雪载荷下的钢结构屋顶可靠性分析

张卫华

摘 要：本文研究分析了极端雪荷载下钢结构屋顶的可靠性，首先对钢结构屋顶进行了分析，得出了由空腹式钢托梁构成的屋顶跨度与应力的关系，给出了宽翼缘型钢构成空腹式钢托梁屋顶参数。其次根据钢结构屋顶与雪载荷的随机分布参数，给出了钢结构屋顶计算的极限状态函数，该函数是一个隐式函数，采用蒙特卡罗方法计算出了钢结构屋顶在考虑自重与雪载荷下的可靠性指标。最后，由所计算得到的钢屋顶结构的可靠度，对钢结构屋顶的可靠性与安全运行给出了合理建议。

关键词：雪载荷;钢结构;屋顶;可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.094

1 引言

大跨度钢构屋顶目前在世界范围内被广泛应用于各类场合如：火车站，机场，仓库等地方。文献[1]对于钢结构屋顶的设计参数，承受的重量进行了研究，给出了钢结构屋顶设计最少参数与注意事项。以武汉游泳馆屋顶网架结构为工程背景，对其安全预警系统进行了研究。及时告知用户，对该屋顶网架结构的积雪厚度进行安全预警。在雪荷载下钢屋顶结构的倒塌可能会损害建筑物居住者，损害建筑物，设备或商品损失，增加维修费用等造成的后果难以计算，本文对于由开式腹板钢托梁支撑的钢屋顶的可靠性进行了分析，考虑了雪和雪的不确定性，通过蒙特卡罗模拟钢结构屋顶的静载荷和容量，得到刚屋顶结构可靠性分析结果，最后通过个算例说明本文方法的可行性与有效性。

2 钢结构屋顶

预先制成的空腹式钢托梁是钢结构屋顶的主要元件，它是由水平放置两根桁架梁构成的上弦，下弦与中间桁架构成竖腹杆构成的钢网组成的。该钢托梁的上下弦由宽翼缘型钢构成，宽翼缘型钢属于H型钢。该钢材形状的特点是翼缘宽度大于或等于腹板高度。一般的钢结构屋顶以宽翼缘作为梁，该结构的特点是型钢的截面模数、惯性矩及相应的强度均明显优于同样单重的普通工字钢。不论是承受弯曲力矩、压力负荷、偏心负荷都具有比其他型钢优越性能，承载能力较大，构成的钢结构屋顶比其他型钢构成的屋顶重量减轻10%～40%。而且宽翼缘型钢具有翼缘宽、腹板薄、规格多，因而在制造钢结构屋顶时具有拼接灵活，造型美观的优点。另外由于其翼缘内外侧平行，缘端呈直角，便于拼装组合成各种构件，从而可节约焊接、铆接工作量25%左右，能大大加快工程的建设速度，缩短工期。空腹式钢托梁构成的钢结构屋顶是由若干横竖的梁构成的方形或者矩形网格上面铺上蒙皮建设成为遮风挡雨的屋顶。

3 雪载荷下屋顶可靠性分析

设钢结构屋顶自重为B，其对应的应力为b，雪载荷为X，其对应的应力为x，屋顶的承受极限载荷为W，其对应强度为w，屋顶可靠性指标为β，以上量均为随机变量，由可靠性定义，则有钢结构屋顶极限状态方程为：

L=W-B-X（1）

如果L>0，则说明钢结构屋顶安全，否则钢结构屋顶失效。

（1）式是一个隐函数，可用蒙特卡罗方法进行计算。

屋顶自重和雪载荷的概率分布如表1所示：

空腹式钢托梁随机分布参数如表2所示：

式（1）是一个隐函数，根据表1、表2，可用蒙特卡罗方法进行计算其可靠性指标为1.45，反查正态函数分布表可得钢结构屋顶的可靠度为0.9265。

由计算结果可以看出，该钢结构屋顶在服役期内可靠性是比较高的，但遇到极端天气时，就要安排人员及时清理积雪，对屋顶进行维护。

4 结束语

另外，本分析方法在应用时应充分考虑气候和地质分布的差异，年最大雪荷载对可靠性的分析产生影响较大，同时改变屋顶的物理特性对可靠性指标影响不大。其次，钢结构屋顶的可靠性与维护性之间有很强的相互关系。最后对于在考虑的建筑物中，设计挠度极限导致了更大的截面尺寸，从而产生了相当大的改进安全性，可维护性，提高可靠性指标。

参考文献：

[1]方永锋，陈建军，马洪波.共同随机载荷下结构动态可靠性分析[J].应用力学学报，2016，33（02）：345-351+379.

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[4]方永鋒，陈建军.结构模糊参数的帝国竞争算法可靠性计算[J].力学季刊，2017，38（02）：311-317.