風雪荷載作用下輕鋼廠房的動力響應分析

(1.蘇州科技大學 江蘇 蘇州 215009；2.華北科技學院 北京 101601)

引言

輕型鋼結構廠房與傳統的鋼筋混凝土工業廠房相比，具有自重輕、造價低、施工周期短等優點，在建筑業和其他行業均有廣泛應用，同時也極易受到狂風和暴雪的襲擊[1]。2004年第14號臺風“云娜”，在浙江省溫嶺市登陸,使得近300萬平方米的廠房倒塌，700多萬平方米的廠房嚴重受損，破壞的廠房中一半以上為輕鋼結構[2]；2013年臺風“天兔”造成廣東省1.6萬間房屋受損，直接經濟損失198.5億；2018年第22號臺風“山竹”造成5省(區)倒塌房屋1200余間，嚴重損壞800余間，近3500間一般損壞；2008年的春節期間，江蘇、浙江、安徽等21個省市自治區遭受了50年一遇的罕見暴風雪，房屋倒塌48.5萬間,因雪災直接經濟損失高達1500多億元[3]；2018年年初的暴雪導致5省近200間房屋倒塌，400余間不同程度損壞，直接經濟損失5.1億元，位于安徽省六安市金安區皖西大道的一家超市倉庫因積雪過多，導致1400多平米倉儲用房坍塌。總之，暴風雪帶來的經濟損失巨大，我國是制造業大國且大部分制造業集聚在東南沿海地區，因此有必要進行輕鋼廠房風雪荷載作用下的動力響應分析。

近年來，關于輕型鋼結構廠房風雪荷載作用下的動力響應分析，國內外學者已經取得了一定的研究成果。其中，Melysund等[4]通過對挪威的既有建筑在風雪荷載共同作用下進行了分析，提出了建筑的安全性指標。賈連光等[5]針對一輕鋼廠房，保持風荷載不變，不斷加大雪荷載，采用ANSYS模擬了門式剛架的位移情況。李勰等[6]采用精細的板殼有限元方法對一單層門式剛架工業廠房中的典型剛架在無初始缺陷和有初始缺陷兩種情況下、風荷載或雪荷載單獨作用下剛架的極限承載力進行非線性分析，獲得剛架的抗雪安全系數以及極限狀態的破壞模式。

本文以江蘇無錫一現有雙坡屋面的輕型鋼結構廠房為研究對象，采用線性濾波法并結合規范中的風荷載體型系數模擬風荷載，逐步加大雪荷載，采用瞬態分析法得到廠房的動力響應。

一、結構模型

本文研究的廠房建筑平面為165m×30m，由23榀剛架組成，柱距為7.5m，屋面形式為單跨雙坡屋面，坡度為1/18.52，屋脊高度13.46m，檐口高度12.65m。基于ANSYS軟件，分別建立有無初始缺陷的有限元模型，梁柱選用beam188模擬，支撐選用link10模擬，屋面板和墻面板選用shell188模擬，結構有限元模型圖如圖1所示。

圖1 結構有限元模型

二、風雪荷載模型

(一)風荷載模擬

在模擬廠房的風荷載時，采用線性濾波法中模擬出空間一點的脈動風速時程。基于Davenport功率譜采用AR法編制matlab程序對風速進行模擬，首先把脈動風部分看成是均值為零的高斯平穩過程，基于Davenport風功率譜考慮時間相關性求解風速譜密度函數，生成以時間為序列的脈動風速時程,然后將脈動風和平均風疊加得到風速時程。模擬的平均風速為30m/s，地貌類別選取B類，時間間隔取1s，總時長60s，得到的風速時程曲線如圖2。

圖2 風速時程曲線

得到這組風速后，根據風速和風壓關系，得到這組風速的風壓：

式中：r為單位體積的重力，取r=0.012018kN/m3

g重力加速度，取g=9.8m/s2。

結合規范中風載體型系數，計算得到橫向風和縱向風分區風壓。橫、縱向風荷載體型系數分區見圖3，圖中a為廠房最小尺寸的10%或0.4h中的最大值。并采用線性插值法得到各分區的體型系數，結果見表1。由這組風壓和體型系數得到橫向、縱向各分區的風壓。

圖3 風載體型系數

表1 廠房風荷載體型系數

(二)雪荷載模擬

根據現行規范，單跨雙坡屋面坡度在20o范圍內，可以不考慮雪荷載的不均勻分布。本文分析的輕鋼廠房的屋面坡度小于5o，可依據規范直接按均布雪荷載分析。假設屋面為均布雪荷載，保持風荷載不變，分別考慮屋面雪荷載為0、0.1kN/m2、0.2kN/m2、0.3kN/m2、0.4kN/m2、0.5kN/m2和0.6kN/m2等七種工況。

三、數值模擬分析

結構的動力響應取決于結構自身的特性以及輸入的風荷載和雪荷載，在結構有限元模型上分別施加橫向風和縱向風兩種雪荷載和7組不同大小的雪荷載組合工況，對結構進行動力時程分析。選取左柱柱頂、右柱柱頂以及跨中三個位置節點的豎向位移來反映結構的位移響應。

圖4 不同風向作用下各剛架最大位移曲線

圖5 不同雪荷載作用下最大位移

圖4給出了不同風向角作用下剛架柱各方向節點最大位移曲線。由圖4可知：結構在不同風向角作用下各剛架均產生較為明顯的變形，各節點位移均表現為中間大兩端小的趨勢，兩端位移響應約為中間端的三分之一。橫向風作用下左端所處的體型分區2E和3E的體型系數較大，所以橫向風作用下左端位移響應稍大于右端。

剛架最大位移出現在10至13號剛架，所以選擇12號剛架來反應結構在有無初始缺陷、不同雪荷載作用下的動力響應。圖5給出了結構在不同雪荷載作用下最大位移變化曲線。由圖5可知：除縱向風右柱外，結構的位移響應均為雪荷載的增加而近似線性增大；考慮初始缺陷情況下，橫向風和縱向風作用下結構的位移響應均有一定程度的增加；受風載體型系數影響，疊加雪荷載后，縱向風作用下右柱位移響應隨雪荷載作用下先減小后增大。

四、結語

本文以一輕鋼廠房為研究對象，對其進行風雪荷載作用下的動力響應分析，主要結論有：

(1)縱向風較橫向風更為不利，在抗風設計時可依據盛行風向選擇結構合適的朝向；

(2)引入初始缺陷后，結構動力響應約增加10%，因此可以判斷該輕鋼廠房為缺陷不敏感性結構，但在結構設計時仍需引起重視；

(3)該輕鋼廠房在風荷載作用下有較好的抗風性，但在較大雪荷載和風荷載同時作用下抗風性能一般，在抗風雪設計時應引起足夠的重視。