大跨度金属屋面风荷载特性

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510000)

引言

风灾是自然灾害的主要灾种之一，由于风灾发生频繁且持续时间较长，所产生的灾害相对于其他自然灾害较大。大跨屋盖发展于20世纪70年代的欧洲及北美等地区，经过多年发展，已广泛应用于各种行业，如高铁火车站、体育场馆、工业厂房等。此类结构抵御强风作用的能力关系到建筑屋面系统的安全性，对结构的安全影响重大。

一、低矮房屋屋面的风压分布特征

现阶段，关于低矮房屋屋面抗风设计的风压取值，主要依照GB50009-2012《建筑结构荷载规范》中的建议。20世纪70年代中期,Davenport等[1]开始了风荷载特性的研究，Surry等[2]在风荷载特性研究上取得进展。在此之后，大量对低矮房屋风荷载特性的研究得到开展，主要包括对平屋面[5]、单坡屋面[6]、双坡屋面[7]、四坡屋面[8]等屋面的平面大小，高度以及其他想关因素对低矮房屋风荷载的影响，通过模型试验对比实测结果[9]，建立低矮房屋的气动荷载数据库[5]。文献[10]通过风洞试验研究跨度为60、120、180m，高度为5、7.5、10m等一系列平屋面的风压分布特征，并与相关规范建议进行比较，结果表明，屋面高度是影响屋面风压系数值的关键因素。

二、大跨屋盖的抗风承载力

关于大跨度屋盖抗风承载力的研究，主要采用物理试验、有限元数值模拟以及理论分析。物理试验是屋面抗风承载力研究的主要方法，试验结果可以验证数值模拟结果的准确性，是屋面抗风设计的主要依据。在得到物理试验验证的基础上，可以采用数值模拟方法进行参数分析，并研究屋面板的破坏规律以及进一步分析总结屋面的设计准则。

文献[11]中采用物理试验和数值模拟的方法，对不同类型自攻螺钉固定的屋盖金属板进行研究。结果表明，屋面的风致破坏是由于局部失效所致，且通常是屋面板中心螺钉附近应力最大的部位易率先发生破坏。

文献[12]通过试验建立了屋面板的开裂准则，(即当屋面板的膜应变大于螺孔周围最大的表面拉伸应变的60%时，或者当螺孔周围最大的表面拉伸应变大于材料单轴拉伸试验的开裂应变时，屋面板即开裂破坏)。

文献[13]中将刚性模型风洞试验和有限元分析结合，综合考虑屋面体系固定支座受力的实际影响范围和屋面脉动风的空间相关性，提出固定支座处有效受风承载面积的计算方法。

文献[14]对比了缩尺和足尺TTU标准模型的风压分布特征，结果表明通过缩尺模型得到的屋面边缘区域和角落区域的最大极值风荷载要比通过足尺模型获得的小。

三、大跨屋盖的疲劳特性

大跨屋盖在随机脉动风荷载作用下会产生疲劳破坏。风灾调查显示，大跨屋盖的风致破坏一方面是由于屋面的抗风承载力不足，另一方面则是由于屋面板在循环风荷载作用下产生疲劳损伤。

文献[15]中根据持续5h热带气旋过程的风速风向特性和具体屋面模型的风洞试验数据，研究波纹状金属屋面在热带气旋下疲劳损伤特性以及屋面损伤对最大极值风速的敏感性。结果表明，适当降低作用在屋面上的风压值，可以显著降低屋面的损伤程度。

文献[16]的研究结果显示，屋面板的疲劳特性与屋面板的形状密切相关，同时加载顺序对疲劳累积损伤有一定的影响。因此，线性疲劳累积损伤理论无法准确计算屋面板的疲劳累积损伤。

文献[17]认为低矮房屋在强风作用下的主要破坏部位是屋面区域，且破坏主要是由于屋面板与檀条间的连接失效所致，在风荷载作用下，屋面板往往会由于连接部位的强度不足或者风致疲劳而破坏。

四、结论与展望

1.现有规范的屋面风荷载主要来自于对跨度较小的低矮房屋的试验结果，跨度不同的低层房屋的风荷载会存在不同程度的差异，对于大跨度屋盖的风压分布需要进一步细致试验研究。

2.研究不同类型金属屋面的抗风承载能力，提高数值模拟方法的精度并通过物理试验的对比验证，进行规模性的参数分析，进一步总结金属屋面抗风承载力的一般规律，提出提高屋面抗风承载能力的建议。

3.建立考虑风速风向联合分布模型的实际建筑金属屋面板在设计寿命内的损伤累积估计方法，进一步研究屋面最大极值负压对屋面累积损伤的敏感性。