大跨屋盖结构风致破坏及其加固对策

大跨屋盖结构风致破坏及其加固对策
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大跨建筑结构体系可分为屋盖结构、支承结构和基础[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、空间杆系结构、悬索体系和膜结构;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,导致屋盖石棉板被掀起;XX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。
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。
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]。当风倾斜的吹向分离线时,会形成2个锥形涡。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。
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,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],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.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。
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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].
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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].
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,在屋面的风压计算时,应同时考虑上下表面风压值叠加[6].
旧衣服加工设备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Helmho ltz频率,同时引起较小的附加阻尼[7,8],这样内压紊流易产生Helmholt z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。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臵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。
快速厌氧胶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。
大跨屋盖的承重结构加固
大跨屋盖的承重结构加固分为杆件加固和节点加固。
屋盖各杆件破坏的加固
1)FRP加固法F RP加固按纤维材料的不同,可分为玻璃纤维材料、碳纤维材料和阿拉米德材料[10].其中碳纤维材料使用最广。碳纤维加固法是将碳纤维用粘贴剂浸渍后叠合在构件受力部位,使之成一整体,来降低构件应力。这种方法不仅可以提高结构构件的承载力,还能减少构件的变形和控制结构裂缝扩大。文献[11]中钢屋架对构件的加固就归纳了这种方法。该方法普遍适用于房屋建筑和一般构筑物中承受静力作用的一般受弯及受拉构件。缺点是需要做专门的防火处理。
2)粘钢加固法粘钢加固法,是指把薄钢板用胶粘剂粘贴在结构表面,使薄钢板与钢管协同工作的一种加固方法。在保证不脱胶的情况下,胶层不仅增大了试件的截面和构件的抗弯刚度,同时也提高了试件的稳定承载力[12].该方法简便、快速,且不影响结构外形及使用空间,在国际上广泛应用于建筑、公路桥梁的加固中。缺点是对施工工艺要求较高,一般应由专业队伍施工。
3)套管加固法套管加固法就是在原钢管外再套钢管,让原有的压杆当作内管来承担全部轴力,外包构件来抑制内管的侧向弯曲、约束内管的横向变形和防止内管在压力作用下发生屈曲。文献[13]中网架屋盖结构改造中,对杆件的加固方法就是采用的套管加固法。这种方法可以在基

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