分析復雜大跨度屋蓋結構的風荷載特性及抗風設計

陳 晨

（長春科技學院，吉林 長春 130600）

經濟水平的不斷提升，使人們對大跨度屋蓋結構工程的建設效果不僅僅停留在安全可靠，還要具備一定的美觀效果。而抗風設計的復雜性，降低了建筑目標的實現效率。為此，工程建設者應從實踐角度出發，即在明確抗風設計局限的基礎上對風荷載特性進行分析，以提高抗風設計策略的有效性。

1 研究復雜大跨度屋蓋結構風荷載特性及抗風設計的現實意義

當前階段，對于大跨度屋蓋結構建造來說，會受到風荷載特性的影響，而降低抗風設計的科學有效性。再加上，經濟水平的不斷提升，使人們對建筑物建設使用的美觀性需求越來越高。此工程建設背景下，就在很大程度上增加了復雜大跨度屋蓋結構設計工作量，即需綜合考慮多方面因素來強化屋蓋結構設計合理性。為提高復雜大跨度屋蓋結構設計的有效性，相關人員應對當前已建工程的屋蓋結構抗風設計情況進行分析，即在明確抗風設計局限問題的基礎上，結合風荷載特性的影響從而控制實踐高效的抗風設計策略。

2 復雜大跨度屋蓋結構的抗風設計局限

研究表明，復雜大跨度屋蓋結構的抗風設計在風荷載的作用下，需要對基本風壓值進行計算，進而確定建筑物建設使用的抗風設防標準。現階段，復雜大跨度屋蓋結構的抗震設計已經有相關的規范標準進行質量效果控制，但抗風設計的分析還處在單一的抗風設防標準上。而且，屋蓋結構的抗風設計還會受到不斷變化的結構參數影響，而降低抗風設計的效果。這里的結構參數變化是指，因風荷載影響下大跨徑與輕型化的屋蓋空間結構會出現大幅度的變形，進而導致結構失穩。而現有的風荷載穩定分析能涉及結構變形因素的影響，這就使復雜大跨度屋蓋結構的抗風設計忽略了初應力與變形工作中的高階量作用。故相關建設者應結合風荷載特性，對復雜大跨度屋蓋結構采取具有針對性與適用性的抗風設計策略。

3 基于風荷載特性控制的復雜大跨度屋蓋結構抗風設計策略

（1）風荷載特性。由于復雜大跨度屋蓋結構的風荷載分布特性，會因其本身的建筑外形與所處環境的差異而發生變化，因此，設計人員應采用風洞試驗、數值模擬以及現場實際測量的方式，來確定屋蓋結構所處的風荷載環境特性。以風荷載特性中的風致振動為例，當復雜大跨度屋蓋結構受該類風荷載特性分布影響，抗風設計將面臨結構自振特性、自然風特性以及風與結構耦合等作用因素。從風振形式來看，主要分為三類：①由大氣紊流導致的抖振，其實是在脈動風荷載作用下以隨機振動狀態強迫存在的；于渦激共振是指，在平均風的作用下，結構周邊出現了漩渦脫落的問題，且當漩渦脫落的頻率與結構基頻相近時，就會發生共振；③顫振與馳振，當風荷載在臨界風速作用下，負阻尼效應會使結構從周邊氣流中不斷吸取能量，最終導致氣動彈性失去穩定效果。

（2）抗風設計策略。以三階段抗風設計方法為例，設計人員將結構構造措施與抗風概念進行結合，以滿足大跨度屋蓋結構建造的風壓可修、不壞與不倒的需求。①在第一階段，設計人員應采用第一水準的風壓，即常遇風壓，具體的結構計算應在彈性狀態下進行風荷載效應的分析。而后，還使其與地震、重力等荷載效應進行組合。如此，構件截面的設計就能滿足結構常遇風壓環境下的強度要求。值得注意的是，由于此階段的結構處于正常使用極限狀態，因此，設計人員應將第一水準作為抗風設防目標；于第二階段的設計，應采用第二水準風壓，即偶遇風壓，通過計算屋蓋結構的變形、裂縫寬度，來將其限值控制在既定的規范標準要求下。與此同時，還應采用概念設計方法，來優化控制結構的截面尺寸與形狀，進而確定結構布置與構造措施運用的合理性；③第三階段，則采用第三水準風壓，即罕遇風壓，通過計算屋蓋結構各部位的連接處強度，來確定結構主體的變形與裂縫寬度影響。如此，就可使其與結構倒塌時與臨界限制保持一段距離。同時，抗風設計人員還應對結構采取預前的臨時加固措施，來將主體結構的彈塑性控制在安全可靠的范圍內。

4 結語

綜上所述，大跨度屋蓋結構的抗風設計，應與工程所處的風荷載狀態進行結合，以采用三階段抗風設計方法，以控制不同風壓條件下結構作用的穩定性。如此，復雜大跨度屋蓋結構的設計不僅滿足了建造安全可靠的需求，還提升了結構作用的美觀效果。

［1］ 顧明，周述燚，全涌.大跨度屋蓋結構抗風軟件平臺構建［J］.建筑結構，2016，46（S2）：191-196.

［2］ 陳智勇，彭振斌，陳偉.考慮下部結構支承剛度的大跨度屋蓋風致響應分析［J］.中南大學學報（自然科學版），2015，46（4）.