雪壓之下，建筑如何屹立？——評估建筑結構安全的關鍵步驟

在嚴寒多雪地區，皚皚白雪為大地披上銀裝的同時，也潛藏著對建筑物安全的嚴峻威脅。沉重的積雪會轉化為巨大的壓力，作用在屋頂、雨棚、溫室等結構之上，一旦超出其承載能力，便可能導致結構變形、坍塌，造成嚴重的經濟損失和安全隱患。抗雪壓試驗，正是保障建筑在風雪嚴寒中安全屹立的關鍵技術手段。

抗雪壓試驗的核心目標：模擬風雪考驗

這項試驗絕非簡單的重量加載，其核心在于科學地模擬積雪在各類建筑結構表面可能產生的實際荷載效應。它旨在精確評估：

1. 承載極限： 結構或構件在失效前所能承受的最大雪荷載。
2. 結構響應： 在持續雪壓作用下，結構發生的變形程度、關鍵部位的應力分布以及整體的穩定性。
3. 安全裕度： 驗證結構設計中的雪荷載取值是否合理，評估其在極端天氣條件下的安全儲備。
4. 破壞模式： 揭示結構在超載情況下的薄弱環節及最終的破壞形式，為改進設計提供依據。

試驗方法：精準施壓，科學度量

根據試驗對象、精度要求和場地條件，主要采用兩種方法：

1. 液壓伺服加載法 (最常用且精確)：

   • 原理： 利用計算機控制的液壓伺服加載系統，通過布置在結構關鍵點（如屋面、桁架節點）上的多個作動器（千斤頂）施加模擬雪荷載分布的集中力。力的大小、方向和加載時序均可精確控制。
   • 優勢： 可精確模擬設計雪荷載分布圖（考慮不均勻分布、局部堆積、風吹積雪效應等），加載過程可控且可逆，能實時監測結構響應（應變、位移），安全性高，不受天氣影響。
   • 核心設備： 液壓泵站、伺服作動器、力傳感器、位移傳感器、應變片/應變計、高速數據采集系統、控制計算機及專業軟件。

2. 實物堆載法 (相對簡單直接)：

   • 原理： 在結構表面（通常是屋面）直接堆積重物（如沙袋、水箱、配重塊）來模擬雪壓。單位面積上的重量需根據設計雪荷載密度（例如，150 kg/m²）換算確定。
   • 適用場景： 適用于形狀規則、規模不大且承載能力相對較低的輕型結構（如小型溫室、簡易雨棚），或現場條件受限的情況。
   • 局限： 難以精確模擬復雜的荷載分布（尤其是風吹導致的屋脊、檐口處堆積），加載效率低，卸載困難，安全風險相對較高（需防范加載不均或局部坍塌），對結構基礎要求高。

試驗實施的關鍵流程

無論采用哪種方法，嚴謹的流程是獲得可靠數據的保障：

1. 前期準備：

   • 目標定義： 明確試驗的具體目的（極限承載力、特定荷載下變形、驗證設計等）。
   • 方案設計： 基于結構圖紙、設計雪荷載值（考慮地域、規范要求），制定詳細的加載方案（荷載分布、加載分級、測點布置）。
   • 儀器安裝： 在結構關鍵部位（如梁、柱、節點、支座）安裝應變片/應變計測量應力應變，設置位移計（如LVDT）測量撓度變化。
   • 系統標定： 對所有傳感器、加載設備進行精確標定。

2. 預加載與調試：

   • 施加小量級荷載（通常為預期最大荷載的10%-20%），檢查儀器工作狀態、數據采集系統是否正常，消除安裝間隙影響，并初步觀察結構反應。

3. 分級加載：

   • 嚴格按照預定方案分級施加荷載。每級荷載施加后，需保持一段時間（穩壓），待結構變形趨于穩定后進行數據采集。
   • 密切監控關鍵測點的應變、位移變化，并與理論計算值或預警值對比。

4. 數據采集與監控：

   • 在整個加載過程中，高速數據采集系統持續記錄所有測點的應變、位移、荷載值等。
   • 試驗人員實時監控結構狀態（有無異常響聲、可見裂縫、過大變形等）。

5. 持續加載至目標/破壞：

   • 對于極限承載力試驗，需持續加載直至結構發生顯著變形、局部屈曲、節點破壞或整體失穩等破壞現象。
   • 對于驗證性試驗，加載至設計荷載或更高一級荷載驗證其性能即可。

6. 卸載與檢查：

   • 分級緩慢卸載，觀察結構的回彈變形情況。
   • 卸載后，對結構進行全面檢查，記錄永久變形位置、裂縫形態及寬度等。

7. 數據處理與分析：

   • 整理、分析采集到的海量數據。
   • 繪制荷載-位移曲線、荷載-應變曲線。
   • 計算關鍵部位的應力水平。
   • 分析結構剛度變化、屈服點、極限承載力等關鍵性能指標。
   • 將試驗結果與設計計算模型進行對比驗證。

8. 報告編制：

   • 形成完整的試驗報告，包括試驗目的、依據、對象描述、方案、過程、詳細數據、現象記錄、結果分析、破壞模式總結、和建議。

核心參照標準：規范化的基石

為確保試驗的科學性、可靠性和可比性，試驗過程嚴格遵循國內外相關結構試驗方法標準和建筑結構荷載規范，例如：

• 各類結構設計規范中關于結構試驗的章節。
• 專門的結構試驗方法標準。

實際應用價值：從試驗室到現實世界

抗雪壓試驗結果具有廣泛而重要的應用價值：

• 新產品研發與認證： 驗證新型屋面材料、裝配式建筑構件、大跨度空間結構（如體育場館、機場航站樓）或特殊結構（如光伏支架）的抗雪壓性能，是產品定型和市場準入的關鍵環節。
• 既有建筑安全評估： 對老舊建筑、經歷過改造的建筑或位于雪災頻發區域的建筑，通過試驗評估其當前實際的抗雪能力，為加固改造或制定應急預案提供科學依據。
• 設計驗證與優化： 檢驗結構設計理論模型和計算方法的準確性，發現設計中的潛在缺陷或保守之處，為優化設計方案、節省建造成本提供支持。
• 事故分析與追溯： 在發生雪壓導致的建筑倒塌事故后，通過試驗復現結構在雪載下的行為，分析失效原因，厘清責任，并吸取教訓改進未來設計。
• 規范修訂提供依據： 積累的試驗數據可為更新和完善國家或地方建筑結構荷載規范中關于雪荷載的條文提供重要的實測基礎。

至關重要的安全警示

抗雪壓試驗，尤其是極限破壞試驗，存在一定的風險性。必須始終將安全置于首位：

• 嚴格監控： 試驗過程中必須全程密切監控結構狀態和儀器數據，設置多級安全預警閾值。
• 應急預案： 制定詳盡的應急預案，包括緊急停止加載程序、疏散路線和救援措施。
• 防護措施： 試驗區域設置警戒線，試驗構件下方嚴禁站人或在關鍵部位安裝防護裝置。
• 專業團隊： 試驗必須由具備豐富經驗和資質的技術人員操作。

結語：風雪中的守護者

抗雪壓試驗是連接建筑設計理論、計算模型與實際風雪環境考驗的重要橋梁。它以嚴謹的科學方法和精確的數據分析，為建筑結構在嚴寒雪域的安全運行構筑起堅實的防線。通過不斷進行的試驗研究和技術積累，人類得以更深入地理解建筑在風雪作用下的行為本質，持續提升建筑抵御自然災害的能力，確保人們在漫天飛雪中仍能安居于溫暖穩固的庇護之所。這項技術不僅是工程實踐的基石，更是守護生命財產安全不可或缺的科技力量。