大跨建筑結(jié)構(gòu)體系可分為屋蓋結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu) （墻和柱子等）和基礎(chǔ)[1],其中，屋蓋結(jié)構(gòu)由于跨度大，受力復(fù)雜，容易造成風(fēng)致破壞。大跨屋蓋從結(jié)構(gòu)體系角度可分為平面桿系結(jié)構(gòu) （包括桁架、拱等）、空間桿系結(jié)構(gòu) （包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等）、懸索體系 （包括單層索系等）和膜結(jié)構(gòu)；根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度大小又可分為剛性屋蓋結(jié)構(gòu)、非大變形屋蓋結(jié)構(gòu)和大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)等3類[2].大跨屋蓋結(jié)構(gòu)1據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年至少產(chǎn)生80多個風(fēng)力達(dá)8級以上的熱帶氣旋。這些氣旋導(dǎo)致國內(nèi)外大跨屋蓋結(jié)構(gòu)破壞時有發(fā)生：文獻(xiàn) [3]介紹了英國一座體育館的獨(dú)立主看臺懸挑鋼屋蓋，在風(fēng)荷載作用下，由于內(nèi)外風(fēng)壓共同作用，導(dǎo)致屋蓋石棉板被掀起；2004年，臺風(fēng) “云娜”在浙江溫嶺登陸，溫嶺市體育館主館和副館的頂部，被風(fēng)撕開約30多平方米的口子，麗水市體育館屋頂被掀[4].近年來，受全球氣候變化的影響，大跨屋蓋風(fēng)致災(zāi)害有進(jìn)一步加劇趨勢。因此，研究大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞及其加固措施具有重要意義。
1 大跨屋蓋的風(fēng)荷載及其分布
1.1大跨屋蓋的風(fēng)荷載分布
大跨屋蓋結(jié)構(gòu)主要承受平均風(fēng)和脈動風(fēng)作用，平均風(fēng)可等效為靜力，脈動風(fēng)為動力[5].大跨屋蓋結(jié)構(gòu)就其屋蓋內(nèi)表面是否直接受到風(fēng)荷載作用而言，可以分為四周封閉體型和整體敞開體型[4].封閉體型只需考慮上表面的風(fēng)壓，而敞開體型必須同時考慮上下表面風(fēng)荷載，并以其合力作為設(shè)計(jì)荷載。封閉體型和敞開體型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布特征不同，由此造成的屋蓋破壞特征也不同。
1.2封閉體型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特征
平屋面是封閉體型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)中最基本的形式，對于平屋面，當(dāng)風(fēng)遇到其尖銳的屋面棱角時，會產(chǎn)生流動分離，分離層形成離散的旋渦。在旋渦中存在很大的逆壓梯度，導(dǎo)致在氣流分離處出現(xiàn)極大負(fù)風(fēng)壓。當(dāng)風(fēng)向同分離線垂直時，會沿著分離線形成一個柱狀渦[4]（見圖1）。當(dāng)風(fēng)傾斜的吹向分離線時，會形成2個錐形渦 （見圖2）。在柱狀渦和錐形渦的作用下，迎風(fēng)邊緣會存在極大的負(fù)風(fēng)壓；而在其他區(qū)域由于尾流作用，風(fēng)壓較小。因此，一般屋面板的破壞均發(fā)生于此。
1.3敞開體型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特征
懸挑屋蓋是敞開體型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)中比較常見的結(jié)構(gòu)，而平看臺挑蓬為該類結(jié)構(gòu)的最基本形式，對于平看臺挑蓬而言，當(dāng)風(fēng)向垂直于分離線時，由于分離作用會形成柱狀渦[4]（見圖3），產(chǎn)生很大的負(fù)風(fēng)壓。而屋蓋下表面受看臺的影響抑制了氣流分離，主要受壓力作用。將上、下表面的力進(jìn)行疊加可得到一個向上的升力。當(dāng)來流傾斜吹向屋面邊緣時，在迎風(fēng)拐角處會形成極大的負(fù)壓區(qū)，形成2個錐形渦（見圖4）.總之，一般情況下，敞開體型的大跨屋蓋受到疊加向上的吸力。
2 大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞機(jī)理
大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載的作用下，造成破壞的原因一般有以下3個方面[6].
2.1流動分離
當(dāng)風(fēng)遇到其尖銳的屋面棱角時，往往會產(chǎn)生流動分離，從而形成漩渦，而漩渦會產(chǎn)生很大的負(fù)壓。
從各種形式的屋面風(fēng)壓分布可以看出，凡是負(fù)壓特別高的部位，總是伴有流動分離現(xiàn)象出現(xiàn)。特別是在屋檐、屋面邊緣和轉(zhuǎn)角等幾何外形突變的部位，常產(chǎn)生流動分離與分離再附。從以往的風(fēng)災(zāi)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，由于屋面幾何外形的突變而引起的流動分離是導(dǎo)致屋面破壞的最普遍原因[6].
2.2內(nèi)外壓力共同作用
體育場等敞開式屋蓋結(jié)構(gòu)，其上下表面都受到風(fēng)壓作用，且一般情況下，凈風(fēng)壓 （上下表面的風(fēng)壓差）都大于上表面風(fēng)壓[6],所以只考慮上表面風(fēng)壓的設(shè)計(jì)偏于不安全。需要注意的是，在某種特殊的風(fēng)向下，屋蓋的某些部位上下表面的風(fēng)壓會形成一致，壓力系數(shù)及體型系數(shù)均大于平時狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)的受力狀況發(fā)生大的變化，也容易造成屋蓋的破壞。為了避免類似的破壞發(fā)生，在屋面的風(fēng)壓計(jì)算時，應(yīng)同時考慮上下表面風(fēng)壓值疊加[6].
2.3屋面結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動力效應(yīng)
大型屋面結(jié)構(gòu)自振周期與風(fēng)速的卓越周期較為接近，且屋面結(jié)構(gòu)大都具有質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小等特點(diǎn)，因此在風(fēng)荷載作用下易發(fā)生風(fēng)致振動破壞。屋面的柔性可降低其Helmholtz頻率，同時引起較小的附加阻尼[7,8],這樣內(nèi)壓紊流易產(chǎn)生Helmholtz共振。而附加阻尼不足以顯著降低振動響應(yīng)。文獻(xiàn) [9]指出，當(dāng)在臺風(fēng)中，門窗破壞突然開孔時，室內(nèi)內(nèi)壓突然增大。在風(fēng)荷載的作用下容易產(chǎn)生共振，從而引起屋面的破壞。在我國臺灣等地區(qū)，屋面結(jié)構(gòu)常發(fā)生共振破壞。3大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞類型==大跨網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)是大跨屋蓋中應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的形式之一。所謂大跨網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)，就是指由許多桿件按照一定規(guī)律布置通過節(jié)點(diǎn)連接而成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)體系。考慮到大跨網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中出現(xiàn)得比較多，這里主要以體育場館中最常用的大跨網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)為例，來分析大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞類型及對應(yīng)的加固措施。
屋蓋結(jié)構(gòu)是覆蓋大空間且直接承擔(dān)屋面荷載的結(jié)構(gòu)[1].屋蓋結(jié)構(gòu)破壞包括屋面板破壞和承重結(jié)構(gòu)破壞。對于大跨網(wǎng)架屋蓋而言，屋面板一般為金屬屋面板，承重結(jié)構(gòu)為網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)。那么大跨網(wǎng)架屋蓋的破壞就可分為屋面板破壞和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞。而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞又分為桿件破壞和節(jié)點(diǎn)破壞。其中常見的節(jié)點(diǎn)又分為焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)。
4 大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞后的加固措施
4.1大跨屋蓋的承重結(jié)構(gòu)加固
大跨屋蓋的承重結(jié)構(gòu)加固分為桿件加固和節(jié)點(diǎn) （焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)）加固。
4.1.1屋蓋各桿件破壞的加固
1）FRP加固法FRP加固按纖維材料的不同，可分為玻璃纖維材料、碳纖維材料和阿拉米德材料[10].其中碳纖維材料 （CFRP）使用最廣。碳纖維加固法是將碳纖維用粘貼劑浸漬后疊合在構(gòu)件受力部位，使之成一整體，來降低構(gòu)件應(yīng)力 （見圖5）。這種方法不僅可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，還能減少構(gòu)件的變形和控制結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)大。文獻(xiàn)[11]中鋼屋架對構(gòu)件的加固就歸納了這種方法。該方法普遍適用于房屋建筑和一般構(gòu)筑物中承受靜力作用的一般受彎及受拉構(gòu)件。缺點(diǎn)是需要做專門的防火處理。
2）粘鋼加固法粘鋼加固法，是指把薄鋼板用膠粘劑粘貼在結(jié)構(gòu)表面，使薄鋼板與鋼管協(xié)同工作的一種加固方法。在保證不脫膠的情況下，膠層不僅增大了試件的截面和構(gòu)件的抗彎剛度，同時也提高了試件的穩(wěn)定承載力[12].該方法簡便、快速，且不影響結(jié)構(gòu)外形及使用空間，在國際上廣泛應(yīng)用于建筑、公路橋梁的加固中。缺點(diǎn)是對施工工藝要求較高，一般應(yīng)由專業(yè)隊(duì)伍施工。
3）套管加固法套管加固法就是在原鋼管外再套鋼管，讓原有的壓桿當(dāng)作內(nèi)管來承擔(dān)全部軸力，外包構(gòu)件來抑制內(nèi)管的側(cè)向彎曲、約束內(nèi)管的橫向變形和防止內(nèi)管在壓力作用下發(fā)生屈曲。文獻(xiàn) [13]中網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)改造中，對桿件的加固方法就是采用的套管加固法。這種方法可以在基本不增大構(gòu)件截面尺寸的情況下提高構(gòu)件承力，增大延性和剛度，適用于混凝土柱、梁、屋架和磚窗間墻以及煙囪等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和構(gòu)筑物的加固。缺點(diǎn)是加固維修費(fèi)用較高，且用鋼量較大。
4）預(yù)應(yīng)力加固法預(yù)應(yīng)力加固法是一種采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿 （下?lián)问嚼瓧U、組合式拉桿或撐桿等），對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法。預(yù)應(yīng)力加固法的具體做法是利用預(yù)應(yīng)力鋼絞線調(diào)整網(wǎng)架桿件內(nèi)力及應(yīng)力水平，使其在受到新增風(fēng)荷載時桿件的應(yīng)力均在控制范圍。預(yù)應(yīng)力能消除或減緩后加桿件的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，使后加桿件有效地參與工作。這種方法是一種加固效果好而經(jīng)濟(jì)的加固方法，可在幾乎不改變使用空間的條件下，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正截面及斜截面承載力，廣泛用于混凝土的屋面板、鋼屋架等加固。缺點(diǎn)是工序較復(fù)雜。
5）增替換設(shè)桿件增替換設(shè)桿件是加設(shè)檁條、支撐桿件來增加結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的加固方法。對于一些受損嚴(yán)重的桿件可以完全替換成新的構(gòu)件。該方法施工工藝較簡單，缺點(diǎn)是加固作用不明顯。
6）改變受力體系加固法改變受力體系加固法是通過增設(shè)支點(diǎn)去改變結(jié)構(gòu)的受力體系的一種加固方法。增設(shè)支點(diǎn)可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算跨度，降低計(jì)算彎矩；大幅度提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力。通過增設(shè)支點(diǎn)來使部分桿件的內(nèi)力降低，提高結(jié)構(gòu)的承載力，起到桿件加固的目的，增設(shè)支點(diǎn)多用于大跨度結(jié)構(gòu)的鋼屋架加固中。缺點(diǎn)是較多地影響了使用。
4.1.2屋蓋節(jié)點(diǎn)破壞的加固
1）補(bǔ)焊補(bǔ)焊包括增加焊縫長度和增加有效厚度2種形式。由于是在已有構(gòu)件上施焊，需要大量的仰焊工作，技術(shù)要求較高。該方法節(jié)省鋼材，適用于各種形狀的節(jié)點(diǎn)加固。缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生較大的焊接變形，構(gòu)件質(zhì)量難以保證。
2）增設(shè)連接板或加勁肋當(dāng)僅用補(bǔ)焊的辦法不能滿足加固要求時，可采用附加連接板和局部蓋板的方式。連接板除須有足夠的設(shè)計(jì)承載能力和剛度外，還必須與節(jié)點(diǎn)板有可靠的連接，確保二者共同工作。另外增加節(jié)點(diǎn)板的面積，并增設(shè)加勁肋的做法也比較常用。文獻(xiàn) [13]中網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)改造中，對節(jié)點(diǎn)的加固方法就是采用增設(shè)連接板的加固法。該方法加固效果好，適用于焊接空心球等節(jié)點(diǎn)的加固。缺點(diǎn)是鋼材使用量相對較大。
3）增加或更換螺栓節(jié)點(diǎn)處換用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，或焊縫和摩擦型高強(qiáng)度螺栓的混合連接。該方法適用于螺栓球等節(jié)點(diǎn)的加固，且加固工序較簡單、加工方便。缺點(diǎn)是減小了板的界面面積并增大了集中應(yīng)力，所以應(yīng)注意確定各個螺栓距離的設(shè)計(jì)。
4.2大跨屋蓋的屋面板破壞的加固
在屋面板發(fā)生破壞時，當(dāng)屋面板為鋼筋混凝土薄板時，也可采用大跨屋蓋發(fā)生桿件破壞時用的FRP加固法、預(yù)應(yīng)力加固法等。但對于現(xiàn)在的大跨網(wǎng)架屋蓋來說，一般都采用金屬屋面板，如鋁鎂錳合金屋面板、鍍鋁鋅金屬屋面板、彩鋼金屬屋面板等。若金屬屋面板發(fā)生破壞時，一般常用的加固方法有下面幾種。
4.2.1抗風(fēng)夾加固法抗風(fēng)夾是通過擰緊螺栓來加固T型支架與屋面板的連接的一種工藝簡單并有效的加固方法，布設(shè)防風(fēng)夾具的方式有滿布防風(fēng)夾具、邊緣布置防風(fēng)夾試件和梅花點(diǎn)加設(shè)防風(fēng)夾試件等方式。抗風(fēng)夾適用于有T型支架的直立鎖邊金屬屋面等，該方法有效且經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是適用范圍窄。
4.2.2增大截面法增大截面法是用增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件或構(gòu)筑物截面面積進(jìn)行加固的一種方法。該方法能有效減小結(jié)構(gòu)的動力風(fēng)荷載效應(yīng)，同時提高被加固構(gòu)件的承載能力，增大截面剛度。使某些在正常使用階段的性能在一定程度上得到改善。該方法適用于結(jié)構(gòu)中屋面板的加固等。缺點(diǎn)是增加結(jié)構(gòu)自重。
4.2.3壓頂加固法壓頂加固法是指在屋面板上，用磚、瓦、石料、鋼筋混凝土、鍍鋅鐵皮等筑成的覆蓋層，來加固屋面板的方法。這種方法工藝簡單，像女兒墻等部位也是用這種方法進(jìn)行加固。缺點(diǎn)是施工周期相對較長，且增加結(jié)構(gòu)自重。
5 案例分析
某體育場看臺為弧形懸挑網(wǎng)架，屋面板采用直立鎖邊咬合式單層鋁鎂錳板，通過T型支架與檁條連接。受大風(fēng)影響，東側(cè)看臺部分屋面板由于鋁鎂錳板與T型支架直立鎖邊咬合力不足以抵抗風(fēng)荷載吸力造成了脫落，并且部分桿件受屋面荷載增加的影響導(dǎo)致承載力不足 （見圖6）。下面分別對大屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中承載力不足的桿件及屋面板進(jìn)行了分析并提出加固方案。
5.1屋面板加固考慮到屋面板破壞是由于直立鎖邊變形嚴(yán)重，致使邊跨屋面板變形過大并與T型支架脫開造成的，邊跨屋面板與T型支架率先脫開后帶動中間跨屋面板連鎖破壞，而抗風(fēng)夾是通過擰緊螺栓來加固T型支架與屋面板的連接的一種工藝簡單并有效的加固方法，所以采用了加設(shè)防風(fēng)加強(qiáng)專用夾具的加固方案�！�
5.2桿件加固考慮到網(wǎng)架桿件多，且多為輕型管件，不宜進(jìn)行焊接施工；且為了讓施工工藝簡單；所以沒有采用粘鋼加固和預(yù)應(yīng)力加固，而采用了套管加固的加固方案。
加固后屋面板與T型支架間的咬合力無法通過計(jì)算和數(shù)值模擬得到，于是通過屋面板與T型支架連接抗拔試驗(yàn)得到：加設(shè)防風(fēng)加強(qiáng)專用夾具加固后的試件，其屋面板、桿件在破壞時，屋蓋達(dá)到的極限荷載，屋面板跨中撓度最大值，主、次檁條撓度都要明顯增大，屋面板與T型支架間的咬合力也顯著增強(qiáng)。試驗(yàn)說明以上采用的加固方法很適用。
6 結(jié)論
1）大跨屋蓋結(jié)構(gòu)加固改造應(yīng)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)適用、施工簡便和確保質(zhì)量，從而比新建建筑更加經(jīng)濟(jì)，施工時間更短。新增設(shè)的構(gòu)件必須在強(qiáng)度、塑性、韌性及焊接性能方面與原結(jié)構(gòu)相匹配，才能使加固后結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。對于加固時可能出現(xiàn)傾斜、失穩(wěn)或倒塌等不安全因素，在加固施工前，應(yīng)采取相應(yīng)的臨時安全措施。
2）對于大跨屋蓋系統(tǒng)承重結(jié)構(gòu)中的桿件破壞，常采用FRP加固法、粘鋼加固法、套管加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增替換設(shè)桿件、改變受力體系加固法等方法；對承重結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)破壞時，常采用補(bǔ)焊、增設(shè)連接板和加勁肋、增加或更換螺栓等方法。
3）對于大跨屋蓋系統(tǒng)屋面板破壞，若屋面板為鋼筋混凝土薄板時，一般采用碳纖維及玻璃纖維粘貼法等方法；若屋面板為直立鎖邊金屬屋面、角馳型金屬屋面、360°鎖邊金屬屋面時，常采用抗風(fēng)夾具加固法、壓頂加固等方法。
4）現(xiàn)有加固方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，如何采用更簡易、快速的加固手段對大跨屋面的抗風(fēng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。
[參考文獻(xiàn)]
[1]龔海濤.以結(jié)構(gòu)為線索的體育場屋蓋系統(tǒng)形態(tài)設(shè)計(jì)分類研究 [D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.
[2]方江生.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)研究 [D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.
[3]Cook N J.The designer's guide to wind loading of building structures[M].London:Butterworths,1985.
[4]吳立.大跨體育場館風(fēng)荷載及風(fēng)干擾效應(yīng)的數(shù)值模擬研究 [D].廈門：華僑大學(xué)，2009.
[5]李玉學(xué).大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載關(guān)鍵性問題研究 [D].北京：北京交通大學(xué)，2010.
