大跨屋盖建筑网架结构体系防灾自动化监控可行性研究

陈光寰 李 惠 姜法贞

（1、吉林建筑大学，吉林 长春130118 2、吉林安装集团股份有限公司，吉林 长春130118）

1 概述

目前我国的经济发展非常迅速，因此国家建设非常繁荣，特别是大型公共建筑结构工程日新月异飞速发展。如：大型机场（北京新机场），体育馆，展览馆，高铁站，大型飞机制造厂等大跨公共建筑结构屋盖工程，其较大部分的公共建筑屋面结构工程属于大跨结构的网架结构屋面，特点是建筑屋盖造型丰富，受力状态随着外部条件等改变而发生较复杂的变化。如北方地区的雪荷载在初春或初冬的变化或极端天气状态下，或突降暴雨等偶尔会出现公共建筑屋面突发坍塌事故。导致经济损失人员伤亡造成极大影响。所以大型大跨公共建筑结构的安全性愈显重要。例如：英国某大型体育馆的倒塌，我国昆山国际展览馆屋盖网架工程坍塌事故，美国康涅狄格州哈特福德城体育馆屋盖结构采用了网架结构，其最大跨度100.58 米，于1978 年5 月18 日的大雨雪之夜屋盖结构突然倒塌等国内外大跨结构屋面安全事故时有发生。由于大跨结构工程的设计、材料、加工制作、施工工艺、异常的自然环境及对大跨结构屋面工程的监控措施不完善等因素，导致大跨结构屋面工程倒塌，造成人员伤亡国家财产巨大损失及不可估量的社会影响，所以对于公共大跨结构屋面的自动化监控是预防灾害发生是极为重要的主动措施，其以大跨网架结构屋面为例加以研究。

2 结构分析

现以大跨度钢网架螺栓球节点结构屋盖工程为例分析屋面结构在雪荷载（活荷）作用下钢网架螺栓球节点结构关键部位的监控方法。

结构模型：

2.1 模型的选择

对于大跨度建筑结构工程通常是指结构跨度60 米以上的建筑工程。现以跨度60 米长度90 米的钢网架结构工程（60 米x90 米）为例建立结构计算模型。并按中国建筑科学研究院建筑结构研究所《MSGS 空间网格结构分析设计软件》建立结构模型进行计算分析。其具体指标如下，钢网架几何尺寸：60mX90m。网格尺寸：X 方向网格：4.5mX20；y 方向网格：4.2857Mx14；钢网架结构矢高：3.7m（结构找坡端部高度2.2 米，坡度5%）。

2.2 荷载确定及加荷方法、状态、特点、过程（工程地点：长春地区）

通常大跨屋盖面钢网架结构为轻型结构，所以屋面活荷载在结构中起主导作用，主要考虑活荷载变化对结构体系的影响，其他设为恒定值。荷载如下：（1）恒荷载：网架上弦：0.3KN/M2，网架下弦：0.25KN/M2，（2） 活 荷载：网架上弦0.5KN/M2（其中雪荷载按100 年重现期的雪压为控制性荷载取0.5KN/M2），风荷载0.65KN/M2，及地震荷载等，建筑边界状态，网架结构为周边支撑，建筑屋面周边设置女儿墙。

2.3 计算依据：本网架结构采用螺栓球节点正放四角锥上弦支撑形式。采用中华人民共和国现行国家标准/规范/规程进行计算分析。结构按重要性分类，本工程安全等级为二级，设计基准其为50 年，主体结构设计使用年限为50 年，本工程建筑设防为类别为丙类，抗震设防烈度为7 度，设计基本加速度为0.1g，所在场地设计地震分组为第1 组，场地图类别为三类。

2.4 方案设计（按三种状况考虑）

（1）按正常状态进行设计分析计算

该方案是按正常状态下进行计算的，其上弦恒荷取0.3kn/m2，上弦活荷0.5kn/m2风荷载0.65kn/m2下弦恒荷0.25kn/m2，地震荷载。并考虑女儿墙附近区域雪荷载不均匀分布。通过计算分析得出轴线6 的支座反力最大-826kn，相对应的杆件受力亦较大上弦-740.3Kn（7A），下弦+669.7kn（6K）,腹杆+657.7kn（6J）。

（2）不考虑女儿墙的影响（不考虑雪荷载不均匀分布）

该方案是按无女儿墙状态下进行计算的，其上弦恒荷取0.3kn/m2，上弦活荷0.5kn/m2风荷载0.65kn/m2下弦恒荷0.25kn/m2，地震荷载。通过计算分析得出轴线6 的支座反力最大

721kn ,相对应的杆件受力亦较大。上弦杆6A-655.5 Kn，下弦杆5AK+604.6kn,腹杆5AG+582.5kn。

（3）考虑雪荷载超荷50%（1.5kn/m2）（注女儿墙影响范围内）设计分析计算结果

该方案是按女儿墙区域雪荷载增加到1.5kn/m2状态下进行计算的，其上弦恒荷取0.3kn/m2，上弦活荷0.5kn/m2风荷载0.65kn/m2下弦恒荷0.25kn/m2，地震荷载。并考虑女儿墙附近区域雪荷载不均匀分布。通过计算分析得出轴线6 的支座反力最大983kn，相对应的杆件受力亦较大上弦杆9D-861.4Kn，下弦杆6S+765.9kn，腹杆6R+765.2kn。见网架结构杆件内力分布图（一）及网架结构杆件布置图（二）。

网架结构杆件内力分布图（一）

网架结构杆件布置图（二）

2.5 计算分析、画图、列表标注关键元素

（1）设计图纸

支座反力布置图，网架杆件布置图（上弦、下弦、腹杆布置图、）网架结构内力布置图。

（2）关键区域关键元素（位置）筛选（根据设计参数值列表对比）

a.关键部位杆件受力——拉力压力；b.关键部位高强螺栓-拉力；c.关键部位支座反力表。

大跨屋面网架结构关键节点状态设计参数分析表

2.6 主要关键元素定性及危害状态分析

通过对大跨屋面网架结构的多个不同活荷载（雪荷载）作用下的工程设计关键节点分析得出，大跨轻质网架屋面结构对雪荷载作用非常敏感，其雪荷载经常是控制荷载，极端雪荷载作用下容易造成结构整体破坏后果特别严重。因此有必要对雪荷载全面考虑，根据工程所在地情况/工程几何尺寸/是否有影响对雪荷载堆积情况，如女儿墙/高低跨/是否存在极端天气雪荷载堆积极限状态的可能性等进行综合分析。从安全及经济方面考虑适当增加其安全储备。如增加关键核心支座范围内的杆件及高强螺栓的规格级别提高其安全储备以防事故发生。此外也可在使用过程中采取卸载措施以防超限。

3 解决方案（关键部位元素的监控方法及实施）

通过上述分析我们可以采取以下方案：（1）在大跨屋面网架结构施工过程中在关键范围的多个关键节点（支座/杆件等）处设置传感器将其受力信息传输到控制中心。当屋面结构雪荷载的超限时控制中心经与标准值进行比较，若超过控制值随即报警并进行卸载处理。（2）在大跨网架结构屋面体系上设置雪荷载自动监控报警设备，当极端天气下能够监控到大跨网架结构屋面雪荷的实际数值，当雪荷载值超限时自动报警而采取卸载措施以确保结构安全。（3）通常可在大跨网架结构屋面上设置熔雪系统，当屋面雪荷载超限其监控系统自动报警而触发自控开关进行灾害防治处理以确保结构安全可靠。

4 结论建议

4.1 设计人员应该充分考虑关键部位的构配件的选用，并充分考虑其关键元素结构安全储备以确保整个结构体系的安全可靠，为防极端雪荷载的现象发生建议设计时考虑大跨网架结构屋面设置雪荷载自动监控报警系统确保安全。

4.2 效果评估，发展前景及应用。目前我国大跨网架屋面结构日益增多其中有较多建筑工程处于寒冷地区且雪荷载灾害频发，导致建筑结构整体破坏危害着人民生命财产安全给国家社会带来极大影响及经纪损失。所以有必要进行大跨网架结构屋面雪荷载自动化监控确保结构安全，其应用前景广泛经济效果可观，应加大力度促进建筑工程大跨结构行业安全自动化监控的研究发展及应用。