分析復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性及抗風(fēng)設(shè)計(jì)

陳 晨

（長(zhǎng)春科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130600）

經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，使人們對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)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(fēng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低了建筑目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)效率。為此，工程建設(shè)者應(yīng)從實(shí)踐角度出發(fā)，即在明確抗風(fēng)設(shè)計(jì)局限的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)荷載特性進(jìn)行分析，以提高抗風(fēng)設(shè)計(jì)策略的有效性。

1 研究復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性及抗風(fēng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

當(dāng)前階段，對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)建造來(lái)說(shuō)，會(huì)受到風(fēng)荷載特性的影響，而降低抗風(fēng)設(shè)計(jì)的科學(xué)有效性。再加上，經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，使人們對(duì)建筑物建設(shè)使用的美觀性需求越來(lái)越高。此工程建設(shè)背景下，就在很大程度上增加了復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作量，即需綜合考慮多方面因素來(lái)強(qiáng)化屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。為提高復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)當(dāng)前已建工程的屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，即在明確抗風(fēng)設(shè)計(jì)局限問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)荷載特性的影響從而控制實(shí)踐高效的抗風(fēng)設(shè)計(jì)策略。

2 復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)局限

研究表明，復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)在風(fēng)荷載的作用下，需要對(duì)基本風(fēng)壓值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定建筑物建設(shè)使用的抗風(fēng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段，復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)有相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量效果控制，但抗風(fēng)設(shè)計(jì)的分析還處在單一的抗風(fēng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)上。而且，屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)還會(huì)受到不斷變化的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，而降低抗風(fēng)設(shè)計(jì)的效果。這里的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化是指，因風(fēng)荷載影響下大跨徑與輕型化的屋蓋空間結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)大幅度的變形，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。而現(xiàn)有的風(fēng)荷載穩(wěn)定分析能涉及結(jié)構(gòu)變形因素的影響，這就使復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)忽略了初應(yīng)力與變形工作中的高階量作用。故相關(guān)建設(shè)者應(yīng)結(jié)合風(fēng)荷載特性，對(duì)復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)采取具有針對(duì)性與適用性的抗風(fēng)設(shè)計(jì)策略。

3 基于風(fēng)荷載特性控制的復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)策略

（1）風(fēng)荷載特性。由于復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布特性，會(huì)因其本身的建筑外形與所處環(huán)境的差異而發(fā)生變化，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的方式，來(lái)確定屋蓋結(jié)構(gòu)所處的風(fēng)荷載環(huán)境特性。以風(fēng)荷載特性中的風(fēng)致振動(dòng)為例，當(dāng)復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)受該類風(fēng)荷載特性分布影響，抗風(fēng)設(shè)計(jì)將面臨結(jié)構(gòu)自振特性、自然風(fēng)特性以及風(fēng)與結(jié)構(gòu)耦合等作用因素。從風(fēng)振形式來(lái)看，主要分為三類：①由大氣紊流導(dǎo)致的抖振，其實(shí)是在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下以隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)強(qiáng)迫存在的；于渦激共振是指，在平均風(fēng)的作用下，結(jié)構(gòu)周邊出現(xiàn)了漩渦脫落的問(wèn)題，且當(dāng)漩渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)基頻相近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振；③顫振與馳振，當(dāng)風(fēng)荷載在臨界風(fēng)速作用下，負(fù)阻尼效應(yīng)會(huì)使結(jié)構(gòu)從周邊氣流中不斷吸取能量，最終導(dǎo)致氣動(dòng)彈性失去穩(wěn)定效果。

（2）抗風(fēng)設(shè)計(jì)策略。以三階段抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法為例，設(shè)計(jì)人員將結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施與抗風(fēng)概念進(jìn)行結(jié)合，以滿足大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)建造的風(fēng)壓可修、不壞與不倒的需求。①在第一階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用第一水準(zhǔn)的風(fēng)壓，即常遇風(fēng)壓，具體的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在彈性狀態(tài)下進(jìn)行風(fēng)荷載效應(yīng)的分析。而后，還使其與地震、重力等荷載效應(yīng)進(jìn)行組合。如此，構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)就能滿足結(jié)構(gòu)常遇風(fēng)壓環(huán)境下的強(qiáng)度要求。值得注意的是，由于此階段的結(jié)構(gòu)處于正常使用極限狀態(tài)，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將第一水準(zhǔn)作為抗風(fēng)設(shè)防目標(biāo)；于第二階段的設(shè)計(jì)，應(yīng)采用第二水準(zhǔn)風(fēng)壓，即偶遇風(fēng)壓，通過(guò)計(jì)算屋蓋結(jié)構(gòu)的變形、裂縫寬度，來(lái)將其限值控制在既定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求下。與此同時(shí)，還應(yīng)采用概念設(shè)計(jì)方法，來(lái)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)的截面尺寸與形狀，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)造措施運(yùn)用的合理性；③第三階段，則采用第三水準(zhǔn)風(fēng)壓，即罕遇風(fēng)壓，通過(guò)計(jì)算屋蓋結(jié)構(gòu)各部位的連接處強(qiáng)度，來(lái)確定結(jié)構(gòu)主體的變形與裂縫寬度影響。如此，就可使其與結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)與臨界限制保持一段距離。同時(shí)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)采取預(yù)前的臨時(shí)加固措施，來(lái)將主體結(jié)構(gòu)的彈塑性控制在安全可靠的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，應(yīng)與工程所處的風(fēng)荷載狀態(tài)進(jìn)行結(jié)合，以采用三階段抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，以控制不同風(fēng)壓條件下結(jié)構(gòu)作用的穩(wěn)定性。如此，復(fù)雜大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅滿足了建造安全可靠的需求，還提升了結(jié)構(gòu)作用的美觀效果。

［1］ 顧明，周述燚，全涌.大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)軟件平臺(tái)構(gòu)建［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（S2）：191-196.

［2］ 陳智勇，彭振斌，陳偉.考慮下部結(jié)構(gòu)支承剛度的大跨度屋蓋風(fēng)致響應(yīng)分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（4）.