鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取與應(yīng)用

李冰冰

（廣東省輕紡建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510080）

0 前言

風(fēng)和地震為建筑物破壞的兩大災(zāi)害源。對于鋼結(jié)構(gòu)而言，因其自重輕，剛度小，阻尼小，故風(fēng)荷載對其的影響程度更為顯著。結(jié)構(gòu)的體型復(fù)雜程度越來越大，而荷載規(guī)范中[1]給出的風(fēng)壓體型系數(shù)的建筑類型有限，為設(shè)計(jì)工作帶來困擾。故眾多學(xué)者專注于體型系數(shù)的研究，孫一飛[2]等以某干煤棚為模型，進(jìn)行縮尺模型的測壓試驗(yàn)，研究全封閉和半封閉兩種狀態(tài)在各風(fēng)向角下的體型系數(shù)分布規(guī)律，得出結(jié)論，半封閉狀態(tài)下，主體結(jié)構(gòu)在某些風(fēng)向角下承受更大的力矩；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各分區(qū)極值風(fēng)荷載都較大。鄭建建[3]利用數(shù)值分析研究架空鋼連廊的體型系數(shù)，此類結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中沒有明確給出體型系數(shù)，其參照類似體型，進(jìn)行各風(fēng)向角下的模擬分析，給出0°角為最不利工況，且給出了各個(gè)表面可供參考的分區(qū)體型系數(shù)。聶少峰[5]等對“L”型和“T”型低矮房屋進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)的“一”型低矮雙坡屋面的風(fēng)載體型系數(shù)進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論，在30°坡度時(shí)，屋面迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)呈環(huán)狀分布的特性；背風(fēng)面與“一”型房屋體形系數(shù)規(guī)律有一定的相似性，同時(shí)要考慮各面間相互干擾造成的增大系數(shù)。高鳴[6]等根據(jù)兩個(gè)體育場館的風(fēng)洞試驗(yàn)分析，給出設(shè)計(jì)建議，對于光滑屋面，風(fēng)載體型系數(shù)從-2.0，經(jīng)-1.60過渡到-1.2，同時(shí)要考慮負(fù)壓的影響。

風(fēng)荷載的影響頻率較地震的高，并非所有的工程都會有風(fēng)洞試驗(yàn)的機(jī)會，因此規(guī)范還是目前進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的主流依據(jù)。但是不同設(shè)計(jì)工作者對于規(guī)范條文的理解程度不同，實(shí)際工程中的運(yùn)用就會存在一定的偏差，在此框架內(nèi)，本文主要針對不同類型的鋼結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)選取給出建議。

1 風(fēng)荷載體型系數(shù)選取的規(guī)范依據(jù)

在目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有關(guān)風(fēng)荷載的選取，主要的規(guī)范依據(jù)有文獻(xiàn)[1]（以下簡稱“荷規(guī)”）以及《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[7]（以下簡稱“門規(guī)”）。門規(guī)中有關(guān)風(fēng)荷載的規(guī)定適用于高度小于18m，高寬比不大于1的實(shí)腹門式剛架和單層輕工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)等低矮房屋。

荷規(guī)中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

其中：式（1）適用于主受力結(jié)構(gòu)；式（2）適用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且要考慮建筑物內(nèi)部壓力的局部體型系數(shù)。各參數(shù)含義詳文獻(xiàn)[1]。

門規(guī)中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

其中：計(jì)算主體剛架時(shí)β=1.1；計(jì)算檁條、墻梁等維護(hù)構(gòu)件及其連接時(shí)β=1.5。其余各參數(shù)含義詳文獻(xiàn)[7]。

各公式中的基本風(fēng)壓按照50年重現(xiàn)期選用。當(dāng)采用式（1）和式（2）時(shí)，對于高度大于60m的高層民建筑和高聳結(jié)構(gòu)，鋼木主體結(jié)構(gòu)及大雨篷等風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，承載力設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載計(jì)算可按照基本風(fēng)壓的1.1倍考慮。

2 不同類型鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)選取

本文針對目前工作中幾種典型的鋼結(jié)構(gòu)類型給出風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取建議。本文中假定各類型的結(jié)構(gòu)所處地區(qū)的地面粗糙度類別均為B類，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓ω0=0.60kN/m2。

2.1 懸挑雨棚

根據(jù)建筑功能的不同，雨棚懸挑長度從1.0~9.0m不等，在此選取常用的6m雨棚作為分析實(shí)例。假定某雨棚懸挑6m，屋面坡度5%，鋼梁最低點(diǎn)標(biāo)高5.80m，柱間距為6m，模型簡圖如圖1所示。

圖1 懸挑雨棚

有效風(fēng)荷載面積A=6×6=36m2

按照荷規(guī)8.3.3條和8.3.4條，由式（2）知：

2.2 帶挑檐的剛架

為滿足擋雨和通行的順利，常有采用懸挑的結(jié)構(gòu)形式，如單車棚，站臺雨棚、體育場看臺等，本文就圖2所示的模型給出風(fēng)荷載體型系數(shù)選取的建議。

鋼屋面和立柱的風(fēng)荷載體型系數(shù)按照門規(guī)表4.2.2-1的中間區(qū)選用；雖雨棚是向下切斜，但其角度只有3.2°，因此按照懸挑雨棚按照荷規(guī)表8.3.1項(xiàng)16的-1.4和-0.3選取，同時(shí)考慮門規(guī)中的主體結(jié)構(gòu)計(jì)算系數(shù)1.1。

2.3 下部框架上部門剛的結(jié)構(gòu)

為實(shí)際生產(chǎn)需要，眾多多層鋼結(jié)構(gòu)廠房會在頂層抽柱，以形成大空間，屋頂采用輕鋼形式，既能滿足倉儲等功能需要，又節(jié)省了造價(jià)和施工時(shí)間。此類結(jié)構(gòu)形式的處理也是工程中比較復(fù)雜的一個(gè)問題，在此不做詳述，本文僅就圖3所示的建筑類型進(jìn)行風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取討論。

此類結(jié)構(gòu)，經(jīng)常被采用的方式就是分離式建模，即上部采用門式剛結(jié)構(gòu)形式，單獨(dú)建模計(jì)算，然后將其柱底內(nèi)力以荷載的形式輸入到下部框架模型的相應(yīng)柱位處。上部門剛按照門規(guī)圖4.2.2-1進(jìn)行風(fēng)荷載系數(shù)分區(qū)，然后按照表4.2.1-1和表4.2.2-2進(jìn)行風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取，若是常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式，則按照PKPM計(jì)算軟件選定的相應(yīng)類型下的風(fēng)荷載體型系數(shù)即可。下部鋼框架則按照荷規(guī)表8.3.1項(xiàng)2選擇風(fēng)荷載體型系數(shù)，常規(guī)為矩形建筑，則按照1.3的體型系數(shù)即可。

2.4 高層開敞式建筑

圖2 帶挑檐的剛架及風(fēng)荷載體型系數(shù)

圖3 下部框架上部門剛

高層建筑，無論是混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)形式，都是近年來的主流趨勢。對于造型各異的非常規(guī)建筑，如廣州塔、中原福塔等，均要進(jìn)行一系列的理論分析及試驗(yàn)。本文僅就開敞式的高層鋼結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行風(fēng)荷載體型系數(shù)的討論。

圖4高層開敞式建筑

圖4 的結(jié)構(gòu)形式為工業(yè)中較常見到的工作塔/提升塔之類的，雖說四面敞開，但是其樓層布置有眾多設(shè)備，風(fēng)荷載是不容忽視的一個(gè)設(shè)計(jì)要素。對于此類建筑，建議按照擋風(fēng)面積進(jìn)行風(fēng)荷載的適當(dāng)折減。對于PKPM設(shè)計(jì)軟件，則要采用特殊風(fēng)荷載，擋風(fēng)系數(shù)按照計(jì)算的值輸入，一般選取在0.4~0.6之間，各側(cè)面的體型系數(shù)則按照荷規(guī)表8.3.1項(xiàng)2的+0.8、-0.5和-0.7選用，同時(shí)注意對于風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)的適當(dāng)提高的系數(shù)1.1。對于圖4的建筑物，可以細(xì)化分三段，分別進(jìn)行擋風(fēng)系數(shù)的計(jì)算。

2.5 檁條的風(fēng)荷載體型系數(shù)選取的對比

假定一封閉式矩形平面的雙坡鋼結(jié)構(gòu)，檐口高度為8.5m，屋面坡度為0.05，柱間距為7.5m，屋面檁條布置間距為1.5m。檁條的有效受風(fēng)面積 A=7.5×1.5=11.25m2。

（1）按照荷規(guī)8.3.3條規(guī)定，選定RC和Re區(qū)進(jìn)行計(jì)算，則局部體型系數(shù)最終選用為-1.4（風(fēng)吸力）和+0.2（風(fēng)壓力）。按照（式2），則檁條的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

ωk+=1.7×（-1.40）×0.85×1.0×0.6=1.22kN/m2（其中 0.85 為按照荷規(guī)8.3.4條計(jì)算得到的折減系數(shù)）。

（2）按照門規(guī)表4.2.2-4a和表4.2.2-4b，中間區(qū)的風(fēng)荷載系數(shù)分別為-1.08和+0.38。按照（式3），則檁條的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

ωk+=1.5×（-1.08）×1.0×0.6=0.98kN/m2

按照門規(guī)的圖4.2.2-4a的2區(qū)和荷規(guī)表8.3.3項(xiàng)1的區(qū)計(jì)算得到同樣的規(guī)律，即門規(guī)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值較小。

3 結(jié)語

通過以上簡要分析總結(jié)，可以得出如下結(jié)論：

（1）對于屋面風(fēng)荷載，門規(guī)的風(fēng)荷載系數(shù)大于荷規(guī)的風(fēng)荷載體型系數(shù)；對于立柱計(jì)算，則荷規(guī)的體型系數(shù)大于門規(guī)的風(fēng)荷載系數(shù)。

（2）對于懸挑雨棚，宜選按照荷規(guī)的第8.3.3條，風(fēng)荷載體型系數(shù)為-2.0，且要考慮陣風(fēng)系數(shù)影響。

（3）對于帶挑檐的結(jié)構(gòu)形式，則挑檐部分，可按照荷規(guī)表8.3.1項(xiàng)16的風(fēng)荷載體型系數(shù)選取。

（4）對于開敞的結(jié)構(gòu)，要按照擋風(fēng)面積適當(dāng)?shù)目紤]風(fēng)荷載的影響。

（5）檁條計(jì)算，荷規(guī)的風(fēng)荷載體型系數(shù)較大。對于低矮房屋，建議選用門規(guī)相應(yīng)的規(guī)定，其余建筑，除有特殊規(guī)定外，建議按照荷規(guī)的相關(guān)系數(shù)選用。

門規(guī)和荷規(guī)有關(guān)風(fēng)荷載的計(jì)算是有差別的。作者認(rèn)為門規(guī)對建筑物進(jìn)行了分區(qū)處理，該方法與本文所引用文獻(xiàn)中的研究結(jié)論相同，更加的合理；荷規(guī)的風(fēng)荷載體型系數(shù)對于處理稍復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體型就存在一定的弊端，因其所取值為平均風(fēng)壓，所以對于個(gè)別部位，如角部等需要特殊處理，在設(shè)計(jì)中需要留有足夠的富裕度。