大跨屋盖结构风致破坏及其加固对策.doc
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1、大跨屋盖结构风致破坏及其加固对策大跨建筑结构体系可分为屋盖结构、支承结构 (墙和柱子等)和基础1,其中,屋盖结构由于跨度大,受力复杂,容易造成风致破坏。大跨屋盖从结构体系角度可分为平面杆系结构 (包括桁架、拱等)、空间杆系结构 (包括网架结构、网壳结构等)、悬索体系 (包括单层索系等)和膜结构;根据屋盖结构的刚度大小又可分为刚性屋盖结构、非大变形屋盖结构和大变形柔性屋盖结构等3类2.大跨屋盖结构1据统计,全球每年至少产生80多个风力达8级以上的热带气旋。这些气旋导致国内外大跨屋盖结构破坏时有发生:文献 3介绍了英国一座体育馆的独立主看台悬挑钢屋盖,在风荷载作用下,由于内外风压共同作用,导致屋盖
2、石棉板被掀起;2004年,台风 “云娜”在浙江温岭登陆,温岭市体育馆主馆和副馆的顶部,被风撕开约30多平方米的口子,丽水市体育馆屋顶被掀4.近年来,受全球气候变化的影响,大跨屋盖风致灾害有进一步加剧趋势。因此,研究大跨屋盖结构风致破坏及其加固措施具有重要意义。1 大跨屋盖的风荷载及其分布1.1大跨屋盖的风荷载分布大跨屋盖结构主要承受平均风和脉动风作用,平均风可等效为静力,脉动风为动力5.大跨屋盖结构就其屋盖内表面是否直接受到风荷载作用而言,可以分为四周封闭体型和整体敞开体型4.封闭体型只需考虑上表面的风压,而敞开体型必须同时考虑上下表面风荷载,并以其合力作为设计荷载。封闭体型和敞开体型大跨屋盖
3、结构的风荷载分布特征不同,由此造成的屋盖破坏特征也不同。1.2封闭体型大跨屋盖结构的风荷载特征平屋面是封闭体型大跨屋盖结构中最基本的形式,对于平屋面,当风遇到其尖锐的屋面棱角时,会产生流动分离,分离层形成离散的旋涡。在旋涡中存在很大的逆压梯度,导致在气流分离处出现极大负风压。当风向同分离线垂直时,会沿着分离线形成一个柱状涡4(见图1)。当风倾斜的吹向分离线时,会形成2个锥形涡 (见图2)。在柱状涡和锥形涡的作用下,迎风边缘会存在极大的负风压;而在其他区域由于尾流作用,风压较小。因此,一般屋面板的破坏均发生于此。1.3敞开体型大跨屋盖结构的风荷载特征悬挑屋盖是敞开体型大跨屋盖结构中比较常见的结构
4、,而平看台挑蓬为该类结构的最基本形式,对于平看台挑蓬而言,当风向垂直于分离线时,由于分离作用会形成柱状涡4(见图3),产生很大的负风压。而屋盖下表面受看台的影响抑制了气流分离,主要受压力作用。将上、下表面的力进行叠加可得到一个向上的升力。当来流倾斜吹向屋面边缘时,在迎风拐角处会形成极大的负压区,形成2个锥形涡(见图4).总之,一般情况下,敞开体型的大跨屋盖受到叠加向上的吸力。2 大跨屋盖结构的风致破坏机理大跨度屋盖结构在风荷载的作用下,造成破坏的原因一般有以下3个方面6.2.1流动分离当风遇到其尖锐的屋面棱角时,往往会产生流动分离,从而形成漩涡,而漩涡会产生很大的负压。从各种形式的屋面风压分布
5、可以看出,凡是负压特别高的部位,总是伴有流动分离现象出现。特别是在屋檐、屋面边缘和转角等几何外形突变的部位,常产生流动分离与分离再附。从以往的风灾调查可以发现,由于屋面几何外形的突变而引起的流动分离是导致屋面破坏的最普遍原因6.2.2内外压力共同作用体育场等敞开式屋盖结构,其上下表面都受到风压作用,且一般情况下,净风压 (上下表面的风压差)都大于上表面风压6,所以只考虑上表面风压的设计偏于不安全。需要注意的是,在某种特殊的风向下,屋盖的某些部位上下表面的风压会形成一致,压力系数及体型系数均大于平时状态,使得结构的受力状况发生大的变化,也容易造成屋盖的破坏。为了避免类似的破坏发生,在屋面的风压计
6、算时,应同时考虑上下表面风压值叠加6.2.3屋面结构在风荷载作用下的动力效应大型屋面结构自振周期与风速的卓越周期较为接近,且屋面结构大都具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点,因此在风荷载作用下易发生风致振动破坏。屋面的柔性可降低其Helmholtz频率,同时引起较小的附加阻尼7,8,这样内压紊流易产生Helmholtz共振。而附加阻尼不足以显着降低振动响应。文献 9指出,当在台风中,门窗破坏突然开孔时,室内内压突然增大。在风荷载的作用下容易产生共振,从而引起屋面的破坏。在我国台湾等地区,屋面结构常发生共振破坏。3大跨屋盖结构的风致破坏类型=大跨网架屋盖结构是大跨屋盖中应用最广、发展最快的形式之一。
7、所谓大跨网架屋盖结构,就是指由许多杆件按照一定规律布置通过节点连接而成的网格状结构体系。考虑到大跨网架屋盖结构在实际工程中出现得比较多,这里主要以体育场馆中最常用的大跨网架屋盖结构为例,来分析大跨屋盖结构的风致破坏类型及对应的加固措施。屋盖结构是覆盖大空间且直接承担屋面荷载的结构1.屋盖结构破坏包括屋面板破坏和承重结构破坏。对于大跨网架屋盖而言,屋面板一般为金属屋面板,承重结构为网架等结构。那么大跨网架屋盖的破坏就可分为屋面板破坏和网架结构破坏。而网架结构破坏又分为杆件破坏和节点破坏。其中常见的节点又分为焊接空心球节点、螺栓球节点和支座节点。4 大跨屋盖结构风致破坏后的加固措施4.1大跨屋盖的
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