大跨度金屬屋面風荷載特性

(廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 510000)

引言

風災是自然災害的主要災種之一，由于風災發(fā)生頻繁且持續(xù)時間較長，所產(chǎn)生的災害相對于其他自然災害較大。大跨屋蓋發(fā)展于20世紀70年代的歐洲及北美等地區(qū)，經(jīng)過多年發(fā)展，已廣泛應用于各種行業(yè)，如高鐵火車站、體育場館、工業(yè)廠房等。此類結構抵御強風作用的能力關系到建筑屋面系統(tǒng)的安全性，對結構的安全影響重大。

一、低矮房屋屋面的風壓分布特征

現(xiàn)階段，關于低矮房屋屋面抗風設計的風壓取值，主要依照GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》中的建議。20世紀70年代中期,Davenport等[1]開始了風荷載特性的研究，Surry等[2]在風荷載特性研究上取得進展。在此之后，大量對低矮房屋風荷載特性的研究得到開展，主要包括對平屋面[5]、單坡屋面[6]、雙坡屋面[7]、四坡屋面[8]等屋面的平面大小，高度以及其他想關因素對低矮房屋風荷載的影響，通過模型試驗對比實測結果[9]，建立低矮房屋的氣動荷載數(shù)據(jù)庫[5]。文獻[10]通過風洞試驗研究跨度為60、120、180m，高度為5、7.5、10m等一系列平屋面的風壓分布特征，并與相關規(guī)范建議進行比較，結果表明，屋面高度是影響屋面風壓系數(shù)值的關鍵因素。

二、大跨屋蓋的抗風承載力

關于大跨度屋蓋抗風承載力的研究，主要采用物理試驗、有限元數(shù)值模擬以及理論分析。物理試驗是屋面抗風承載力研究的主要方法，試驗結果可以驗證數(shù)值模擬結果的準確性，是屋面抗風設計的主要依據(jù)。在得到物理試驗驗證的基礎上，可以采用數(shù)值模擬方法進行參數(shù)分析，并研究屋面板的破壞規(guī)律以及進一步分析總結屋面的設計準則。

文獻[11]中采用物理試驗和數(shù)值模擬的方法，對不同類型自攻螺釘固定的屋蓋金屬板進行研究。結果表明，屋面的風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力最大的部位易率先發(fā)生破壞。

文獻[12]通過試驗建立了屋面板的開裂準則，(即當屋面板的膜應變大于螺孔周圍最大的表面拉伸應變的60%時，或者當螺孔周圍最大的表面拉伸應變大于材料單軸拉伸試驗的開裂應變時，屋面板即開裂破壞)。

文獻[13]中將剛性模型風洞試驗和有限元分析結合，綜合考慮屋面體系固定支座受力的實際影響范圍和屋面脈動風的空間相關性，提出固定支座處有效受風承載面積的計算方法。

文獻[14]對比了縮尺和足尺TTU標準模型的風壓分布特征，結果表明通過縮尺模型得到的屋面邊緣區(qū)域和角落區(qū)域的最大極值風荷載要比通過足尺模型獲得的小。

三、大跨屋蓋的疲勞特性

大跨屋蓋在隨機脈動風荷載作用下會產(chǎn)生疲勞破壞。風災調(diào)查顯示，大跨屋蓋的風致破壞一方面是由于屋面的抗風承載力不足，另一方面則是由于屋面板在循環(huán)風荷載作用下產(chǎn)生疲勞損傷。

文獻[15]中根據(jù)持續(xù)5h熱帶氣旋過程的風速風向特性和具體屋面模型的風洞試驗數(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最大極值風速的敏感性。結果表明，適當降低作用在屋面上的風壓值，可以顯著降低屋面的損傷程度。

文獻[16]的研究結果顯示，屋面板的疲勞特性與屋面板的形狀密切相關，同時加載順序?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法準確計算屋面板的疲勞累積損傷。

文獻[17]認為低矮房屋在強風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，在風荷載作用下，屋面板往往會由于連接部位的強度不足或者風致疲勞而破壞。

四、結論與展望

1.現(xiàn)有規(guī)范的屋面風荷載主要來自于對跨度較小的低矮房屋的試驗結果，跨度不同的低層房屋的風荷載會存在不同程度的差異，對于大跨度屋蓋的風壓分布需要進一步細致試驗研究。

2.研究不同類型金屬屋面的抗風承載能力，提高數(shù)值模擬方法的精度并通過物理試驗的對比驗證，進行規(guī)模性的參數(shù)分析，進一步總結金屬屋面抗風承載力的一般規(guī)律，提出提高屋面抗風承載能力的建議。

3.建立考慮風速風向聯(lián)合分布模型的實際建筑金屬屋面板在設計壽命內(nèi)的損傷累積估計方法，進一步研究屋面最大極值負壓對屋面累積損傷的敏感性。