浙江自古以來就是臺風災害、洪潮災害以及雨雪災害多發地區，具有頻率高、強度大、災害損失嚴重等的特點。因此臺風風暴、洪潮以及雨雪所造成的經濟損失也是浙江省各類自然災害中排名靠前的。浙江省經濟發達，大跨空間結構應用廣泛。但近年來臺風、暴雪等惡劣天氣災害導致的大跨空間結構破壞時有發生，因此研究惡劣天氣環境下大跨空間結構的力學性能和失效機理具有重要的社會意義和科學意義。

袁行飛，教授，博士生導師，自1995年始從事空間結構研究工作，對索穹頂等新型索桿張力結構的體系開發、計算分析理論、結構優化控制等方面進行了系統研究。近年來也對結構在各種交叉領域如建筑節能、可再生能源利用中的相關理論和應用進行了有益探索。先后負責國家自然科學基金項目四項，主要研究方向是：空間網格結構，預應力空間結構，索桿張力結構，索穹頂結構以及結構分析基礎理論和設計技術。

2014年1月，袁行飛擔任浙江省自然科學基金重點項目"惡劣天氣環境下大跨空間結構失效機理研究"的項目負責人，該項目于2017年12月順利完成了結題驗收。項目從荷載、構件、結構三個層次對大跨空間結構在惡劣天氣環境下的失效機理進行了研究。建立了臺風和風致積雪計算模型，得到了結構在臺風風場下的平均風壓系數和各點風速時程，推導了屋蓋風致積雪分布系數計算公式。建立了拉索和壓桿精確力學分析模型，推導了適用于向量式有限元的精細梁單元彈塑性分析計算公式。對大跨空間結構倒塌全過程中的接觸、碰撞、斷裂等不連續行為進行了研究。將冗余度理論應用于空間結構的失效分析，基于局部構件失效后結構的冗余度分布評價構件重要性。開發了包含前處理模塊、計算分析模塊和后處理模塊在內的索桿張力結構倒塌分析程序，對空間結構受力全過程進行了仿真分析，研究了索穹頂結構和弦支穹頂結構在不同荷載作用、局部索破斷情況下結構的破壞模式及失效機理。對臺風作用下網殼結構和弦支穹頂結構的動力失效全過程進行了模擬，分析了災害雪作用下單坡屋蓋的力學性能和膜結構袋狀效應發展過程。

 

建立拉索和壓桿精確力學分析模型

 

拉索和壓桿是大跨結構中常用的兩種構件，壓桿由實心或空心鋼材制成，主要承受壓力。拉索由索材制成，主要承受拉力。由于索材的強度比鋼材強了好幾倍，所以拉索截面相比鋼構件來說小了很多，自重也輕了很多，所以在很多的大跨建筑、橋梁之中都可以看到索材料的運用。   

在袁行飛老師的課題研究中，就建立了鋼拉索靜力拉伸模型，考察了鋼絞線外層鋼絲螺旋角變化時，鋼絞線總軸力、彈性模量、抗彎剛度等參數的變化規律及截面應力分布規律，引入截面應力修正系數對截面平均應力進行修正。對大跨空間結構中常用的兩類索支撐壓桿——兩端索支撐壓桿和一端剛性桿支撐一端索支撐壓桿進行了非線性有限元分析，探討了支撐索不同初始預應力、初始缺陷和支撐桿不同剛度對壓桿及索桿單元穩定性的影響。推導了適用于向量式有限元的精細梁單元彈性應變和內力計算公式，并利用高斯積分法進行精細梁單元塑性分析，對平截面假定進行了修正。上述構件精確力學分析模型的建立為實現大跨結構受力分析打下了基礎。

 

惡劣天氣下的屋蓋研究

 

袁行飛老師回顧了大跨空間結構研究的發展歷程說：“常規荷載下的大跨空間結構受力分析已經持續了很多年，在我這個課題里，主要突出的是惡劣天下環境下的大跨空間結構受力研究。一般的設計師都能夠考慮到風和日麗情況下的建筑該怎么設計，但是像臺風、暴風雪、冰霜結冰、強降雨這些突發性的惡劣天氣，常規的設計師就很難考慮到?！?/p>

就拿臺風為例，袁行飛團隊的項目研究就基于 Yan Meng 臺風模型，確定了影響臺風風場的關鍵參數，擬合得到了臺風平均風剖面指數。用 FLUENT 軟件數值模擬了常規風場和臺風風場，得到了兩種風場下球面網殼平均風壓系數。采用諧波合成法，用 MATLAB 模擬了球面網殼結構在常規風場和臺風風場下表面各點的風速時程。

除了研究臺風模型之外，項目也研究了大跨屋蓋風雪作用的機理和數值模擬方法。采用風雪單向耦合及單方程雪相模型方法對典型球殼屋蓋結構進行風致積雪分析。通過改變風速和矢跨比分別研究屋蓋表面積雪侵蝕沉積量隨風速及矢跨比變化的關系。擬合了球殼屋蓋表面積雪侵蝕量隨風速和矢跨比變化的近似公式，并得出球殼屋蓋表面雪荷載不均勻分布系數計算公式，方便結構工程師直接應用。

對膜結構來說，荷載的不均勻分布即局部荷載極易導致袋狀效應的出現。如下雪天氣，當局部堆積的積雪厚度超過膜面正常承受范圍時，會使膜面產生局部凹陷。凹陷的曲面會引起周圍更多積雪的滑落，從而不斷加劇結構的凹陷變形，引發袋狀效應。又如強降雨天氣時，在強降雨的持續作用下，匯集到凹陷內的雨水越來越多，膜面變形和應力增大速度越來越快，短時間內可因膜面撕裂而破壞，非常危險。項目對膜結構在雪荷載及強降雨荷載作用下的袋狀效應進行了模擬分析?！罢憬_風、雨雪天氣較多，如果設計有瑕疵的話，膜結構會碰到流水或者積雪不通暢的情況，它的凹面就會像布袋一樣越來越大、越來越大，最終破壞。所以我們立項時，既要考慮項目的新意，同時也要考慮應用過程中可能遇到的問題。”

對典型大跨空間結構考慮風致漂移的雪荷載不均勻分布進行的數值模擬以及提出的屋蓋風致積雪分布系數計算公式等研究，補充和完善了我國現行建筑荷載規范中的雪荷載相關條例，為準確、安全地確定惡劣天氣災害荷載提供了依據。

 

研究大跨空間結構倒塌的不連續行為

 

計劃趕不上變化，雖然材料已經進行了嚴格的篩選和設計，但是理論和現實總有差異，實驗室里也不可能真的模擬出現實中才有的惡劣天氣，當真的發生事故時，該如何降低損失？袁行飛老師的團隊還對大跨空間結構倒塌全過程中的不連續行為進行了研究，建立了桿單元、索單元和梁單元的斷裂準則和斷裂模式，推導了桿件運動中的接觸和碰撞模型。認識到結構的超靜定數能反映結構整體冗余程度，袁行飛團隊將冗余度進一步擴展到構件層面，發展了針對單元的冗余度概念和計算方法。針對鉸接桿系結構，提出了一種定量評價鉸接桿系結構構件重要性的方法。所謂的冗余度，就是容錯率，就算建筑的構建出現了一些瑕疵時，也能夠維持建筑整體發揮出正常的功能。對結構冗余度的發展，能夠為建筑的安全性再加上一道保險帶。

 

師生討論             

 結構模型

 

總結

 

袁行飛團隊所進行的一系列研究可為浙江省大跨空間結構的安全設計和防災減災提供理論依據和技術支持。

袁行飛老師飽含深情地說：“我們的大跨空間結構主要是用于公共建筑以及一些重要的標志性建筑，比如說，體育館，然后就是一些交通樞紐，比如車站、機場這種，這些建筑的體量較大，幾千幾萬人在里面，其安全性就非常重要?！?nbsp;

大跨空間結構的設計與建造綜合體現了一個國家的基礎理論、應用技術、材料科學、建造設計施工等諸方面的水平，由于多用于大型公共建筑，這類結構關系國計民生，投資巨大，一旦倒塌會給社會生產和人民生命安全帶來重大損失，同時也會造成較壞的社會影響，因此，確保此類結構的安全意義重大。袁行飛老師團隊所進行的項目研究工作，對于保障國民生產、生活安全，維護社會齒輪平穩正常運行，有著重大的意義。

 

（作者：高天峰   通訊員：周麗敏 ）

來源：浙江基礎研究