大跨度异形钢结构屋面设计思考

摘要：近年中国建造了许多功能复杂、跨度大、社会影响重大的大型钢结构场馆工程。以工程项目为背景，阐述了屋面形状与风载体型系数、屋面排水及相应雨水荷载的关系问题，讨论了屋面结构形式与屋面跨度和厚度的关系问题、屋面形状与钢结构节点形式的关系问题，这些问题对大型场馆钢结构屋面的安全性、经济性均有显著影响。

关键词：大型场馆;钢结构屋面;

近年随着我国经济的高速发展，众多大型体育场馆和会展场馆也在设计和施工中。这些大型场馆功能复杂、跨度大、并具有特别重要的社会影响，所以其建设也受到社会各界广泛的关注。下面结合一些具体的实际工程，对大型场馆建筑异形钢结构屋面的概念设计问题作一初步探讨。

一、 屋面形状与风载的体型系数的关系问题

大型场馆屋面的特点一般是覆盖范围较大、屋面与水平面的夹角较小。场馆根据其周边封闭与否分成\"馆\"和\"场\"两类。对于周边墙体封闭的称为\"馆\"，如体育馆、展览馆;对于周边墙体不封闭的称为\"场\"，如体育场。

\"馆\"类建筑屋面风的体型系数一般为负，即受风吸作用。由于一般情况下风的吸力小于大跨度屋面自重，所以风吸不是控制荷载。但对于风较大的区域，加上建筑物高度和风振的影响，风吸作用产生的结构效应可能会超出屋面自重标准值作用下的效应。对结构分析的两个重要工况：风+自重以及自重+活载，计算分析表明即使受风较大的区域，前者工况下效应的绝对值一般也不会大于后者工况下效应的绝对值，所以往往认为前者仍然不起控制作用。但需特别注意的是，两种工况下杆件受力可能变号，认为起控制作用的后者工况下的拉杆在前者工况下可能受压，因此此时的压杆稳定问题不容忽视。

对于 \"场\"类建筑，则应根据屋盖各部分形状与风向的相对关系来确定屋面受风吸还是风压。根据流体力学的基本原理，凡是与某一风向对应的屋顶剖切面呈上拱形，则屋面上表面的水平风速大于屋面下表面水平风速，风对屋面有上托的合力作用，即体型系数为负，是风吸;凡是与某一风向对应的屋顶剖切面呈波谷形，则屋面上表面的水平风速小于屋面下表面的水平风速，风对屋面有下压的合力作用，即体型系数为正，是风压。波谷形屋面的风压与屋面自重同向作用，组成了控制性的荷载效应组合，因此如果不考虑这类屋面的风压作用是很危险的。

例一， 某会展中心：该会展场馆由多个上拱形屋面的展厅和波谷形屋面、周边开敞的连廊组成，其屋面整体造型如大海的波浪，蔚为壮观。然而最初结构分析时对于下凹形、周边开敞的连廊屋面未考虑顺连廊方向风吹时的风压作用，并加上下凹屋面因排水不畅的部分积水，造成了在风雨不大的荷载状况下结构支座的严重变形。后来计入了风压不利作用，并对结构作适当改造，既保持了原结构壮观的风貌，又解决了结构安全问题。

例二， 某体育中心：该体育中心的若干场馆由游龙状的异形钢结构屋面覆盖，为了明确该场馆屋面各部分的体型系数，进行了风洞试验，测定了12种风向下700多个点的体型系数。风洞试验结果表明，下凹屋面顺波形方向吹风的体型系数为正，即具有风压，而其他状况则均为风吸。

《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)关于风载体型系数的表中，对周边开敞的屋面的风的体型系数作了规定，这些规定充分考虑了该类屋面体型系数对风的方向的敏感性，强调要考虑体型系数的\"变号\"。而对大型场馆屋面风的体型系数的简单变号会导致结构造价的大幅度增加，所以对于周边开敞的下凹屋面部分设计前应首先对风压的方向作出正确的判断，体型系数的具体数值，则最好由风洞试验确定。特别是对于跨度较大的下凹屋面体型系数的选定更应当慎重。

二、屋面形状与排水及相应荷载的关系问题

大型场馆屋面面积大，屋面排水与结构、使用和维护关系很大。我国古典的\"大屋顶\"采用了非常接近于\"最速降线\"的屋面剖切线，使雨水尽快排下，从而减少了结构受力并降低了对屋面密封性的要求。这是成功的范例。

目前国内一些大型场馆的屋面设计，较多地考虑屋面形状的独特性，而对排水功能相对考虑较少些，以致屋面排水路径过长，大面积雨水汇聚于结构效应敏感区域，给结构设计和屋面维护设计带来一定困难。例如有些体育场的屋面倾斜方向与观众席台阶倾斜方向一致，整个屋面几十米宽范围的雨水向观众席的前端挑檐汇聚，雨水到了挑檐前端后还不能夺路下泻，因为这显然会影响雨中观球，所以汇聚后的雨水还要向两侧各经过上百米的天沟才能找到出路。对于这样的屋面进行结构设计时显然需要考虑雨水的作用，因为在暴雨中这种荷载效应很有可能大于屋面活荷载。然而目前这种雨水汇集流经荷载的计算，规范中尚无相应标准。再如，处于寒冷地区的下凹屋面，如果排水不畅，屋面高处受日照融化的雪水与下凹处没有受日照融化的雪聚集在一起，雪与水又结成冰，这样的冰雪荷载也可能很大，但又无法明确计算。

根据观察和分析，对于异形屋面应从如下三个方面考虑排水问题。

(1)屋面形状尽可能满足快捷排水的要求。排水路径要短，水流要分散，坡度要适当。即使满足这些要求，在进行结构分析时，屋面荷载组合仍应考虑大风暴雨时雨水作用的不利效应。

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