時域法分析豎向風(fēng)振對門式剛架輕鋼廠房的影響

伊 寧

大連市建筑設(shè)計研究院有限公司

時域法分析豎向風(fēng)振對門式剛架輕鋼廠房的影響

伊 寧

大連市建筑設(shè)計研究院有限公司

近年來，隨著門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的廣泛應(yīng)用，其安全性也倍受關(guān)注。門式剛架因其自重輕，自振周期長，所以具有較好的抗震能力，但是門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房抗風(fēng)性能較差，由于風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致此類結(jié)構(gòu)的破壞屢見不鮮。在設(shè)計門式剛架時，是否應(yīng)該考慮豎向風(fēng)振對輕鋼廠房的影響以及其對結(jié)構(gòu)的安全影響程度到底有多大存在著不同的看法和意見。本文針對某一工程實例，采用有限元軟件建立變截面門式剛架結(jié)構(gòu)的實體模型，利用AR模型法模擬脈動風(fēng)時程譜，施加在檁條與屋架的交接處的節(jié)點上，并對其進行豎向風(fēng)振數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果與按基本風(fēng)壓作用下的內(nèi)力和變形進行對比。結(jié)果表明：豎向風(fēng)振對門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響較大，且計算結(jié)果與頻域分析法具有較好吻合度，建議在設(shè)計中應(yīng)予以考慮。

門式剛架；時域分析；AR模型法；豎向風(fēng)振；風(fēng)振系數(shù)

1.引言

風(fēng)荷載是柔性結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計荷載，它可造成工程結(jié)構(gòu)損傷和破壞，可給人民生命財產(chǎn)帶來重大的損失。據(jù)統(tǒng)計，受2011年第9號熱帶氣旋“梅花”影響，8月4日以來，遼寧、上海、江蘇、浙江、山東部分地區(qū)遭受大風(fēng)和強降雨襲擊，導(dǎo)致5?。ㄖ陛犑校?9市183個縣（區(qū)、市）360余萬人不同程度受災(zāi)，截至8月8日16時，364.98萬人受災(zāi)，135.3萬人緊急轉(zhuǎn)移安置，房屋倒塌600余間，損壞4800余間，直接經(jīng)濟損失31.28億元。因而風(fēng)災(zāi)是給人類生命財產(chǎn)帶來巨大損失的自然災(zāi)害。

門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房因其用鋼量省、施工方便快捷、結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好，近些年被廣泛應(yīng)用。但其安全性和可靠性也備受關(guān)注。門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房跨度越來越大，高度越來越高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的柔性很大，自振周期較長。這類結(jié)構(gòu)對于風(fēng)荷載這種卓越周期較長的荷載就十分敏感。而我國現(xiàn)行的《GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定：對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期大于0.25的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，對于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房而言，只考慮平均風(fēng)作用。由于近些年風(fēng)災(zāi)較為頻繁，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房破壞十分嚴(yán)重，本文采用時域分析法對此類結(jié)構(gòu)進行脈動風(fēng)分析，并且與平均風(fēng)荷載作用相比較，得出其風(fēng)振系數(shù)。

2.脈動風(fēng)荷載的時域分析法

2.1 脈動風(fēng)分析方法概述

結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析一般在時域和頻域兩方面進行，基于線性疊加的頻域法相對概念清晰，計算簡便，在風(fēng)振研究中應(yīng)用較為廣泛。

隨著隨機振動理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，用時程分析法對結(jié)構(gòu)進行隨機振動分析已成為可能，時程分析也稱為瞬態(tài)分析，通過時程分析確定結(jié)構(gòu)隨時間變化的位移、速度、加速度、變形等，可以較為直接的觀察結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

2.2 AR法模擬風(fēng)荷載時程曲線

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載主要分為平均風(fēng)和脈動風(fēng)，而風(fēng)荷載的模擬主要是對脈動風(fēng)進行模擬。應(yīng)用AR模型模擬風(fēng)速時程，時間取200s，時間間隔為1s，高度取距地面高10m。得到脈動風(fēng)速時程曲線以及風(fēng)荷載曲線。

圖1

3.算例分析

3.1 有限元分析模型

本工程結(jié)構(gòu)形式為柱腳鉸接的單跨變截面雙坡門式剛架單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)。地貌類別為B類，地面粗糙度系數(shù)K為0.00215，恒荷載0.3KN/m2，活荷載0.5KN/m2，風(fēng)荷載0.5KN/m2。柱距為6米，跨度為30米，檐口高9米，屋面坡度為1:10。彈性模量E=2.06×105Mpa，泊松比為0.3，梁柱單元采用beam189，質(zhì)量單元采用Mass21。屋面板、檁條及圍護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量簡化后施加在相應(yīng)的節(jié)點，剛架自重由程序自動計算。數(shù)據(jù)分析以門式剛架梁的軸線所在方向為X軸，以剛架梁中間節(jié)點為坐標(biāo)原點，以指向剛架柱背風(fēng)面一側(cè)為X軸正方向。

3.2 結(jié)構(gòu)受脈動風(fēng)作用的時程分析

利用有限元軟件中的完全full法對結(jié)構(gòu)進行瞬態(tài)分析，把脈動風(fēng)加載到有限元結(jié)構(gòu)模型上，得出只考慮結(jié)構(gòu)受平均風(fēng)作用時和考慮脈動風(fēng)作用時其豎向位移響應(yīng)云圖如下：

圖2

表1 所選節(jié)點豎向位移風(fēng)振系數(shù)

4.結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟快速增長和改革開放的深入，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋行業(yè)得到了快速的發(fā)展。由于門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)具有造型輕巧美觀，室內(nèi)空間開闊，布置靈活，施工周期短，用鋼量省和建設(shè)速度快等諸多優(yōu)點，近年來被廣泛地應(yīng)用于廠房、球館、貨倉及一些會展中心等工程。 本文通過時域法分析豎向風(fēng)振對門式剛架輕鋼廠房的影響分析，得出結(jié)論如下：

（1）利用時域法分析結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)過程能夠直接清楚的觀察結(jié)構(gòu)的某一節(jié)點在一段時間內(nèi)的風(fēng)振響應(yīng)，通過觀察節(jié)點的位移響應(yīng)時程曲線可以看出，由于脈動風(fēng)的影響，個別時刻節(jié)點的位移響應(yīng)明顯增加，但都在峰值因子2.2之內(nèi)，風(fēng)振系數(shù)基本在1.22左右。

（2）按照我國現(xiàn)行荷載規(guī)范和門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程，不考慮風(fēng)的動力響應(yīng)對門式剛架的影響是偏于不安全的，因此，在設(shè)計此類結(jié)構(gòu)房屋時，可考慮對風(fēng)荷載乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)，本文建議豎向風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)取1.2較為合理。

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