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大跨度屋盖结构的抗风优化设计方法

2020-03-15 09:25:02

       摘要:本文分析了当今大跨度屋盖结构的抗风优化设计方法,并指出了其缺陷,而后探索了相应的对策,以解决现实问题。〉〉施工图审核及优化管理办法
       1 大跨度屋盖结构的发展现状
       纵观人类发展史,从石器时代到冷兵器时代,再到电气信息化时代,我们人类的进化就是运用我们的想象力来不断拓展与完善我们的生存空间。这种进化体现在建筑方面,就是对屋盖结构跨度逐渐增大。解决这个问题我们要从两个方面入手,一是寻求强度韧性较高的材料,二是科学合理的优化设计观念和原理。只有满足这两方面的条件,屋盖结构才能完全满足人们的生活需求。由于不同时代空间技术和材料的局限,产生不同的跨度结构。古代中国技术工匠采用木材构造梁柱,古罗马人运用砖石建造的宫殿跨度,非常浩大工程量的屋盖也远远不及当今的跨度。随着人类社会进步,钢材和水泥等新材料的出现,实现了跨度新突破,其硬度超过高强度的木料和砖石材料,与此同时,力学研究也突飞猛进,力学全新的理论使人们在建筑优化设计结构理念方面有了质的突破。大跨度屋盖结构的材料包括钢筋混凝土,其基本原材料是水泥和钢材。接着,大胆的优化设计和理念广泛为优化设计师们运用,以钢架托起的大跨度屋盖此起彼伏,或者铝合金材料的的网格架也被应用在大跨度的屋盖优化设计上,有的场地在下雨天还能关上屋顶,在晴天可以打开硕大的屋顶让人们沐浴阳光。这些例子都强有力地证明了大跨度屋盖完成突破的两个条件,即理念和技术上进步。近年来,随着科技日益进步,一些条件非常优越的合成材料出现,其轻度更低,硬度更大,屋盖的跨度和技术又有了质的飞跃,促进了大跨度屋盖结构理论的全面升级。这些都证明了大跨度屋盖结构理念的发展过程,及其技术进步,一个国家的建筑业的发展程度,大跨度屋盖结构的优化设计技术无疑可以作为一个鲜明的标志。


大跨度屋盖结构的抗风优化设计方法-屋盖结构优化设计


       2 大跨度屋盖结构的抗风优化设计存在的缺陷及分析
       2.1大跨度屋盖在外形优化设计方面的问题风压在屋盖表面的分布很不均匀。如低层房屋通常采用坡型的屋盖,采用四个坡面的房屋整体上抗风性能比较好,而人字形的普通坡面房屋的抗风性能则很差。通过分析很多实例后不难发现,屋盖被大风掀翻都是先在角落、边缘、屋脊等处发生破坏。由于屋盖结构的特殊形式,使得风载荷在屋面悬挑上部最大,尤其是直接迎风处。屋盖边缘的承担载荷非常大,且由于风向的变化莫测,使得屋盖上的受力也剧烈变化,承载大小与悬挑部分的水平倾角、长度、形状等都有关系。这种特殊的优化设计形式,使得最大承载力集中分布在屋檐角、屋脊上、坡面拐角处。据此而知,屋盖外形及局部形状选择,对屋面承担风载大小和承载处都有很大影响。在屋面选型上要保证形状合理,减轻风载荷的影响,可以有效提高屋面的抗风能力。
       此外,有些屋面形状也能导致建筑物损坏,甚至有些屋面被风整体掀掉,国内外均出现类似的情况,这一破坏类型包含很多共性,第一,为了更好地延伸屋盖跨度,采用更轻质的材料,如建筑膜材料。由于其频率较低,在外力作用下易产生共振,造成屋盖破坏,进而导致人员伤亡和财产损失。第二,屋盖载负物体与房体连接力太差,一遇强风便被风掀翻,屋盖支架倒塌或掉落。第三,屋盖面对强风的压力,破坏总从拐角、屋顶脊梁、屋盖边缘悬空处发生,或者由于邻家屋顶发生破坏,使屋盖也被触动,进而发生破坏。据此而知,屋盖覆盖物跟支架的连接力必须加强,屋盖支架跟房体的衔接必须稳固,屋面拐角、边缘悬空部分、屋脊处的连接力必须提升。
       2.2大跨屋盖在建造过程中存在的问题在大跨度屋盖建造过程中,不仅面对技术和材料上的难题,还有主观因素。主要体现在:第一,在面对建筑划分地址过程中,没有考虑一些自然因素,例如在江堤、海边、山巅、山腰、旧河道、或者大片空地上等一些气候多变区选址,建筑体很容易受到劲风和潮水的袭击。第二,建筑群布局不合理,缺少科学合理的规划,一旦发生事故,易产生“多米诺”效应,建筑整体受到威胁。第三,建筑工期安排不合理,未完工就遭遇强风袭击,抵抗性较差,因而屋盖易遭遇破坏。
       3 针对大跨度屋盖结构的抗风优化设计缺陷的对策
       屋盖结构面遇到风载荷,就如同地震的效果一般,偶然的力作用在大地上,风载荷也是相同,它对屋盖的作用力也是偶然的,在一定时间内不会出现,但是一旦在不稳定期出现且持续时间很长,而且作用力非常大,当然也有强度低的。强度高的发生偶然性低,强度低的发生偶然性高。因而在优化设计抗风结构时,选用科学合理的方法,针对不同的强度,优化设计最大强度承担塑性范围。如果强度过大,超出我们目前的技术范围,要避免建筑发生倾倒性破坏,保护财产生命安全,慎重考虑研究预防倾倒优化设计。〉〉浅析高层建筑结构体系与布局设计
       我们由以上抗风优化设计理论得出,在第一防护阶段时,整个屋盖结构的工作状态处于弹性阶段,然后考虑屋盖结构面的承载力大小,可通过精密计算得出;在第二、第三防护阶段时,屋盖结构处于弹塑性工作状态,因而要对屋盖结构其弹塑性变形给予积极控制和合理优化设计,预防其超出科学范围的变形,或者第二防护阶段的建筑体倾倒性危害和第三防护阶段财产生命安全的损失。据此得出要对屋盖抗风结构体的变形量进行科学计算。在规划抗风优化设计结构时,我们可以利用第三防护阶段的变形量进行科学计算和分析,而且通过对大跨度屋盖抗风优化设计结构的理念以及材料的力学作用相结合,得出能够积极应对现实灾害的优化设计方式,保证建筑体对人民财产和生命安全的维护。其中,抗风屋盖优化设计第一防护阶段,就从大自然常态情况的风压来给予考虑,我们称其为第一防护状态下风压,探索研究在第一防护阶段屋盖抗风结构体在弹性状态下,风荷载的分布及其产生的各种效应。同时一并考虑重力和地震等其他作用载荷在抗风结构面上的直接反应,使得我们优化设计的屋盖抗风结构体能满足第一防护阶段的风载荷。抗风屋盖优化设计第二防护阶段考虑的风载荷,我们把它暂且认为是偶然性的风压,精密计算在其风载荷的作用下,屋盖抗风结构体产生的形变量和面部裂缝宽度,并能使其限定在所规定的范围内,与此同时,参考屋盖抗风优化设计结构体的优化设计概念和技术,科学计算分析结构体的形状和尺寸,得出满足科学理论的结构体优化设计方法和构筑步骤,使得屋盖抗风结构体在合理的变形范围内,抵挡偶然风荷载大小的正常条件的形变量。抗风屋盖优化设计第三防护阶段的风载荷,我们选用偶然性低的罕见风压,考虑抗风屋盖结构体跟屋盖框架、房体以及悬空部分跟房体的连接力,推算抗风屋盖结构体在倾倒临界点时,产生的裂缝宽度和形变量。与此同时,在其临界点阶段,对结构体进行提前预防,加固结构体跟房体以及结构面覆盖物和结构面支架的连接力,还有各拐角处的衔接力,并对整个建筑体的倾倒进行预防性支护,确保建筑体的弹塑性被控制在合理的范围内,以维护建筑体面对罕见风压袭击时的不倾倒要求。第三屋盖抗风优化设计阶段就是要应对结构体在极限应力状态下的安全承载,保障建筑体在罕见风压下的人身财产安全。
       4 总结
       文章分析了现代大跨度屋盖抗风优化设计中存在的缺陷,并采用满足大跨度屋盖的多级抗风防护理念,解决了抗风结构体在不同风载荷情况下的安全问题,运用三级抗风优化设计方法,使得大跨度屋盖结构体能够在不同风压下,在不超过极限应力情况下维护建筑体稳定,在罕见风压情况下,防止房屋倾倒,保障人身财产安全。

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