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积雪为何不可轻视?哪些建筑最“弱不禁雪”?

发布时间:2022-02-07 10:10 来源:北京科技报社

    暴雪有什么可怕的?小小雪花有多大威力?暴雪天气对建筑物有何影响?不少网友议论纷纷。为此,记者采访了气象与建筑专家,带你深入了解。

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    10毫米“降雪”等于10厘米积雪深度

    众所周知,雪花的重量是非常轻的。5000~10000片雪花的总重量也仅为1克。不过,即使是“轻于鸿毛”的雪花,不断聚集后也能产生能足以压垮建筑物的巨大重量。

    想知道雪到底有多重,首先要了解“降雪量”和“积雪深度”这两个概念。

    中国气象局公共服务中心高级工程师李艳表示,气象学上的“降雪量”指的是气象观测人员用标准容器,将24小时内采集到的雪化成水以后,测量得到的一个数值。

    降雪量是以毫米为单位的。一般来说,超过10毫米就达到暴雪的量级了,超过20毫米就是大暴雪级别。

▲气象学中的降雪量所衡量的实为“雪水”量,10毫米降雪即可达暴雪级别。

    “积雪深度”则有南北之分。北方的雪比较蓬松,1毫米降雪量对应的积雪深度在8~10毫米左右。“简单来说,就是1毫米降雪、1厘米积雪。” 李艳说。

    相比之下,我国秦岭-淮河以南、南岭以北的南方降雪区域,特别是长江中下游一带,因为气候湿润,降雪中水份含量更高,所以同样的降雪量下,积雪相对不如北方厚:“1毫米的降雪大概能积雪6~8毫米。”

▲我国省会级城市积雪深度排行榜(来源:中国天气)

    我国北方的东北地区东部、内蒙古东北部、新疆北部和西藏部分地区,年积雪量最大可达30厘米以上,局部地区可以达到50厘米。同时,积雪效率不如北方高的南方地区特别是长江流域的年积雪量却也一点都不含糊,特别是苏皖浙地区,年最大积雪深度也可以达到30厘米,比华北、东北不少地区还要高,这与这些地区的气候特点有很密切的关系。

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    雪花很轻,但不可轻视

    尽管一万片雪花重量只有1克,但降雪是持续的天气过程,再小的量聚集以后也能成为很大的数字。1立方米的新雪,是由高达60亿~80亿片雪组成的,其具体的重量已经很难用克计算了。

    我们都知道,室温下纯水的密度是1克/立方厘米。所以1立方米的水相当于1吨重。

    但受气温等因素影响,雪的具体密度很难准确界定,其大致范围在0.05~0.3克/立方厘米之间。我们因此无法用“密度×体积”准确计算出积雪重量。

    不过,由于“降雪量”能够直接对应“雪水”重量,我们可以借助该概念对积雪的重量做一个估算。“1平方米面积上1厘米积雪(1毫米降雪)的重量就是1公斤,10平方米上就是10公斤。”李艳解释道。

    以2018年1月4日合肥市遭遇暴雪为例。那天合肥的雪究竟下了多大?准确的数字是30毫米——超过了2008年冰雪灾害期间的单日同期降雪量,几乎达到了特大暴雪的水平。

    实际的积雪深度也毫不客气地达到了27厘米。李艳进行了一个简单的计算:“这么多降雪,如果平铺在一个100平方米的平面屋顶上,大概就是2.7吨左右。”

▲2018年1月4日,安徽合肥遭遇大雪。合肥市望江路上多处BRT公交站台坍塌

    从图片上来看,合肥垮塌的站台顶棚面积至少有10平方米,因此其承受的积雪重量不低于270公斤。也就是说,垮塌之时站台棚上相当于站立了3~4个成年男子。

    如果是一般房屋,顶部承载3~4个成年男子显然不成问题。但事故中倒塌的钢铝结构站台棚,本身抗压能力偏弱。

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    钢架结构不安全

    建筑因素是否也是降雪垮塌的重要原因?为此,记者联系了国家建筑工程质量检测中心总工程师邸小坛。

    为何降雪可以压垮建筑物?邸小坛认为,三个原因的共同作用,造成了这种情况。“首先是房屋设计时对于最大降雪量的设计参考有失偏颇,‘基本雪压’偏小;其次是房屋的‘荷载系数’偏小,与欧美标准还有一些差距;另外,一些建筑物本身也比较轻,‘自重系数’偏低。”

    邸小坛解释说,我们国家的建筑物的抗雪压能力,通常按照近50年出现过的最大雪压来设计。但在实际统计过程中,由于积雪的密度数据不齐全,只能以平均密度来估算雪压值,这就导致了基本雪压值比实际雪压值偏小的情况,这个基本雪压值仅为0.2kN/m2,但实际中,不少地方的雪压可以达0.4~0.5kN/m2,甚至更高。

▲体育馆这种大跨度结构的建筑,如果用轻型金属做屋顶,则抗压能力较弱,遇到大量积雪时更容易垮塌

    其次,在房屋荷载系数方面,我国建筑与欧美国家相比也明显处于较低水平。邸小坛强调,“我国建筑荷载规范系数一直是1.4,这个系数在欧洲是1.5,美国是1.6。人家的建筑比我们结实得多。”正因如此,新修订的《建筑结构可靠性设计统一标准》已经把房屋荷载系数调整到1.5。

    但三种建筑因素中最重要的,还是建筑本身材料属性的问题。轻型钢结构本身重量较轻,因此受降雪影响而垮塌或者倾覆的建筑,大多是轻钢材质、金属材质的建筑(例如站台、简易屋棚、厂房等)。此外,一些大跨度结构的建筑(例如体育馆也用轻型金属做屋顶),同样容易出现垮塌的情况。“相比较之下,钢筋混凝土结构的建筑就结实了很多。” 邸小坛告诉记者。

▲一座北欧小镇,屋顶的设计都是尖顶,可以更好地抗击雪压

    记者了解到:不少降雪较多地区的建筑物,会有意识地进行一些设计来提升房屋的抗雪压性能。北欧、东欧等一些冬天经常下雪的地方,建筑物大多为尖顶,并且具有一定的坡度,积雪容易从屋顶滑落,减少了屋顶结构承受的压力,保护屋顶不被积雪损坏,也保护了建筑物的安全。此外,当降雪超过一定程度以后,人们也会也及时通过多种方法来铲除屋顶的积雪(在除雪这方面,我国北方地区也普遍成熟于南方)。

    正因建筑物抗压涉及如此多的因素,想要真正提升房屋的抗雪压能力,也并非一蹴而就的事情。

编辑:徐菁
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