大跨建筑結構體系可分為屋蓋結構、支承結構 （墻和柱子等）和基礎[1],其中，屋蓋結構由于跨度大，受力復雜，容易造成風致破壞。大跨屋蓋從結構體系角度可分為平面桿系結構 （包括桁架、拱等）、空間桿系結構 （包括網架結構、網殼結構等）、懸索體系 （包括單層索系等）和膜結構；根據屋蓋結構的剛度大小又可分為剛性屋蓋結構、非大變形屋蓋結構和大變形柔性屋蓋結構等3類[2].大跨屋蓋結構1據統計，全球每年至少產生80多個風力達8級以上的熱帶氣旋。這些氣旋導致國內外大跨屋蓋結構破壞時有發生：文獻 [3]介紹了英國一座體育館的獨立主看臺懸挑鋼屋蓋，在風荷載作用下，由于內外風壓共同作用，導致屋蓋石棉板被掀起；2004年，臺風 “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，大跨屋蓋風致災害有進一步加劇趨勢。因此，研究大跨屋蓋結構風致破壞及其加固措施具有重要意義。

1 大跨屋蓋的風荷載及其分布

1.1大跨屋蓋的風荷載分布

大跨屋蓋結構主要承受平均風和脈動風作用，平均風可等效為靜力，脈動風為動力[5].大跨屋蓋結構就其屋蓋內表面是否直接受到風荷載作用而言，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壓，而敞開體型必須同時考慮上下表面風荷載，并以其合力作為設計荷載。封閉體型和敞開體型大跨屋蓋結構的風荷載分布特征不同，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構的風荷載特征

平屋面是封閉體型大跨屋蓋結構中最基本的形式，對于平屋面，當風遇到其尖銳的屋面棱角時，會產生流動分離，分離層形成離散的旋渦。在旋渦中存在很大的逆壓梯度，導致在氣流分離處出現極大負風壓。當風向同分離線垂直時，會沿著分離線形成一個柱狀渦[4]（見圖1）。當風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，迎風邊緣會存在極大的負風壓；而在其他區域由于尾流作用，風壓較小。因此，一般屋面板的破壞均發生于此。

1.3敞開體型大跨屋蓋結構的風荷載特征

懸挑屋蓋是敞開體型大跨屋蓋結構中比較常見的結構，而平看臺挑蓬為該類結構的最基本形式，對于平看臺挑蓬而言，當風向垂直于分離線時，由于分離作用會形成柱狀渦[4]（見圖3），產生很大的負風壓。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、下表面的力進行疊加可得到一個向上的升力。當來流傾斜吹向屋面邊緣時，在迎風拐角處會形成極大的負壓區，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 大跨屋蓋結構的風致破壞機理

大跨度屋蓋結構在風荷載的作用下，造成破壞的原因一般有以下3個方面[6].

2.1流動分離

當風遇到其尖銳的屋面棱角時，往往會產生流動分離，從而形成漩渦，而漩渦會產生很大的負壓。

從各種形式的屋面風壓分布可以看出，凡是負壓特別高的部位，總是伴有流動分離現象出現。特別是在屋檐、屋面邊緣和轉角等幾何外形突變的部位，常產生流動分離與分離再附。從以往的風災調查可以發現，由于屋面幾何外形的突變而引起的流動分離是導致屋面破壞的最普遍原因[6].

2.2內外壓力共同作用

體育場等敞開式屋蓋結構，其上下表面都受到風壓作用，且一般情況下，凈風壓 （上下表面的風壓差）都大于上表面風壓[6],所以只考慮上表面風壓的設計偏于不安全。需要注意的是，在某種特殊的風向下，屋蓋的某些部位上下表面的風壓會形成一致，壓力系數及體型系數均大于平時狀態，使得結構的受力狀況發生大的變化，也容易造成屋蓋的破壞。為了避免類似的破壞發生，在屋面的風壓計算時，應同時考慮上下表面風壓值疊加[6].

2.3屋面結構在風荷載作用下的動力效應

大型屋面結構自振周期與風速的卓越周期較為接近，且屋面結構大都具有質量輕、柔性大、阻尼小等特點，因此在風荷載作用下易發生風致振動破壞。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],這樣內壓紊流易產生Helmholtz共振。而附加阻尼不足以顯著降低振動響應。文獻 [9]指出，當在臺風中，門窗破壞突然開孔時，室內內壓突然增大。在風荷載的作用下容易產生共振，從而引起屋面的破壞。在我國臺灣等地區，屋面結構常發生共振破壞。3大跨屋蓋結構的風致破壞類型==大跨網架屋蓋結構是大跨屋蓋中應用最廣、發展最快的形式之一。所謂大跨網架屋蓋結構，就是指由許多桿件按照一定規律布置通過節點連接而成的網格狀結構體系?？紤]到大跨網架屋蓋結構在實際工程中出現得比較多，這里主要以體育場館中最常用的大跨網架屋蓋結構為例，來分析大跨屋蓋結構的風致破壞類型及對應的加固措施。

屋蓋結構是覆蓋大空間且直接承擔屋面荷載的結構[1].屋蓋結構破壞包括屋面板破壞和承重結構破壞。對于大跨網架屋蓋而言，屋面板一般為金屬屋面板，承重結構為網架等結構。那么大跨網架屋蓋的破壞就可分為屋面板破壞和網架結構破壞。而網架結構破壞又分為桿件破壞和節點破壞。其中常見的節點又分為焊接空心球節點、螺栓球節點和支座節點。

4 大跨屋蓋結構風致破壞后的加固措施

4.1大跨屋蓋的承重結構加固

大跨屋蓋的承重結構加固分為桿件加固和節點 （焊接空心球節點、螺栓球節點和支座節點等節點）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件受力部位，使之成一整體，來降低構件應力 （見圖5）。這種方法不僅可以提高結構構件的承載力，還能減少構件的變形和控制結構裂縫擴大。文獻[11]中鋼屋架對構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筑物中承受靜力作用的一般受彎及受拉構件。缺點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構表面，使薄鋼板與鋼管協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件的抗彎剛度，同時也提高了試件的穩定承載力[12].該方法簡便、快速，且不影響結構外形及使用空間，在國際上廣泛應用于建筑、公路橋梁的加固中。缺點是對施工工藝要求較高，一般應由專業隊伍施工。

3）套管加固法套管加固法就是在原鋼管外再套鋼管，讓原有的壓桿當作內管來承擔全部軸力，外包構件來抑制內管的側向彎曲、約束內管的橫向變形和防止內管在壓力作用下發生屈曲。文獻 [13]中網架屋蓋結構改造中，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件截面尺寸的情況下提高構件承力，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構構件和構筑物的加固。缺點是加固維修費用較高，且用鋼量較大。

4）預應力加固法預應力加固法是一種采用外加預應力鋼拉桿 （下撐式拉桿、組合式拉桿或撐桿等），對結構進行加固的方法。預應力加固法的具體做法是利用預應力鋼絞線調整網架桿件內力及應力水平，使其在受到新增風荷載時桿件的應力均在控制范圍。預應力能消除或減緩后加桿件的應力滯后現象，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濟的加固方法，可在幾乎不改變使用空間的條件下，提高結構構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。缺點是工序較復雜。

5）增替換設桿件增替換設桿件是加設檁條、支撐桿件來增加結構剛度和穩定性的加固方法。對于一些受損嚴重的桿件可以完全替換成新的構件。該方法施工工藝較簡單，缺點是加固作用不明顯。

6）改變受力體系加固法改變受力體系加固法是通過增設支點去改變結構的受力體系的一種加固方法。增設支點可以減小結構構件的計算跨度，降低計算彎矩；大幅度提高結構構件的承載力。通過增設支點來使部分桿件的內力降低，提高結構的承載力，起到桿件加固的目的，增設支點多用于大跨度結構的鋼屋架加固中。缺點是較多地影響了使用。

4.1.2屋蓋節點破壞的加固

1）補焊補焊包括增加焊縫長度和增加有效厚度2種形式。由于是在已有構件上施焊，需要大量的仰焊工作，技術要求較高。該方法節省鋼材，適用于各種形狀的節點加固。缺點是容易產生較大的焊接變形，構件質量難以保證。

2）增設連接板或加勁肋當僅用補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計承載能力和剛度外，還必須與節點板有可靠的連接，確保二者共同工作。另外增加節點板的面積，并增設加勁肋的做法也比較常用。文獻 [13]中網架屋蓋結構改造中，對節點的加固方法就是采用增設連接板的加固法。該方法加固效果好，適用于焊接空心球等節點的加固。缺點是鋼材使用量相對較大。

3）增加或更換螺栓節點處換用摩擦型高強度螺栓連接，或焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。該方法適用于螺栓球等節點的加固，且加固工序較簡單、加工方便。缺點是減小了板的界面面積并增大了集中應力，所以應注意確定各個螺栓距離的設計。

4.2大跨屋蓋的屋面板破壞的加固

在屋面板發生破壞時，當屋面板為鋼筋混凝土薄板時，也可采用大跨屋蓋發生桿件破壞時用的FRP加固法、預應力加固法等。但對于現在的大跨網架屋蓋來說，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。若金屬屋面板發生破壞時，一般常用的加固方法有下面幾種。

4.2.1抗風夾加固法抗風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，布設防風夾具的方式有滿布防風夾具、邊緣布置防風夾試件和梅花點加設防風夾試件等方式?？癸L夾適用于有T型支架的直立鎖邊金屬屋面等，該方法有效且經濟。缺點是適用范圍窄。

4.2.2增大截面法增大截面法是用增大結構構件或構筑物截面面積進行加固的一種方法。該方法能有效減小結構的動力風荷載效應，同時提高被加固構件的承載能力，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。該方法適用于結構中屋面板的加固等。缺點是增加結構自重。

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行加固。缺點是施工周期相對較長，且增加結構自重。

5 案例分析

某體育場看臺為弧形懸挑網架，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。受大風影響，東側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致承載力不足 （見圖6）。下面分別對大屋蓋網架結構中承載力不足的桿件及屋面板進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，所以采用了加設防風加強專用夾具的加固方案。

5.2桿件加固考慮到網架桿件多，且多為輕型管件，不宜進行焊接施工；且為了讓施工工藝簡單；所以沒有采用粘鋼加固和預應力加固，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算和數值模擬得到，于是通過屋面板與T型支架連接抗拔試驗得到：加設防風加強專用夾具加固后的試件，其屋面板、桿件在破壞時，屋蓋達到的極限荷載，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。試驗說明以上采用的加固方法很適用。

6 結論

1）大跨屋蓋結構加固改造應技術可靠、經濟適用、施工簡便和確保質量，從而比新建建筑更加經濟，施工時間更短。新增設的構件必須在強度、塑性、韌性及焊接性能方面與原結構相匹配，才能使加固后結構協同工作。對于加固時可能出現傾斜、失穩或倒塌等不安全因素，在加固施工前，應采取相應的臨時安全措施。

2）對于大跨屋蓋系統承重結構中的桿件破壞，常采用FRP加固法、粘鋼加固法、套管加固法、預應力加固法、增替換設桿件、改變受力體系加固法等方法；對承重結構中節點破壞時，常采用補焊、增設連接板和加勁肋、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，常采用抗風夾具加固法、壓頂加固等方法。

4）現有加固方法均有各自的優缺點和適用范圍，如何采用更簡易、快速的加固手段對大跨屋面的抗風薄弱環節進行加固是需要進一步研究的內容。

[參考文獻]

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