鋼結構的風荷載體型系數的選取與應用

李冰冰

（廣東省輕紡建筑設計院有限公司，廣東廣州 510080）

0 前言

風和地震為建筑物破壞的兩大災害源。對于鋼結構而言，因其自重輕，剛度小，阻尼小，故風荷載對其的影響程度更為顯著。結構的體型復雜程度越來越大，而荷載規范中[1]給出的風壓體型系數的建筑類型有限，為設計工作帶來困擾。故眾多學者專注于體型系數的研究，孫一飛[2]等以某干煤棚為模型，進行縮尺模型的測壓試驗，研究全封閉和半封閉兩種狀態在各風向角下的體型系數分布規律，得出結論，半封閉狀態下，主體結構在某些風向角下承受更大的力矩；圍護結構的各分區極值風荷載都較大。鄭建建[3]利用數值分析研究架空鋼連廊的體型系數，此類結構荷載規范中沒有明確給出體型系數，其參照類似體型，進行各風向角下的模擬分析，給出0°角為最不利工況，且給出了各個表面可供參考的分區體型系數。聶少峰[5]等對“L”型和“T”型低矮房屋進行了風洞試驗研究，并與傳統的“一”型低矮雙坡屋面的風載體型系數進行對比分析，得出結論，在30°坡度時，屋面迎風面平均風壓系數呈環狀分布的特性；背風面與“一”型房屋體形系數規律有一定的相似性，同時要考慮各面間相互干擾造成的增大系數。高鳴[6]等根據兩個體育場館的風洞試驗分析，給出設計建議，對于光滑屋面，風載體型系數從-2.0，經-1.60過渡到-1.2，同時要考慮負壓的影響。

風荷載的影響頻率較地震的高，并非所有的工程都會有風洞試驗的機會，因此規范還是目前進行設計工作的主流依據。但是不同設計工作者對于規范條文的理解程度不同，實際工程中的運用就會存在一定的偏差，在此框架內，本文主要針對不同類型的鋼結構的體型系數選取給出建議。

1 風荷載體型系數選取的規范依據

在目前，結構設計中有關風荷載的選取，主要的規范依據有文獻[1]（以下簡稱“荷規”）以及《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》[7]（以下簡稱“門規”）。門規中有關風荷載的規定適用于高度小于18m，高寬比不大于1的實腹門式剛架和單層輕工業鋼結構等低矮房屋。

荷規中風荷載標準值計算公式為：

其中：式（1）適用于主受力結構；式（2）適用于圍護結構，且要考慮建筑物內部壓力的局部體型系數。各參數含義詳文獻[1]。

門規中風荷載標準值計算公式為：

其中：計算主體剛架時β=1.1；計算檁條、墻梁等維護構件及其連接時β=1.5。其余各參數含義詳文獻[7]。

各公式中的基本風壓按照50年重現期選用。當采用式（1）和式（2）時，對于高度大于60m的高層民建筑和高聳結構，鋼木主體結構及大雨篷等風荷載敏感結構，承載力設計時風荷載計算可按照基本風壓的1.1倍考慮。

2 不同類型鋼結構的風荷載體型系數選取

本文針對目前工作中幾種典型的鋼結構類型給出風荷載體型系數的選取建議。本文中假定各類型的結構所處地區的地面粗糙度類別均為B類，50年重現期的基本風壓ω0=0.60kN/m2。

2.1 懸挑雨棚

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

圖1 懸挑雨棚

有效風荷載面積A=6×6=36m2

按照荷規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，常有采用懸挑的結構形式，如單車棚，站臺雨棚、體育場看臺等，本文就圖2所示的模型給出風荷載體型系數選取的建議。

鋼屋面和立柱的風荷載體型系數按照門規表4.2.2-1的中間區選用；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表8.3.1項16的-1.4和-0.3選取，同時考慮門規中的主體結構計算系數1.1。

2.3 下部框架上部門剛的結構

為實際生產需要，眾多多層鋼結構廠房會在頂層抽柱，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，又節省了造價和施工時間。此類結構形式的處理也是工程中比較復雜的一個問題，在此不做詳述，本文僅就圖3所示的建筑類型進行風荷載體型系數的選取討論。

此類結構，經常被采用的方式就是分離式建模，即上部采用門式剛結構形式，單獨建模計算，然后將其柱底內力以荷載的形式輸入到下部框架模型的相應柱位處。上部門剛按照門規圖4.2.2-1進行風荷載系數分區，然后按照表4.2.1-1和表4.2.2-2進行風荷載體型系數的選取，若是常規的結構形式，則按照PKPM計算軟件選定的相應類型下的風荷載體型系數即可。下部鋼框架則按照荷規表8.3.1項2選擇風荷載體型系數，常規為矩形建筑，則按照1.3的體型系數即可。

2.4 高層開敞式建筑

圖2 帶挑檐的剛架及風荷載體型系數

圖3 下部框架上部門剛

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

圖4高層開敞式建筑

圖4 的結構形式為工業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備，風荷載是不容忽視的一個設計要素。對于此類建筑，建議按照擋風面積進行風荷載的適當折減。對于PKPM設計軟件，則要采用特殊風荷載，擋風系數按照計算的值輸入，一般選取在0.4~0.6之間，各側面的體型系數則按照荷規表8.3.1項2的+0.8、-0.5和-0.7選用，同時注意對于風荷載敏感的結構的適當提高的系數1.1。對于圖4的建筑物，可以細化分三段，分別進行擋風系數的計算。

2.5 檁條的風荷載體型系數選取的對比

假定一封閉式矩形平面的雙坡鋼結構，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。檁條的有效受風面積 A=7.5×1.5=11.25m2。

（1）按照荷規8.3.3條規定，選定RC和Re區進行計算，則局部體型系數最終選用為-1.4（風吸力）和+0.2（風壓力）。按照（式2），則檁條的風荷載標準值為：

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

（2）按照門規表4.2.2-4a和表4.2.2-4b，中間區的風荷載系數分別為-1.08和+0.38。按照（式3），則檁條的風荷載標準值為：

ωk+=1.5×（-1.08）×1.0×0.6=0.98kN/m2

按照門規的圖4.2.2-4a的2區和荷規表8.3.3項1的區計算得到同樣的規律，即門規的風荷載標準值較小。

3 結語

通過以上簡要分析總結，可以得出如下結論：

（1）對于屋面風荷載，門規的風荷載系數大于荷規的風荷載體型系數；對于立柱計算，則荷規的體型系數大于門規的風荷載系數。

（2）對于懸挑雨棚，宜選按照荷規的第8.3.3條，風荷載體型系數為-2.0，且要考慮陣風系數影響。

（3）對于帶挑檐的結構形式，則挑檐部分，可按照荷規表8.3.1項16的風荷載體型系數選取。

（4）對于開敞的結構，要按照擋風面積適當的考慮風荷載的影響。

（5）檁條計算，荷規的風荷載體型系數較大。對于低矮房屋，建議選用門規相應的規定，其余建筑，除有特殊規定外，建議按照荷規的相關系數選用。

門規和荷規有關風荷載的計算是有差別的。作者認為門規對建筑物進行了分區處理，該方法與本文所引用文獻中的研究結論相同，更加的合理；荷規的風荷載體型系數對于處理稍復雜的結構體型就存在一定的弊端，因其所取值為平均風壓，所以對于個別部位，如角部等需要特殊處理，在設計中需要留有足夠的富裕度。