大跨屋盖结构风致破坏及加固措施研究

[关键词]大跨屋盖:风荷载;破坏类型:加固措施

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。

1.1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，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。

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。

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 （焊接空心球节点、螺栓球节点和支座节点等节点）加固。

4.1.1屋盖各杆件破坏的加固

1）FRP加固法FRP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 （CFRP）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 （见图5）。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。这种方法可以在基本不增大构件截面尺寸的情况下提高构件承力，增大延性和刚度，适用于混凝土柱、梁、屋架和砖窗间墙以及烟囱等结构构件和构筑物的加固。缺点是加固维修费用较高，且用钢量较大。

4）预应力加固法预应力加固法是一种采用外加预应力钢拉杆 （下撑式拉杆、组合式拉杆或撑杆等），对结构进行加固的方法。预应力加固法的具体做法是利用预应力钢绞线调整网架杆件内力及应力水平，使其在受到新增风荷载时杆件的应力均在控制范围。预应力能消除或减缓后加杆件的应力滞后现象，使后加杆件有效地参与工作。这种方法是一种加固效果好而经济的加固方法，可在几乎不改变使用空间的条件下，提高结构构件的正截面及斜截面承载力，广泛用于混凝土的屋面板、钢屋架等加固。缺点是工序较复杂。

5）增替换设杆件增替换设杆件是加设檩条、支撑杆件来增加结构刚度和稳定性的加固方法。对于一些受损严重的杆件可以完全替换成新的构件。该方法施工工艺较简单，缺点是加固作用不明显。

6）改变受力体系加固法改变受力体系加固法是通过增设支点去改变结构的受力体系的一种加固方法。增设支点可以减小结构构件的计算跨度，降低计算弯矩；大幅度提高结构构件的承载力。通过增设支点来使部分杆件的内力降低，提高结构的承载力，起到杆件加固的目的，增设支点多用于大跨度结构的钢屋架加固中。缺点是较多地影响了使用。

4.1.2屋盖节点破坏的加固

1）补焊补焊包括增加焊缝长度和增加有效厚度2种形式。由于是在已有构件上施焊，需要大量的仰焊工作，技术要求较高。该方法节省钢材，适用于各种形状的节点加固。缺点是容易产生较大的焊接变形，构件质量难以保证。

2）增设连接板或加劲肋当仅用补焊的办法不能满足加固要求时，可采用附加连接板和局部盖板的方式。连接板除须有足够的设计承载能力和刚度外，还必须与节点板有可靠的连接，确保二者共同工作。另外增加节点板的面积，并增设加劲肋的做法也比较常用。文献 [13]中网架屋盖结构改造中，对节点的加固方法就是采用增设连接板的加固法。该方法加固效果好，适用于焊接空心球等节点的加固。缺点是钢材使用量相对较大。

3）增加或更换螺栓节点处换用摩擦型高强度螺栓连接，或焊缝和摩擦型高强度螺栓的混合连接。该方法适用于螺栓球等节点的加固，且加固工序较简单、加工方便。缺点是减小了板的界面面积并增大了集中应力，所以应注意确定各个螺栓距离的设计。

4.2大跨屋盖的屋面板破坏的加固

在屋面板发生破坏时，当屋面板为钢筋混凝土薄板时，也可采用大跨屋盖发生杆件破坏时用的FRP加固法、预应力加固法等。但对于现在的大跨网架屋盖来说，一般都采用金属屋面板，如铝镁锰合金屋面板、镀铝锌金属屋面板、彩钢金属屋面板等。若金属屋面板发生破坏时，一般常用的加固方法有下面几种。

4.2.1抗风夹加固法抗风夹是通过拧紧螺栓来加固T型支架与屋面板的连接的一种工艺简单并有效的加固方法，布设防风夹具的方式有满布防风夹具、边缘布置防风夹试件和梅花点加设防风夹试件等方式。抗风夹适用于有T型支架的直立锁边金属屋面等，该方法有效且经济。缺点是适用范围窄。

4.2.2增大截面法增大截面法是用增大结构构件或构筑物截面面积进行加固的一种方法。该方法能有效减小结构的动力风荷载效应，同时提高被加固构件的承载能力，增大截面刚度。使某些在正常使用阶段的性能在一定程度上得到改善。该方法适用于结构中屋面板的加固等。缺点是增加结构自重。

4.2.3压顶加固法压顶加固法是指在屋面板上，用砖、瓦、石料、钢筋混凝土、镀锌铁皮等筑成的覆盖层，来加固屋面板的方法。这种方法工艺简单，像女儿墙等部位也是用这种方法进行加固。缺点是施工周期相对较长，且增加结构自重。

某体育场看台为弧形悬挑网架，屋面板采用直立锁边咬合式单层铝镁锰板，通过T型支架与檩条连接。受大风影响，东侧看台部分屋面板由于铝镁锰板与T型支架直立锁边咬合力不足以抵抗风荷载吸力造成了脱落，并且部分杆件受屋面荷载增加的影响导致承载力不足 （见图6）。下面分别对大屋盖网架结构中承载力不足的杆件及屋面板进行了分析并提出加固方案。

5.1屋面板加固考虑到屋面板破坏是由于直立锁边变形严重，致使边跨屋面板变形过大并与T型支架脱开造成的，边跨屋面板与T型支架率先脱开后带动中间跨屋面板连锁破坏，而抗风夹是通过拧紧螺栓来加固T型支架与屋面板的连接的一种工艺简单并有效的加固方法，所以采用了加设防风加强专用夹具的加固方案。

5.2杆件加固考虑到网架杆件多，且多为轻型管件，不宜进行焊接施工；且为了让施工工艺简单；所以没有采用粘钢加固和预应力加固，而采用了套管加固的加固方案。

加固后屋面板与T型支架间的咬合力无法通过计算和数值模拟得到，于是通过屋面板与T型支架连接抗拔试验得到：加设防风加强专用夹具加固后的试件，其屋面板、杆件在破坏时，屋盖达到的极限荷载，屋面板跨中挠度最大值，主、次檩条挠度都要明显增大，屋面板与T型支架间的咬合力也显着增强。试验说明以上采用的加固方法很适用。

1）大跨屋盖结构加固改造应技术可靠、经济适用、施工简便和确保质量，从而比新建建筑更加经济，施工时间更短。新增设的构件必须在强度、塑性、韧性及焊接性能方面与原结构相匹配，才能使加固后结构协同工作。对于加固时可能出现倾斜、失稳或倒塌等不安全因素，在加固施工前，应采取相应的临时安全措施。

2）对于大跨屋盖系统承重结构中的杆件破坏，常采用FRP加固法、粘钢加固法、套管加固法、预应力加固法、增替换设杆件、改变受力体系加固法等方法；对承重结构中节点破坏时，常采用补焊、增设连接板和加劲肋、增加或更换螺栓等方法。

3）对于大跨屋盖系统屋面板破坏，若屋面板为钢筋混凝土薄板时，一般采用碳纤维及玻璃纤维粘贴法等方法；若屋面板为直立锁边金属屋面、角驰型金属屋面、360°锁边金属屋面时，常采用抗风夹具加固法、压顶加固等方法。

4）现有加固方法均有各自的优缺点和适用范围，如何采用更简易、快速的加固手段对大跨屋面的抗风薄弱环节进行加固是需要进一步研究的内容。

[1]龚海涛.以结构为线索的体育场屋盖系统形态设计分类研究 [D].上海：同济大学，2007.

[2]方江生.复杂大跨度屋盖结构的风荷载特性及抗风设计研究 [D].上海：同济大学，2007.

[3]Cook N J.The designer's guide to wind loading of building structures[M].London:Butterworths,1985.

[4]吴立.大跨体育场馆风荷载及风干扰效应的数值模拟研究 [D].厦门：华侨大学，2009.

[5]李玉学.大跨屋盖结构风振响应和等效静力风荷载关键性问题研究 [D].北京：北京交通大学，2010.