī)場，倉庫等地方。文獻(xiàn)[1]對于鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)，承受的重量進(jìn)行了研究，給出了鋼結(jié)構(gòu)屋頂設(shè)計(jì)最少參數(shù)與注意事項(xiàng)。以武漢游泳館屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為工程背景，對其安全預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究。及時告知用戶，對該屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的積雪厚度進(jìn)行安全預(yù)警。在雪荷載下鋼屋頂結(jié)構(gòu)的倒塌可能會損害建筑物居住者，損害建筑物，設(shè)備或商品損失，增加維修費(fèi)用等造成的后果難以計(jì)算，本文對于由開式腹板鋼托梁支撐的鋼屋頂?shù)目煽啃赃M(jìn)行了分析，考慮了雪和雪的不確定性，通過蒙特卡羅模擬鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)撵o載荷和容量，得到剛屋頂結(jié)構(gòu)可靠性分析結(jié)果，最后通過個算例說明本文方法的可行性與有效性。

2 鋼結(jié)構(gòu)屋頂

預(yù)先制成的空腹式鋼托梁是鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)闹饕怯伤椒胖脙筛旒芰簶?gòu)成的上弦，下弦與中間桁架構(gòu)成豎腹桿構(gòu)成的鋼網(wǎng)組成的。該鋼托梁的上下弦由寬翼緣型鋼構(gòu)成，寬翼緣型鋼屬于H型鋼。該鋼材形狀的特點(diǎn)是翼緣寬度大于或等于腹板高度。一般的鋼結(jié)構(gòu)屋頂以寬翼緣作為梁，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是型鋼的截面模數(shù)、慣性矩及相應(yīng)的強(qiáng)度均明顯優(yōu)于同樣單重的普通工字鋼。不論是承受彎曲力矩、壓力負(fù)荷、偏心負(fù)荷都具有比其他型鋼優(yōu)越性能，承載能力較大，構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)屋頂比其他型鋼構(gòu)成的屋頂重量減輕10%～40%。而且寬翼緣型鋼具有翼緣寬、腹板薄、規(guī)格多，因而在制造鋼結(jié)構(gòu)屋頂時具有拼接靈活，造型美觀的優(yōu)點(diǎn)。另外由于其翼緣內(nèi)外側(cè)平行，緣端呈直角，便于拼裝組合成各種構(gòu)件，從而可節(jié)約焊接、鉚接工作量25%左右，能大大加快工程的建設(shè)速度，縮短工期。空腹式鋼托梁構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)屋頂是由若干橫豎的梁構(gòu)成的方形或者矩形網(wǎng)格上面鋪上蒙皮建設(shè)成為遮風(fēng)擋雨的屋頂。

3 雪載荷下屋頂可靠性分析

設(shè)鋼結(jié)構(gòu)屋頂自重為B，其對應(yīng)的應(yīng)力為b，雪載荷為X，其對應(yīng)的應(yīng)力為x，屋頂?shù)某惺軜O限載荷為W，其對應(yīng)強(qiáng)度為w，屋頂可靠性指標(biāo)為β，以上量均為隨機(jī)變量，由可靠性定義，則有鋼結(jié)構(gòu)屋頂極限狀態(tài)方程為：

L=W-B-X（1）

如果L>0，則說明鋼結(jié)構(gòu)屋頂安全，否則鋼結(jié)構(gòu)屋頂失效。

（1）式是一個隱函數(shù)，可用蒙特卡羅方法進(jìn)行計(jì)算。

屋頂自重和雪載荷的概率分布如表1所示：

空腹式鋼托梁隨機(jī)分布參數(shù)如表2所示：

式（1）是一個隱函數(shù)，根據(jù)表1、表2，可用蒙特卡羅方法進(jìn)行計(jì)算其可靠性指標(biāo)為1.45，反查正態(tài)函數(shù)分布表可得鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)目煽慷葹?.9265。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，該鋼結(jié)構(gòu)屋頂在服役期內(nèi)可靠性是比較高的，但遇到極端天氣時，就要安排人員及時清理積雪，對屋頂進(jìn)行維護(hù)。

4 結(jié)束語

另外，本分析方法在應(yīng)用時應(yīng)充分考慮氣候和地質(zhì)分布的差異，年最大雪荷載對可靠性的分析產(chǎn)生影響較大，同時改變屋頂?shù)奈锢硖匦詫煽啃灾笜?biāo)影響不大。其次，鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)目煽啃耘c維護(hù)性之間有很強(qiáng)的相互關(guān)系。最后對于在考慮的建筑物中，設(shè)計(jì)撓度極限導(dǎo)致了更大的截面尺寸，從而產(chǎn)生了相當(dāng)大的改進(jìn)安全性，可維護(hù)性，提高可靠性指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]方永鋒，陳建軍，馬洪波.共同隨機(jī)載荷下結(jié)構(gòu)動態(tài)可靠性分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2016，33（02）：345-351+379.

[2]Geis J，Strobel K，Liel A.Snow-induced building failures[J].J Perform Constr Facil，2012（26）：377-388.

[3]FAng Y，TAo W，Tee KF.A new computational method for structural reliability with big data[J].eksploatacja i niezawodnosc– Maintenance and Reliability 2019，21（01）：159-163.

[4]方永鋒，陳建軍.結(jié)構(gòu)模糊參數(shù)的帝國競爭算法可靠性計(jì)算[J].力學(xué)季刊，2017，38（02）：311-317.