美國規(guī)范ASCE/SEI 7—10中風(fēng)荷載在工業(yè)特種鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

浙江外企德科人力資源服務(wù)有限公司 杭州 310011

摘要：整理了美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10中風(fēng)荷載的計算方法并用工程實例具體闡述了風(fēng)荷載在工業(yè)特種鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：基本風(fēng)速；風(fēng)向系數(shù)；地形系數(shù)；風(fēng)壓暴露系數(shù)；陣風(fēng)影響系數(shù)；外部壓力系數(shù)

Application of wind load about American code ASCE/SEI 7-10 on the industrial special

steel structure/Wu Zhengjun（FESCO Adecco Human Resources Service Zhejiang Co.，Ltd.，Hangzhou 310011，China）

Abstract：Studying the calculation method of wind load about American code ASCE/SEI 7-10 and expounding the application about the wind load on the industrial special

steel structure with the project instance.

Keywords：basic wind speed；wind directionality factor；Topography factor；Velocity pressure exposure coefficient；gust effect factor；External Presuure coefficient.

引言

近些年來，隨著我國改革開放的不斷擴大，涉外項目也越來越多，很多國家都會有自己的設(shè)計和施工規(guī)范，也有許多國家會直接使用美國規(guī)范或歐洲規(guī)范，所以在涉外項目上碰到的這兩種規(guī)范會更多。而工業(yè)設(shè)備冷箱鋼結(jié)構(gòu)是空分行業(yè)中的一種包裹低溫設(shè)備的特種鋼結(jié)構(gòu)，在全世界范圍廣泛使用，所以會更經(jīng)常碰到美國規(guī)范和歐洲規(guī)范，本文主要是對美國規(guī)范ASCE 7-10中的風(fēng)荷載在冷箱鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用進行介紹，供同行參考。筆者曾看到有些資料上將國外規(guī)范中的風(fēng)荷載和地震荷載等值轉(zhuǎn)換成中國規(guī)范中的相應(yīng)等級大小，然后就直接用中國規(guī)范的相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件來計算，這種做法是欠妥的。每個規(guī)范都自成體系，相應(yīng)荷載組合的分項系數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各種調(diào)整系數(shù)和材料設(shè)計強度的取值等都會有差異，所以每個規(guī)范中的荷載取值與本規(guī)范是配套使用的，否則結(jié)果會產(chǎn)生差異，故筆者不建議一種規(guī)范中的荷載取值通過轉(zhuǎn)化后應(yīng)用于其他的設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計計算。

1 美國規(guī)范風(fēng)荷載各參數(shù)的定義及計算公式

1.1 各參數(shù)的定義：

1.1.1 基本風(fēng)速V：在暴露類別為C的離地面10米高度出的3秒陣風(fēng)風(fēng)速，見26.5.1。

1.1.2 風(fēng)向系數(shù)Kd：只有當(dāng)按ASCE/SEI 7-10（下同省略）2.3節(jié)和2.4節(jié)規(guī)定的荷載組合進行設(shè)

計時才能按風(fēng)向系數(shù)來確定風(fēng)荷載，見26.6節(jié)。

1.1.3 地形系數(shù)Kzt：考慮地形的風(fēng)速增大效應(yīng)，該效應(yīng)影響的是平均風(fēng)速而不是脈動風(fēng)速，因

此Kzt應(yīng)與風(fēng)速高度變化系數(shù)一起使用，如果結(jié)構(gòu)的場地條件和位置不能滿足26.8.1節(jié)中的所

有條件，那么取Kzt=1.0，見26.8節(jié)。

1.1.4 風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz和Kh：見表26.9-1和表27.3-1。（類似GB的風(fēng)壓高度變化系數(shù)）

For Zmin

For Zmin>Z Kz=2.01（Zmin/Zg）2/α

1.1.5 陣風(fēng)影響系數(shù)G：考慮了結(jié)構(gòu)在湍流風(fēng)作用下產(chǎn)生的順風(fēng)向荷載響應(yīng)。同時也考慮了柔性

建筑物和其他結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的動力放大荷載響應(yīng)。沒有考慮橫向風(fēng)作用、漩渦脫落、由于馳振或顫

振引起的失穩(wěn)以及動力扭矩響應(yīng)。此系數(shù)和結(jié)構(gòu)的基本固有頻率有關(guān)，見26.9節(jié)。

1.1.6 外部壓力系數(shù)Cp：見圖27.4.1-圖27.4.7。（類似GB的風(fēng)荷載體型系數(shù)）

1.1.7 內(nèi)部壓力系數(shù)GCpi：該系數(shù)是從風(fēng)洞試驗和足尺寸試驗數(shù)據(jù)中得到的，見26.11節(jié)和表26.11-1。

1.2 風(fēng)荷載的計算公式：

高度z處的風(fēng)壓按下式計算：

qz=0.613KzKztKdV 2（N/m2，V的單位為m/s）（27.3-1）

qh為按式（27.3-1）計算的高度h處的風(fēng)壓。

27.3.2的條文說明指出，常數(shù)項0.613為標(biāo)準(zhǔn)大氣下的空氣質(zhì)量密度，即當(dāng)海平面氣壓為101.325kPa，溫度為15℃時常數(shù)才為0.613，否則查表C27.3-2進行調(diào)整。

各種高度建筑主要抗風(fēng)體系的設(shè)計風(fēng)壓按式（27.4-1）確定。風(fēng)壓應(yīng)同時作用于迎風(fēng)面、背風(fēng)面和屋面上。

p= qGCp-qi（GCpi）（N/m2）（27.4-1）

式中 q——對于迎風(fēng)面，按高度z處的qz計算；

q——對于背風(fēng)面、山墻、屋面，按高度h處的qh計算。與GB 50009-2012有別。

冷箱雖然是個封閉建筑，但冷箱內(nèi)被絕熱材料珠光砂填滿并充有壓力為1KPa氮氣，可以不考慮冷箱內(nèi)部風(fēng)負(fù)壓的影響。

2 風(fēng)荷載在冷箱鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用方法

冷箱鋼結(jié)構(gòu)是一種高聳的特種鋼結(jié)構(gòu)，層高在3米左右，無樓板，由四周的桁架結(jié)構(gòu)作為主要抗力體系，整個冷箱由鋼板作為面板包裹，主氬冷箱總高一般在30米到80米之間不等，空分等級越高，冷箱高度也越高。

在計算風(fēng)荷載前可先從冷箱鋼結(jié)構(gòu)的計算模型中得出基本固有頻率，如果基本固有頻率大于1Hz，就可直接取風(fēng)陣影響系數(shù)G=0.85，否則應(yīng)按26.9節(jié)進行計算。

基本風(fēng)速V可根據(jù)26.5.1查得或由現(xiàn)場條件直接提供，然后按前述的風(fēng)荷載計算公式（27.3-1）可算出冷箱各層高度處的基本風(fēng)壓qz，這里要注意的是背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的各層高度處的基本風(fēng)壓均取建筑頂面處的基本風(fēng)壓qh，中國規(guī)范是隨層高變化而變化的，這個區(qū)別是比較大的。然后再根據(jù)表27.4-1可查得體型系數(shù)Cp，這樣就可以得出冷箱各面的設(shè)計風(fēng)壓了。由于面板加勁肋的導(dǎo)荷作用，風(fēng)荷載可以被傳導(dǎo)到各層橫梁上，再傳到柱子，所以上就不用輸風(fēng)荷載了，但是建模時是建在柱子軸心上的，因此在荷載以線載形式輸?shù)綑M梁上時須考慮柱子寬度上的風(fēng)荷載增大。

根據(jù)圖27.4-8（見圖27.4-8）可知要考慮4種形式的風(fēng)作用，但不是4種工況，而是24種工況，CASE 1和CASE 3各4種工況，CASE 2和CASE 4各8種工況。

圖27.4-8

3 工程實例

3.1 工程概況

因為大小冷箱的風(fēng)荷載計算方法類似，所以本文選用一個較小空分的桿件集裝箱式冷箱鋼結(jié)構(gòu)作為案例來進行說明。冷箱外框平面尺寸為4.4mX4.28m，高32.66m。冷箱4個側(cè)面鋼板厚為4mm，頂?shù)酌驿摪搴駷?mm，面板加勁肋為L70X7，間距不大于800mm，考慮到冷箱四周均為桁架結(jié)構(gòu)，斜稱均為軸向二力桿，不承受彎距，所以加勁肋不得與斜稱相碰，這樣結(jié)構(gòu)的傳力路徑就很清晰。基本風(fēng)速為55m/s，暴露類別為D類，不用考慮地形的風(fēng)速增大效應(yīng)，故取Kzt=1.0。

3.2 冷箱橫梁上的線性風(fēng)荷載的計算

由表26.6-1查得，風(fēng)向系數(shù)Kd=0.9；

由計算模型可得結(jié)構(gòu)的基本固有頻率大于1Hz，故取陣風(fēng)影響系數(shù)G=0.85；

由表27.4-1可查得體型系數(shù)Cp如下：

迎風(fēng)面：0.8；背風(fēng)面：-0.5；側(cè)風(fēng)面：-0.7；頂面：-1.3。

冷箱各層高橫梁上的線性基本風(fēng)荷載計算如下：

考慮柱子建模時以中心為距離，所以橫梁長度就少了一個柱子的寬度，所以應(yīng)該線性增大該荷載，見以下各表中綠色標(biāo)注部分的各荷載大小。由于篇幅所限，本文均取各同類型風(fēng)荷載工況中的一個風(fēng)向的計算表格和加載模型。

CASE 1 風(fēng)荷載計算表格見表CASE 1

CASE 2 風(fēng)荷載計算表格見表CASE 2

CASE 3 風(fēng)荷載計算表格見表CASE 3

CASE 4 風(fēng)荷載計算表格見表CASE 4

CASE 1

CASE 2

CASE 3

CASE 4

CASE 1 有+X、-X、+Z、-Z四種風(fēng)荷載工況，我們這里只給出+X方向的加載模型，見CASE 1加載圖。

CASE 2 有八種風(fēng)荷載工況，考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載偏心作用下沿平面中心順時針方向扭轉(zhuǎn)時的+X、-X、+Z、-Z四種風(fēng)荷載工況和沿平面中心逆時針方向扭轉(zhuǎn)時的+X、-X、+Z、-Z四種風(fēng)荷載工況，我們這里只給出沿平面中心順時針方向扭轉(zhuǎn)時的+X方向的加載模型，見CASE 2加載圖。

CASE 3 有+45°、-45°、+135°、-135°四種風(fēng)荷載工況，我們這里只給出+45°方向的加載模型，見CASE 3加載圖。為減小風(fēng)荷載輸入的工作量，我們這里把0.75的折減系數(shù)放到荷載組合里，模型輸入中不折減，數(shù)值大小與CASE 1相同。

CASE 4 也有八種風(fēng)荷載工況，也考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載偏心作用下沿平面中心順時針方向扭轉(zhuǎn)時的+45°、-45°、+135°、-135°四種風(fēng)荷載工況和沿平面中心逆時針方向扭轉(zhuǎn)時的+45°、-45°、+135°、-135°四種風(fēng)荷載工況，我們這里只給出沿平面中心順時針方向扭轉(zhuǎn)時的+X方向的加載模型，見CASE 4加載圖。為減小風(fēng)荷載輸入的工作量，我們這里把0.75的折減系數(shù)也放到荷載組合里，模型輸入中不折減，數(shù)值大小與CASE 2相同。

CASE 1加載圖 CASE 2加載圖 CASE 3加載圖 CASE 4加載圖

4 結(jié)語

通過以上計算可知，美國荷載規(guī)范ASCE/SEI 7-10中風(fēng)荷載計算公式中比ASCE/SEI 7-05少了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，即直接取重要性系數(shù)為1.0，因此即使兩本規(guī)范中的基本風(fēng)速V取值一樣，用新老規(guī)范算出的結(jié)果也是不一樣的，因此不可簡單相互套用，更不能將美國規(guī)范的基本風(fēng)速V通過時距轉(zhuǎn)換后直接用于中國規(guī)范，因為中美荷載規(guī)范間的風(fēng)荷載計算方法，風(fēng)荷載的加載方式、很多系數(shù)和荷載組合都是不一樣的。筆者曾作過比較，將美國規(guī)范的基本風(fēng)速通過等價轉(zhuǎn)換分別轉(zhuǎn)換成中國規(guī)范、歐洲規(guī)范、印度規(guī)范、俄羅斯規(guī)范和加拿大規(guī)范中的基本風(fēng)速后，應(yīng)用相應(yīng)的規(guī)范對同一冷箱鋼結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)計算，得出的結(jié)果各不相同，有的還相差較大。如果同行有冷箱特種鋼結(jié)構(gòu)需要用美國規(guī)范設(shè)計的，風(fēng)荷載可以參照以上方法應(yīng)用于此特種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”（ASCE/SEI 7-10）[S]American Society of Civil Engineers，2010.

[2]“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”（ASCE/SEI 7-05）[S].American Society of Civil Engineers，2005.

[3]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.