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对屋面风荷载设计的探讨和建议
来源:建筑装饰网 作者:龙文志 日期:2007-1-8 　页面功能 【字体：大 中 小】【打印】【关闭】【评论】

　　虽然以上仅为两次台风袭击浙江地区的资料, 多次风灾调查表明，房屋屋面受损严重。为慎重起见，建议：台风地区的屋面基本风压的重现期取值按《GB50009》附表D.4提高到100年为宜。
　　2．风荷载有可能是屋面结构的设计的控制性荷载
　　对于轻型屋面和弧状屋面更要注意。近年来，弧状屋面由于其优美的造型，被广泛应用于车站、 体育馆等大型公共设施。弧状屋 面的局部风压系数、屋面内外压及体型系数，对屋面材料选择和屋面整体设计至关重要
　　图6为一大型弧状屋面示意图，该屋面由15片弧形板组 成，两相邻弧形板有部分重叠。风向沿跨度方向时，各片板上风压分布几乎相同。图7给出风向沿跨度方向时，屋面中央弧形板上的平均风压系数和脉动风压系数分布。由图7a可见，屋面上平均风压系数均为负值，从迎风的屋面边缘到中心，存在较大的负风压区，风压系数约为-0.7；从中心到背风向屋面边缘，风压系数逐渐降至约-0.4。
　　屋面上脉动风压系数在背风端约为0.2，而在迎风端小于0.2。出现这种现象是由于迎风区均位于分高气流之下，而流动再附出现在背风面。试验结果表明风压系数均为负值，从迎风的屋面边缘到中心，存在较大的负风压区，风压系数约为-0.7从中心到背风向屋面边缘，风压系数逐渐降至约-0.4。屋面上脉动风压系数在背风端约为0.2，而在迎风端小于0.2。出现这种现象是由于迎风区均位于分高气流之下，而流动再附出现在背风面。试验结果表明背风屋面瞬时最大风压系数为正值，且越靠近背风屋面边缘的地方，其值越大。
　　图8为一组合弧状屋面,由中间的穹顶和四角上悬臂曲面组成。由于其为开敞式结构，应同时考虑内压和外压。两个风向角下风压系数等值线示于图9。从图中也可看出，迎风屋面边缘处出现较高的负风压系数-l.5，且由于其组合形状复杂，屋面风压分布不大规则，但关于风向仍具对称性。
　　由于这种组合弧状屋面结构较轻且具有开敞形式，风荷载对结构的作用不容忽视，表1给出由于风荷载而产生的各内力的最大值，括号中的数字为均匀自重荷载引起的相应值。可见风荷载对结构的作用远大于自重的作用，风荷载是结构设计的控制性荷载。
　　现代大型屋面均具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点，屋面结构自振周期与风速的长卓越周期较为接近，因而风荷载成为控制屋面设计的主要荷载。
　　3．屋面形状及其局部结构形式对屋面风荷载大小及其分布均有重大影响
　　不同的屋面形式，其表面风压分布特征各异。对于低层房屋常用的坡屋面，四坡屋面总的来说比普通人字形屋面具有更好的抗风性能，这是由于四坡屋面转角处的结构形式可有效地降低峰值吸力。这说明屋面转角处的结构形式对局部风压分布有重要影响。许多屋面破坏实例表明，破坏大都首先出现在屋面转角、边缘和屋脊等部位。屋面风荷载主要集中在屋面悬挑部分，尤其是前缘处。前线的负压最大且变化剧烈，其值与悬挑长度、悬挑部分水平倾角、前缘外形等有关。最大负风压系数大都出现在屋檐尖角、屋脊或邻近处。由此可见，屋面形状及其局部结构形式对屋面风荷载大小及其分布均有重大影响。
　　风荷载作用下，屋面常承受很大的负压。从各种形式的屋面风压分布也可以看出，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、屋脊、屋面边缘和转角等几何外形突变的部位，常产生流动的分离与再附。可以说，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。
　　4．屋面风荷载设计宜分别按屋面结构，上、下表面的最不利风荷载进行设计
　　屋面结构的风压计算应考虑上下表面风压值叠加。对于开敞式屋面结构，上下表面都受到风的作用，而设计支承结构时需要的是屋盖上、下表面的风压差，即净风压。一般来说净风压不完全等于屋面上表面或下表面所受风压，所以只考虑净风压的设计，结构可能安全，而屋面的上表面、下表面可能不安全。值得注意的是，在某些施工状态下，屋面上下表面同时受风吸、风压作用，风压系数及体型系数均大于营运状态。某民房因正处于施工阶段，大尺寸窗户开敞而导致了屋面受风破坏。内外压力共同作用的例子对悬挑屋檐最为明显，屋檐上表面因流动分离而产生负压，下表面由于风被墙体阻挡而淤塞在屋檐下产生正压，负风压为两者绝对值之和，因而屋檐较易受风破坏。屋面一般有上表面板和下表面板，檐口是上下两层板（例如铝板）组成的封闭的盒子。建议屋面风荷载设计宜分别按屋面结构，上、下表面的最不利风荷载进行设计。
　　5．对屋面风荷载设计的安全系数加大20～30%为宜
　　河南省体育馆、上海大剧院屋面破坏、广州海珠区一间汽车修理厂的屋顶被刮倒等事例，说明考虑风致耦合振动的重要性，结构的形式会对来流风场产生很大的影响，从而显著改变结构上的荷载！通常这类建筑都进行了风洞试验，而我国的设计规范目前是无法充分考虑这种影响的，因此，这个事故的发生，可能会有设计或施工中的问题，但其本质的问题很有可能是目前尚未有效搞清楚大跨屋盖的风致耦合振动的问题，也是风工程研究的一个难点！
　　屋面结构在风荷载作用下的动态响应是一个十分复杂的问题。屋面相对于建筑物主体而言柔度较大，易产生弹性风致振动。建筑物内压紊流引起的屋面振动也不可忽视。由于屋面的柔性可降低其频率，同时引起较小的附加阻尼，这样内压紊流易产共振，共振是导致柔性屋面破坏的重要原因之一。在台风多发地区，屋面结构常发生共振破坏。风引起的强大吸力及其脉动效应和因屋面结构的柔性而引起的风振等所致屋面结构在风荷载作用下的动力效应常会使屋面遭受破坏。目前国内在这方面的研究成果较为少见，在没有进一步深入研究成果入之的，为慎重起见，建议对屋面风荷载设计的安全系数加大20～30%为宜。
　　由于人们对结构造型美观的要求越来越高，屋面结构的抗风性能好与造型优美常不能统一，一般来讲，由于屋面风压分布受屋面几何外形的影响甚大，对于特殊形式的屋面，其风荷载应通过风洞试验确定。适当增加屋面粗糙度有利于降低屋面风吸力；对屋檐、屋脊和屋面转角等常受较高吸力的部位，局部构件应作适当加强，同时应加固屋面与主体结构的连接。
　　6．建立“台风幕墙学”
　　我国海岸线漫长，其中东南沿海每年台风频繁，广东、浙江、福建、海南等地又是我国经济发达或正在成长的地区，有必要建立“台风幕墙学”。
　　屋面风荷载问题相当复杂，有必要展开进一步的理论与试验研究。本文的一些探讨及建议仅供参考，不妥之处，敬请指正。
　　主要参考文献：
　　1．《屋面风荷载及风致破坏机理》程志军 楼文娟 孙炳南 唐锦春 建筑结构学报 2000年 8月
　　2．《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）
　　3．9417号台风对温州民房破坏调查 孙炳南 傅国宏 陈鸣 唐锦春 第七届全国结构风效应会议论文集
　　4．大型弧状屋面风压风洞试验研究 叶倩 徐有恒 第五届全国风工程及工业气动力学学术会议论文集
　　注：文件图片太多，上传困难。大家可参考2005年4月《装饰装饰》