冰雪堆積對(duì)建筑物壓力變化的影響仿真分析

冰雪堆積對(duì)建筑物壓力變化的影響仿真分析

張雪菲，王迪(1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012；2.吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春130117)1引言極端氣溫在氣候變暖的影響下頻繁發(fā)生，不僅形成自然災(zāi)害，還對(duì)人們的生命安全帶來(lái)威脅。尤其是風(fēng)雪災(zāi)害，嚴(yán)重干擾人們正常生活。在我國(guó)東北地區(qū)，冬季的旅游項(xiàng)目均以滑雪為主，如果一旦出現(xiàn)冰雪災(zāi)害，旅游區(qū)內(nèi)的建筑會(huì)受到不利影響，甚至出現(xiàn)坍塌事故，無(wú)法保證游客絕對(duì)安全。雖然在景區(qū)民宿內(nèi)設(shè)置專門(mén)清理積雪的設(shè)備，但如果遇到極端天氣，也無(wú)法保證建筑的絕對(duì)安全。由于景區(qū)內(nèi)的建筑形狀多種多樣，因此在內(nèi)部與外部因素共同作用下導(dǎo)致積雪分布不均，使雪負(fù)荷對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞力更加顯著，所以分析冰雪堆積對(duì)建筑承壓的影響尤為關(guān)鍵。趙杰[1]等人分析了平屋蓋雪密度分布情況，利用雪特性分析儀獲取屋面風(fēng)速與雪密度數(shù)據(jù)，綜合考慮雪厚度、密度等因素對(duì)雪密度的影響規(guī)律；并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和國(guó)外的屋面密度公式的計(jì)算值做比較，得出雪密度與降雪時(shí)間為連續(xù)性分布，為分析建筑承壓性提供參考。章博睿[2]等人研究了采暖建筑的雪負(fù)荷實(shí)測(cè)方法，構(gòu)建一個(gè)裝配式可變屋頂熱阻與室內(nèi)采暖建筑實(shí)測(cè)模型；分析屋面自然降雪的密度值和融雪期，結(jié)果表明雪負(fù)荷變化呈現(xiàn)出“三段式”形式。上述均以雪密度為研究重點(diǎn)，而冰雪堆積對(duì)建筑承壓的影響因子較多。本文將從雪密度、雪壓、建筑采暖、屋面材料等多方面分析冰雪堆積下建筑的承壓性能。在仿真中，分別研究不同結(jié)構(gòu)建筑的冰雪堆積情況，可以為積雪的及時(shí)清理，以及后續(xù)建筑施工提供參考意見(jiàn)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。2冰雪堆積下建筑破壞特征與承壓風(fēng)險(xiǎn)分析2.1建筑破壞特征在長(zhǎng)期冰雪堆積的情況下，建筑土體會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象[3]，再加上冰雪融化沉陷，對(duì)于荷載較小的房屋建筑來(lái)講，受到地基土凍脹作用，導(dǎo)致建筑產(chǎn)生變形。常見(jiàn)的變形分為下述幾種：1)傾斜裂縫在出現(xiàn)凍脹情況時(shí)，因建筑受凍不均，墻體四角受到的凍脹影響高于其它部分，在不均勻力作用下，墻體會(huì)出現(xiàn)彎曲，容易產(chǎn)生傾斜裂縫。這種裂縫通常會(huì)發(fā)生在后墻與側(cè)墻的銜接縫處，門(mén)窗各角落部分也會(huì)受到影響。在冰雪消融階段，地基土水分增多，加上墻角產(chǎn)生的應(yīng)力重疊[4]作用，墻體四角會(huì)出現(xiàn)塌陷，且中部上拱，裂縫發(fā)生區(qū)域與凍脹階段相同。2)水平裂縫產(chǎn)生的原因主要是建筑內(nèi)外兩側(cè)存在較大溫差，北方冬季室內(nèi)都具備取暖措施，墻體內(nèi)外溫度相差較大，使凍脹程度出現(xiàn)明顯差異。因此會(huì)產(chǎn)生較大的切向凍脹力，并且外墻的凍脹力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)墻。在該力作用下，形成偏心彎矩，擴(kuò)大內(nèi)墻閉口，出現(xiàn)水平裂縫。3)垂直裂縫因凍脹與消融不均導(dǎo)致墻體轉(zhuǎn)角部位生成剪力[5]，在此作用下形成垂直裂縫。2.2建筑承壓分析建筑承壓包括整體與局部?jī)煞N，其中局部承壓產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)更大，是指在建筑某一部分的表面受到較大壓力。其主要特征是承壓面積小，但受到的壓力較大，容易出現(xiàn)表面破裂。如果A代表建筑整體表面積，Al表示局部承壓表面積，結(jié)合A/Al的計(jì)算值不同，將承壓風(fēng)險(xiǎn)劃分成：1)若A/Al<9，造成的風(fēng)險(xiǎn)是混凝土產(chǎn)生裂縫后建筑再受到損傷，此種風(fēng)險(xiǎn)的形成是因?yàn)榫植砍袎好娣e和整體面積差距較小，因此當(dāng)局部承壓超出最大值時(shí)，混凝土?xí)煽v向壓力，損傷現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)在內(nèi)部，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，危害性較大。圖1為先裂縫再損傷時(shí)的承壓風(fēng)險(xiǎn)示意圖。圖1先裂縫再損傷時(shí)的承壓風(fēng)險(xiǎn)2)若A/Al≥9，此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)為混凝土和建筑體同時(shí)出現(xiàn)損傷，此種風(fēng)險(xiǎn)具有一定的突發(fā)性，破壞速度快，必須對(duì)承載力作出嚴(yán)格控制。圖2為裂縫與損傷同時(shí)發(fā)生的承壓風(fēng)險(xiǎn)示意圖。圖2裂縫與損傷同時(shí)發(fā)生的承壓風(fēng)險(xiǎn)3冰雪堆積下建筑承壓因子分析3.1雪壓因子雪壓因子[6]的表達(dá)式如下KE≤R(1)式中，K代表承載力安全系數(shù)，因該數(shù)值的位置在作用效應(yīng)之前，也屬于作用效應(yīng)系數(shù)，其取值范圍是[1.4～1.55]。E表示構(gòu)件內(nèi)力，例如彎矩值等，也是效應(yīng)代表值。R是表示承載力的特性值，即為承載力標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。3.2建筑采暖因子在具有采暖條件的建筑中，室內(nèi)產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致雪荷載降低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出，室內(nèi)溫度始終保持在零攝氏度以下的建筑雪負(fù)荷通常高于采暖建筑。由于建筑取暖促進(jìn)屋面融雪速度加快，對(duì)屋頂傾斜系數(shù)Cs和熱力系數(shù)Ct做耦合處理[7]。結(jié)合屋面特征，分成光滑屋面和一般光滑屋面。通常情況下，有采暖建筑的積雪融化時(shí)間更短。此外，光滑屋面與一般屋面相比，積雪外排會(huì)更加容易。為準(zhǔn)確得出采暖因子對(duì)系數(shù)Cs產(chǎn)生的影響，視熱力系數(shù)Ct為連續(xù)自變量，組成Cs有關(guān)屋面傾斜角α與Ct的數(shù)量場(chǎng)函數(shù)Cs(α，Ct)，針對(duì)光滑排水屋面有(2)(3)3.3建筑屋面材料因子屋面材料在積雪滑落和熱阻值獲取等方面具有顯著作用。結(jié)合相關(guān)規(guī)范，將材料系數(shù)[8]Cm用于屋面雪負(fù)荷系數(shù)μb的計(jì)算過(guò)程中。為量化系數(shù)Cm對(duì)該值的影響，令Cm為一個(gè)自變量，建立μb有關(guān)傾斜角α、Cm之間的數(shù)量場(chǎng)函數(shù)[9]μb(α，Cm)，表達(dá)式如下(4)3.4結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1)建筑承壓模型建筑物某部分承載的壓力可通過(guò)下述公式表示(5)式中，W為該部分承受的靜態(tài)壓力，v是彈性形變量[10]，R′代表建筑物臨界半徑，t′描述建筑物厚度，α則代表壓力角度。此部分抗壓性可表示為如下形式(6)式中相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下：(7)Ls=2Rcosα(8)(9)式中，Ls代表建筑截面面積大小，m代表承壓區(qū)域。通過(guò)下述公式即可獲取該建筑物承壓的最大極值：(10)如果超出式(10)計(jì)算得出的最大承壓值，建筑物發(fā)生危險(xiǎn)的可能性會(huì)增大。2)整體彈性形變量在上述最大承壓值的約束下，可計(jì)算出建筑物彈性形變量。如果某建筑上存在m個(gè)承壓區(qū)域，通過(guò)下述公式可以計(jì)算出整體的形變量yi∈{0，1}，i∈(1，m)(11)式中，i代表建筑物的第i個(gè)承壓點(diǎn)，Li描述i點(diǎn)處的截面積，vi則是i點(diǎn)處建筑材料的形變量，yi描述0-1的決策變量，其中0和1分別表示混凝土、鋼筋材料，c是建筑物整體所受負(fù)載。建筑物質(zhì)量取決于多個(gè)方面，本文將混凝土、鋼筋強(qiáng)度以及承重墻面積作為主要影響因素。為計(jì)算方便，只選擇對(duì)承壓起到?jīng)Q定性作用的參數(shù)當(dāng)作變量，將其它因素作為常量。因建筑物在壓力作用下容易發(fā)生形變，如果超出自身最大形變量，則會(huì)發(fā)生坍塌事故。所以，將建筑物面積、形變量等當(dāng)作設(shè)計(jì)變量。3)相關(guān)約束條件建筑物在不同受力階段表現(xiàn)出的特征不同，所以為確保建筑物安全，設(shè)定承壓范圍內(nèi)混凝土與鋼筋表現(xiàn)出的應(yīng)力約束條件：針對(duì)該區(qū)域內(nèi)使用的混凝土未裂開(kāi)區(qū)域表示為σkc+σpt≤0.5fck(12)式中，σkc代表混凝土壓應(yīng)力，可通過(guò)下述公式計(jì)算(13)式中，Mk代表彎矩值。σpt描述建筑物的拉應(yīng)力[11]，計(jì)算公式如下(14)鋼筋拉應(yīng)力最大值：針對(duì)建筑物使用的鋼筋，未裂開(kāi)部分表示為σpe+σp≤0.65fpk(15)式中，σpe代表此區(qū)域鋼筋的預(yù)應(yīng)力。σp是鋼筋生成的拉應(yīng)力，其表達(dá)式如下σp=αEPσk(16)式中(17)式中，en代表鋼筋圓心和承壓區(qū)域截面距離，e0為鋼筋圓心與換軸之間的距離。αEP是鋼筋、混凝土之間的彈性模量比。4仿真數(shù)據(jù)分析與研究仿真中將吉林松花湖滑雪場(chǎng)作為分析對(duì)象，該滑雪場(chǎng)位于吉林市豐滿開(kāi)發(fā)區(qū)，山高935m，最多可接納兩千名滑雪游客。此地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，山林眾多，污染較小，冬季雪量大，雪期時(shí)間長(zhǎng)，每年平均雪期為5個(gè)月。4.1不同自然條件下冰雪堆積對(duì)建筑承壓的影響分析在研究不同自然條件下冰雪堆積對(duì)建筑承壓影響的過(guò)程中，需借助雪密度這一概念?，F(xiàn)有的雪密度測(cè)量方法較多，本次實(shí)驗(yàn)選擇稱重法完成密度測(cè)量。假設(shè)被測(cè)量的樣本雪塊分布均勻，通過(guò)溫度計(jì)與濕度計(jì)獲取氣溫與濕度，再使用電子秤量取雪塊質(zhì)量，利用下述公式即可計(jì)算出雪密度：(18)公式中，ρ表示雪密度，M′為積雪質(zhì)量，a與b均代表積雪樣本邊長(zhǎng)，h描述雪厚度。選取同一個(gè)測(cè)試地點(diǎn)，在不同溫度與濕度下分析積雪堆積情況，雪密度測(cè)量值分別如圖3和4所示。圖3不同溫度下的雪密度變化曲線由圖3中的雪密度變化曲線可知，無(wú)論雪厚度是6cm還是9cm，雪密度都會(huì)隨溫度的升高而升高，且上升速度較快。因此，溫度升高，雪密度增加，但是此時(shí)雪的總體積會(huì)減少，雪壓降低，建筑承載的負(fù)荷也隨著減少。圖4不同濕度下的雪密度變化曲線由圖4能夠看出，隨著濕度的不斷增加，雪密度隨之增大。主要因?yàn)闈穸容^大時(shí)，雪中的含水率上升，增加雪密度。但雪的總體積減少，壓力降低，因此當(dāng)濕度較大時(shí)，對(duì)房屋造成的負(fù)荷相對(duì)較小。4.2不同屋頂形狀冰雪堆積結(jié)果對(duì)建筑承壓的影響分析在該滑雪場(chǎng)中，共存在3種形狀的屋蓋，分別為平屋面、拱形屋面以及高低跨層屋蓋。經(jīng)過(guò)對(duì)不同形狀屋面雪厚度的分析，得出冰雪堆積下建筑結(jié)構(gòu)雪荷載分布規(guī)律。1)平屋面該地區(qū)的平屋面建筑通常帶兩個(gè)女兒墻，平面尺寸約為12m×10m，屋面形狀見(jiàn)圖5。積雪厚度的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。圖5平屋面形狀圖圖6平屋面積雪厚度測(cè)量結(jié)果圖6顯示，平屋面上的積雪分布中間部分較為均勻，靠近女兒墻附近容易產(chǎn)生較多積雪，甚至是中間部分的二倍。因此，女兒墻附近的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)承載更多雪負(fù)荷，如果不對(duì)其及時(shí)清理，容易導(dǎo)致女兒墻體裂縫，引發(fā)屋面坍塌。2)拱形屋面拱形是一種較為常見(jiàn)的建筑形式，其實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖7所示。本文選取的是滑雪場(chǎng)內(nèi)住宿區(qū)域房屋，跨度為12m，高度為1.2m。圖7拱形屋蓋示意圖圖8拱形屋面積雪厚度測(cè)量結(jié)果由觀測(cè)結(jié)果得出：拱形最高點(diǎn)處的積雪比相鄰位置積雪要少，且由中間點(diǎn)向兩端逐漸增加，在鄰近邊緣的地方又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此在最高點(diǎn)兩側(cè)的位置受雪負(fù)荷較大，此處更容易發(fā)生危險(xiǎn)。3)高低跨屋面高低跨層屋面為臺(tái)階狀，如圖9所示，其中低層面長(zhǎng)度為5m，高層面長(zhǎng)度為7m。圖9高階跨層屋面圖圖10高階跨層屋面積雪厚度測(cè)量結(jié)果由圖10得出，高低跨屋面在低層且靠近高層區(qū)域容易造成積雪過(guò)多，且在低層屋面的積雪分布不均勻，不利于建筑的整體穩(wěn)定；在高層面中，靠近低層面處積雪較大，距離越遠(yuǎn)則積雪厚度越小。5結(jié)