大跨屋盖结构雪荷载的模拟研究

杨  易    钱基宏    金新阳

大跨轻钢屋盖结构质量较轻，阻尼小，刚度相对较柔，不仅是风敏感结构，也是雪荷载敏感结构。近年来，大跨轻钢屋盖结构由于暴风雪灾害而遭受破坏的情况时有发生。

以我国为例，2007—2010年期间，我国东北、华北和南方地区连续遭遇了四次大的雪灾，雪灾中大跨轻钢屋盖结构出现了大面积的垮塌事故。2007年3月，辽宁沈阳地区出现持续24小时的暴风雪，为56年一遇，城区平均积雪深度达36厘米，倒塌房屋百万平方米，其中以大跨轻钢结构破坏最为严重。2008年1月，我国南方遭遇近50年以来罕见的特大冰雪灾害，屋面积雪荷载接近甚至超过国家《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定的50年一遇的基本雪压的限值，造成湖南、湖北、贵州、安徽、江苏等10省区大量轻钢屋盖建筑如厂房、加油站等倒塌，直接经济损失超过1516.15亿。2009年11月，河北省出现全省范围自1955年有记载以来降雪持续时间最长、降雪量最大的一次雪灾；石家庄市区累积积雪深度为52厘米，造成加油站、学校等大量大跨屋盖建筑坍塌损毁，多人伤亡。2010年4月，黑龙江省部分地区降罕见暴雪，积雪厚度近20厘米；同年12月24日，黑龙江省遭遇10年来最严重的一次风吹雪灾害，瞬时风力最高达9级，路面能见度不足1米，部分路段积雪厚达3米。风雪灾害中，大跨屋盖结构发生垮塌事故时常见诸报道。

国外也频发大跨屋盖结构因雪灾损毁的事故。2006年1月2日，德国一家溜冰馆的房顶被20多厘米的积雪压塌，造成至少15人死亡。2006年1月28日，波兰西南部城市卡托维茨国际博览会一座展厅的屋顶因积雪发生坍塌，造成69人死亡，140多人受伤。2010年12月12日，美国明尼苏达州一大型橄榄球场屋盖被积雪压塌。

建筑结构的暴风雪灾害，一方面是创记录的降雪量；另一方面，风雪交加更加恶化了灾害的影响程度。例如，2007年3月发生在辽宁的暴风雪灾害中，平均风力6级—7级，阵风9级—10级。大跨度屋盖结构在暴雪灾害中的破坏形式包括：由于风的作用，在屋面产生不均积雪荷载，引起横向跨中梁柱节点两侧受力不均衡，最后导致梁柱节点弯扭失稳破坏等。

风雪流研究方法一览

风雪流是一种空气挟带着雪粒子运行的非典型、非均匀，具有粘性的复杂气固两相湍流流动现象。风雪流的研究主要应用在交通运输、山地积雪和雪崩监测与预报、居住区场地规划、建筑结构雪荷载评估等领域。如在公路交通领域，风雪流问题已得到系统研究，如结合实地观测数据、风洞模拟实验和数值仿真结果，研究分析用于公路雪害预警的风吹雪积雪深预测模型、路面积雪形成过程以及雪害形成的主要影响因素、防治公路风吹雪雪害措施。建筑结构的风吹雪荷载问题，这几年随着国内车站、航站楼、体育场馆等大型公共建筑工程建设的需求，加上气候异常，大跨屋盖结构雪荷载问题的研究受到重视和快速发展。

风雪流的研究通常有四种方法：理论分析、实地观测、试验模拟、数值仿真，以及结合这几种进行的综合分析方法。

一是理论分析。在研究风雪两相流运动规律的基础上，通过建立理论模型，给出规律性的结果或变化趋势。

二是实地观测。这是进行风雪流研究最直接的方法，通过实地测量给出流场的直接描述，获得流动的规律性认识。总结实测研究工作，按照研究对象可分为风雪流的实测和建筑结构风吹雪的实测。其中建筑结构风吹雪的实测，包括对膜结构弯顶大跨屋盖进行了雪荷载的持续观测、研究单层平屋面和高低跨屋面结构雪荷载堆积和主导风向之间的关系等。国外学者对一双坡屋面低矮建筑模型进行了2年的室外雪荷载实测研究，以获得屋面积雪分布规律。

三是试验模拟。按照试验类别，可大致分为风洞模拟、水槽模拟、造雪风洞模拟。

（一）风洞模拟

这是进行风雪流模拟最常规、也是最简便的方法，常被研究者采用。如进行模拟风雪流越过挡雪护栏漂移的系列试验、几种不同跨高比高低屋面风吹雪的缩尺模型风洞试验研究、高低屋盖结构的风致雪漂移荷载分布状况的研究等。有学者采用同样的风洞试验方法，研究大跨屋盖结构的雪荷载堆积和雪漂移，以及结构在整个冬季多次暴风事件中的最大雪荷载取值问题。

（二）水槽模拟

水槽试验也是进行风雪流模拟常用的试验研究方法。例如两种坡度角斜屋面的水槽试验研究、利用水槽试验模拟降雪后风吹雪漂移的状况，测试平屋盖、高低跨屋盖和斜屋盖等三种结构的雪荷载堆积等。

（三）造雪风洞模拟

造雪风洞试验一般需要在气象风洞或低温雪洞中进行，采用人工造雪生成雪颗粒进行试验，因此对风洞设备的要求也最高，同时也是进行风雪流试验模拟相对最直接的方法。

如在气候风洞中进行人工降雪风洞试验，测试多种建筑模型的积雪荷载分布系数、在气候风洞中进行温室结构的风吹雪的风洞试验，以给出雪荷载分布系数供设计使用等。国外一名学者进行了一项特殊的雪风洞模拟：在雪地现场用直流风洞，用自然降雪为模拟介质，进行了风吹雪的风洞试验，以研究高低跨屋盖结构的风吹雪荷载分布，获得了屋顶风吹雪和绕流速度场之间的关系。

风雪流数值模拟

基于计算流体动力学CFD技术，进行风雪流的数值模拟仿真，也是目前风雪流问题研究的热点。

CFD数值模拟风吹雪的运动基本有两种方法，一是拉格朗日—欧拉法，即质点追踪法。二是欧拉—欧拉法，即雪颗粒介质模拟为连续相，积雪的侵蚀和沉积等变化用雪相的体积组分浓度来进行“刻画”。

随着研究的深入和CFD数值模拟技术的发展，基于欧拉—欧拉法的两相流模拟法，成为风雪流数值研究的主流。如采用两相流数值模拟方法，研究围绕一栋高层建筑周围的雪漂移、基于两相流理论模拟2米方柱的风吹雪过程等。此外，作者采用两相流数值模拟方法，完成了鄂尔多斯温室这一典型屋盖结构风致积雪漂移导致的屋盖雪荷载不均匀分布模拟分析。

建筑设计规范有待继续完善

建筑结构在风雪作用下发生的损毁，除了基本雪压突破规范规定值这一气象因素外，也要从设计的角度，考虑风吹雪导致的积雪不均匀分布，即积雪分布系数这一关键设计参数的合理给定。

大跨屋盖结构风雪流模拟以及雪荷载预测，已受到越来越多研究者的重视；数值模拟也是当前风雪流研究的重点和热点，基于欧拉—欧拉法的两相流模拟是当前数值模拟研究的主流方法。由于许多基础问题如空气—雪颗粒两相间的动量交换、热量交换等相互作用，雪颗粒与空气湍流之间的相互影响，以及两相湍流之间的相互作用问题等，无法得到很好的解释；这也给大跨屋盖结构的风雪联合作用问题、风雪流的数值模拟仿真等带来相当的难度，数值模拟仍然还有许多问题有待深入研究。

建筑结构的暴风雪灾害不同于地震等灾害，它没有突发性，因此完全有可能从提升设防水平等方面着手，避免灾害的发生。目前我国在这一领域的基础性研究还有待深入开展，反应在工程设计标准上， 相关条款还不够完善甚至不尽合理。因此，积极开展大跨屋盖结构风致雪漂移的模拟研究，对提高大跨屋盖结构雪荷载设计的科学性和安全性，以及为未来提升我国荷载规范的水平，具有显著的理论与实践意义。

（作者单位：中国建筑科学研究院）

选自《平安校园》2023.12（总第265期）