寒冷地区风雪灾害严重, 低矮建筑物在暴风雪中遭到严重破坏。暴雪时常伴随着强风, 使积雪发生漂移、堆积现象, 导致雪荷载不均匀分布, 使得局部雪荷载值超过设计荷载值, 导致结构破坏。

　　 积雪密度是影响雪荷载大小的重要参数, 含水率、温度、风速等对积雪密度有重要影响。研究表明雪荷载值占整个屋盖自重比例较大, 较大雪荷载会使屋盖结构产生很大变形。在哈尔滨, 降雪频繁, 积雪因天气寒冷而发生沉积, 屋盖结构的残余变形更大, 甚至会导致建筑物结构遭到破坏。尤其是在双坡屋面V形沟槽处, 结构安全系数偏低, 本文通过实测手段研究双坡屋盖积雪分布形态。用直尺每隔20cm测量一次双坡屋面积雪深度, 并用HOBO小型气象站记录下雪时的风速风向。

　　 国内通常是利用气象台站对空旷地区积雪密度进行观测记录^[1]。杨大庆等^[2]通过研究乌鲁木齐地区气象对积雪密度的影响, 发现冬季积雪层的平均密度与观测日的前5天平均气温及降水量呈反相关关系, 与积雪深度、新积雪密度及风速无关, 且新降积雪的深度越大, 其积雪密度越大。莫华美、范峰等^[3]通过线性回归分析方法研究积雪深度, 发现年最大积雪深度与其伴随风速之间无相关性。周暄毅等^[4]对风致雪漂移现象进行了系统的阐述与研究。孙芳锦^[5]模拟了鞍形和双坡形屋面的雪压, 并分析了风致雪对屋面积雪分布的影响。

　　 Bormann等^[6]通过研究美国、澳大利亚等国的积雪密度, 获得积雪密度时空分布规律。Toylor^[7]记录1967~1982年间44座平屋面建筑上积雪厚度及其重力, 并与1990年加拿大国家建筑规范详细比较, 用统计学分析雪荷载和积雪密度。Ellingwood等^[8]通过对比研究地面积雪密度与屋面积雪密度, 指出计算屋面雪压时不能采用地面雪压来代替。JDoorschot等^[9]对积雪漂移的质量流量和临界摩擦速度进行了研究。Beyers等^[10]利用Fluent计算软件模拟积雪沉积或侵蚀所造成的雪面变化, 结果与现场观察结果相符合。

　　 我国积雪密度实测主要侧重于野外气象观测, 对城市建筑结构屋面雪荷载相关研究较少, 地域之间的积雪密度特性存在显著差异。

　　 积雪密度测量方法有很多, 如称重法、融化法等, 相比而言, Snow Fork雪特性分析仪对积雪密度测量更方便、精确, 测量效率更高。Snow Fork雪特性分析仪 (图1, 2) 适合野外应用, 体积小巧、轻便、易于携带, 而且测量后所有的数据都会快速显示在屏幕上, 同时存到仪器内存中, 并且这些数据易于导入电脑中, 便于分析。探头 (图2) 为不锈钢叉形微波共振器, 可以得到频率、衰减率和液态水容量等参数, 通过这3个参数可以精准地计算介电常数、积雪密度和液态水容量。在测量时先剖一个垂直的剖面, 在垂直方向每隔2cm进行测量, 测量多次, 取其平均值作为该剖面的瞬时密度和体积含水率。探头体积较小, 不会对下面的积雪造成压实, 测量数据更加准确可靠。

　　 哈尔滨冬季白天气温为-21~-2℃ (图3) , 常伴以大风和暴雪, 正午太阳辐射强度较高, 且下雪次数较多, 如图4所示。2016年11月到12月末, 降雪次数为16次, 给积雪密度实测研究提供了良好的条件。哈尔滨冬天积雪沉积, 冻融现象严重, 不易融化。这对建筑物结构是一个严峻的考验。

　　 选择周围没有遮挡物, 自然状态积雪进行测量。在积雪垂直方向剖个剖面进行测量 (图5) , 每组数据测量时必须保证积雪结构的完整性。选择空旷地面和建筑屋面上同一地点及同一时间点测量, 数据更加精确, 用钢尺和温度计分别记录当时的雪深和温度 (图6) 。

　　 利用Snow Fork雪特性分析仪对积雪密度测量, 结果表明, 建筑屋面积雪密度值在118~252kg/m³范围内。同一时间建筑屋面积雪密度比空旷地面积雪密度大 (图7) 。建筑屋面具有一定高度, 太阳辐射和风压较强, 且受到建筑内部温度与屋面表面热交换影响, 致使与屋面接触部分积雪含水率较大, 湿度增大, 故屋面积雪密度比地面积雪密度高。国外学者Ellingwood等^[8]指出地面积雪密度与屋面积雪密度二者之间存在差异, 建筑屋面比地面高, 更容易受到风作用的影响, 积雪更加密实, 故其积雪密度偏大。

　　 为了更细致研究雪荷载特性, 在一天之中选取4个时间点8∶30, 10∶30, 13∶30, 15∶30进行积雪密度实测研究 (图8) , 并记录测量时的温度变化。中午温度最高, 积雪与空气进行热交换, 融化速度较快, 含水量较大, 因此中午积雪密度较大。选取建筑屋面进行测量, 2016年11月30日开始下雪, 12月1日降雪停止。由图9可以看出, 积雪密度逐渐增大。沉积雪表面的新雪, 雪颗粒疏松, 空隙大, 但随着时间推移, 新雪颗粒密实, 空隙减小, 且稳定期温度较低, 太阳辐射较弱。积雪受到新雪的压力而更加密实, 因此沉积雪随着时间推移积雪密度逐渐增大。

　　 中国东北地区易形成“季节性”积雪。在“季节性”积雪稳定期内, 积雪温度较低, 形成沉积雪, 沉积雪在不同深度, 因受力、温度等因素不同, 积雪密度也不同。为了更精细化地研究积雪密度与积雪深度的关系, 本文把空旷地面上积雪层分为上层雪、中层雪和下层雪 (图10) 。中层积雪密度较大, 下层积雪密度和上层积雪密度较小 (图11) 。上层积雪密度值在63~115kg/m³范围, 积雪表面的含水率较小, 雪颗粒间比较疏松, 故积雪表面的密度较小。中层积雪密度值在110~180kg/m³范围, 中层雪因受到上层雪压力的作用, 积雪比较密实, 故中层积雪密度较大。下层积雪密度值100~140kg/m³范围, 下层雪由于冻融现象使底层雪颗粒松散, 形成不均匀排列。

　　 图7 地面和屋面积雪密度

　　 建筑屋面分布系数不仅与风速、风向有关, 也与建筑屋面热交换、太阳辐射有关。根据《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》 (GB 1022—2015) , 东北及新疆北部地区平均积雪密度为180kg/m³, 折算成积雪厚度为0.25m。2016实测年建筑屋面积雪厚度最大值为0.16m, 积雪密度最大值为252kg/m³。通过Snow Fork雪特性分析仪对积雪密度测量, 发现建筑屋面积雪密度值较规范值大。由上述可知屋面积雪密度影响因素较多, 造成基本雪压也存在差异, 不能用地面雪压值代替屋面雪压值。

　　 通过实测研究双跨双坡屋面积雪分布形态, 如图12所示, 分为第一跨迎风面和背风面、第二跨迎风面和背风面。图13为双坡双跨屋面积雪厚度测量点的布置。表1为屋面迎风面和背风面雪压。

　　 图14为双跨双坡屋面雪压分布, 图15为《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 中双跨双坡屋面积雪分布系数。通过对比分析, 发现第一跨迎风面和第二跨背风积雪分布形态存在差异。哈尔滨主导风向为西南风, 试验模型放置方向为西南方向, 风迎着模型吹来, 风速较大, 新雪之间粘着度较小, 滑落度较大, 故第一跨迎风面积雪分布形态较规范存在差异。

　　 第一跨迎风面屋面, 太阳高度较大、日照时间较长、照射面积较大, 故太阳辐射较第二跨背风面强。屋面雪荷载分布系数与建筑物朝向有关。

　　 (1) 通过对屋面积雪密度与地面积雪密度实测研究对比发现, 由于建筑屋面热交换、太阳辐射较强等因素影响, 屋面积雪密度通常比地面积雪密度高。

　　 (2) 一天之中随着时间推移早、中、晚各个阶段温度不同, 导致中午积雪密度相对较大。中午太阳辐射强, 积雪融化速度快, 含水量大。

　　 (3) 积雪表面的含水率较小且雪颗粒间比较疏松, 积雪表面的密度较小。中层雪因受到上层雪压力的作用, 积雪比较密实, 故中层积雪密度较大。下层雪由于冻融现象使底层雪颗粒松散, 形成不均匀排列。

　　 (4) 地面上层积雪密度值在63~115kg/m³范围内, 中层积雪密度值在110~180kg/m³范围内, 下层积雪密度值在100~140kg/m³范围内。

　　 (5) 通过实测观察, 发现双跨双坡屋面第一跨迎风面较第二跨背风积雪分布形态存在差异, 通过与《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 对比分析得出, 建筑屋面分布系数不仅与风速、风向有关, 也与建筑屋面热交换、太阳辐射有关。