大跨度工程结构的冰雪灾害和工程应对

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大跨度工程结构的冰雪灾害和工程应对程利鹏071941前言：2008年一月，我国南方遭遇了近半个世纪以来罕见的特大冰雪灾害，湖南、贵州、浙江、安徽等19个省市先后遭受到了低温、雨雪、冰冻灾害的影响，造成了重大的经济损失。我国属季风大陆性气候，冬春时气候诸要素变率大，导致各种冰雪灾害每年都有可能发生。近年来，全球气候的异常，更是加剧了冰雪灾害对我国的影响，例如：有分析就认为拉尼娜现象导致的赤道洋流的异常是导致我国08年大雪灾的主因。而作为一个未来的工程技术人员，我们首要关心的当然是冰雪灾害对工程结构的影响，而08年许多工程结构的损坏甚至是倒塌的事实也证明这种关心也是必须的。从08年雪灾中工程事故来看，钢结构破坏的是最多的，而混凝土结构则很少发生破坏。仔细分析一下就不难知道原因。当然最直接的原因就是没有考虑那么大的冰雪荷载，另一个主要原因我认为就是钢结构的安全储备不如混凝土高。钢材是一种匀质材料，我们可以很精确的进行设计，一旦超过极限，结构就会发生破坏，而混凝土为非均匀材料，我们在考虑材料强度的时候都比较保守。还有一个很重要原因就是混凝土的自重很大。按现行的《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）对于恒载的分项 系数规定，当结构效应由恒载控制时取1.35，由活载控制时取1.2，而混凝土楼板厚一般在8cm—16cm，假设我们取楼板厚度10cm，分项系数1.2，混凝土自重24kN/m，则恒载中的安全储备为：q=0.2×24×0.1=0.48KN/m。而钢结构的恒载标准值大致在1KN/m，安全储备在0.2KN/m。而我国很多城市百年一遇的雪荷载也就在0.5KN/m左右，可见即使不考虑活载的安全储备，混凝土也比钢结构对雪荷载的抗力大。但也由于混凝土自重及自身强度的限制，近些年来，我国建成了许多大跨度空间结构采用的都是钢结构，例如：上海体育场的马鞍形环形大悬挑空间钢结构屋盖和上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖钢结构。因此我们可以主要考虑冰雪荷载对钢结构尤其是大跨度钢结构的影响。灾害分析：说到大跨度，学过结构力学的人第一反应的便是公式：，可以说这大致说明了为什么大跨度工程结构对冰雪荷载的敏感性：内力与跨度的平方成正比。当然这是一种非常近似、直观的看法，实际的雪荷载并不是均匀分布。对于有坡度的屋面或其他建筑顶面，会因为积雪的滑移导致局部雪荷载过大。而即使对于坡度很小或几乎没有坡度的屋面，在风的作用下，也会出现偏载的情况。《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)规定单跨双坡屋面仅当20≤α≤30，采用不均匀分布。而一般轻钢厂房坡度在5％一10％，故在设计时一般都采用均匀分布计算。但是，从08年 冰雪灾害中破坏的轻钢结构厂房来看，部分双坡屋面轻钢厂房出现半边垮塌，后经检测分析，这主要就是雪荷载的不均匀分布所致。因此对于一些非常重要的大跨度结构都要通过专门的软件对雪荷载进行精确的分析。而另一个重要原因从“冰雪”中的“冰”字就可以看出来。雪的密度一般在200kg/m左右，而冰的密度为912kg/m，远远大于雪的密度。而冰雪天出现的最不利情况就是雪与冻雨交替而来，使得结构承受的雪荷载变为冰荷载。08年的冰冻灾害，使得一些地方屋面结冰厚度达100—150mm，冰荷载已经是百年一遇雪压的3—5倍，大大超过了设计荷载。最后，在我国还有一个长期被人诟病的原因就是施工质量太差，几乎无法达到设计要求的状态。有些钢结构的连接居然是用胶水，在被水浸湿后，强度大大减弱；即使是焊接质量也不到位。当然，桥梁也属于大跨度的范畴，但无论相比于桥梁的恒载还是活载，冰雪荷载都显得很小，不会成为桥梁结构的控制荷载。如果说有影响的话，我觉得就是为了对积雪进行解冻，会大量使用盐，而这些盐中的氯离子随水流渗入混凝土会对其耐久性造成很大的影响。应对措施：1、对于一个优秀的土木工程师来说，应对不利情况最有效的办法就是事先予以从分的考虑，冰雪荷载也不例外。在进行大跨度的设计时要从分考虑到雪压分布的最不利情况，事实证明冰雪荷载有可能会成为大跨度结构的控制荷载之一。当然这么说有些空泛，需要工程师自己不断去实践。例如北京首都机场的3号航站楼的T3A航站楼长约960m，最宽处约 780m，最高处45m，其屋面最大悬挑处为60m，航站楼地处北京市郊，降雪频率高，降雪量较大，雪荷载成为结构的控制荷载之一，精确分析它的雪荷载十分必要，同济大学的老师就做过专门的分析。2、已经发生的工程中的冰雪灾害，已经表明现行荷载规范对冰雪荷载的估计不足，未充分考虑冰雪荷载的不均性和极端性。日本和美国的规范对雪荷载的考虑均较高，例如MBMA设计手册规定，对高低墙、女儿墙、屋面有高差处要根据地面雪压和房屋实际尺寸计算雪荷载增大值，最大可达4—5倍。3、当然还有一点，就是要保证施工质量，可以说这是结构是否安全的最后也是最重要的一道屏障！4、最后要提的一点就是当一切包括设计、施工都已成型的时候，当屋面上有较大雪荷载，我们要充分发挥自己的能动性，只要设法把冰雪除去不就没有荷载了吗？。总结：对于工程结构来说，相比于大风，地震这些作用，冰雪荷载并不算一个很大的问题，甚至是有点不值得一提，只要我们稍加注意，这只是一个很简单也是一个很容易解决的问题。