對門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)風荷載計算的討論

楊 靖 （濟南軍區(qū)建筑設(shè)計院，山東 濟南 250002）

1 引言

門式剛架輕鋼廠房具有造型美觀，造價低、建設(shè)周期短、機械化程度高、安裝施工簡便等特點，在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉庫、車間等各類建筑中得到廣泛的應用。與普通鋼結(jié)構(gòu)單層房屋相比，由于門式剛架自重較輕，在考慮風荷載效應方面有獨特之處。

2 風荷載

門式剛架輕型結(jié)構(gòu)房屋的風荷載，是以我國現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009）﹙以下簡稱荷載規(guī)范﹚為基礎(chǔ)確定的。計算這種房屋結(jié)構(gòu)風荷載標準值時所需的風荷載體型系數(shù)，由于我國現(xiàn)有資料不完備，因此主要采用了美國金屬房屋制造商協(xié)會MBMA《低層房屋體系手冊》（1996）中有關(guān)小坡度房屋的規(guī)定。按此規(guī)與按荷載規(guī)范計算的風荷載有較大差異。例如,一個單層雙坡封閉式對稱門式剛架，按照荷載規(guī)范,左風條件下，中間區(qū)風荷載體型系數(shù)如圖1所示；而按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 102：2002）﹙以下簡稱門規(guī)﹚中間區(qū)風荷載體型系數(shù)如圖2所示。

圖1

圖2

MBMA手冊規(guī)定的風荷載體型系數(shù)必須與以50年一遇的最大英里風速（mph）為基礎(chǔ)的速度風壓（psf）配套使用。因此轉(zhuǎn)換到與我國荷載規(guī)范規(guī)定的50年一遇的10min平均最大風速（m/s）為基礎(chǔ)的基本風壓（Kn/m2）配套使用時，必須乘以1.4的平均換算系數(shù)。同時，美國規(guī)范規(guī)定，在遇風組合時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的允許應力可提高1.33倍?？紤]到這兩個因素的影響，引用MBMA的體型系數(shù)后，我國的基本風壓應乘以綜合調(diào)整系數(shù)1.05（即1.4/1.33）。此外，由于MBMA手冊中規(guī)定的風荷載體型系數(shù)已經(jīng)包含了陣風效應，且是內(nèi)、外壓力的峰值組合，因此在門規(guī)中不再考慮陣風系數(shù)。

3 兩個標準的對比與分析

《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》（結(jié)構(gòu)）第18.1.6條規(guī)定：跨高比l/h小于等于4的門式剛架應按荷載規(guī)范計算風荷載標準值Wk及風荷載體型系數(shù)us,不考慮風振系數(shù)βj，但當跨高比l/h大于4的門式剛架結(jié)構(gòu)的風荷載標準值Wk，宜按門規(guī)取用。

但筆者通過計算發(fā)現(xiàn)，即便按照跨高比作為使用以上兩個“標準”的界限，也未必能滿足各個截面的安全性要求。

筆者以8m高剛架為例，按照封閉式、半封閉式兩種建筑類型，計算了跨高比1.0，1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0，5.5,6.0等11種不同情況下左風荷載下的柱腳內(nèi)力。計算中，屋面坡度取10%,地面粗糙度類別取B類，50年重現(xiàn)期的基本風壓取0.5 kn/m2，計算軟件采用中國建筑科學研究院研發(fā)的PKPM軟件，STS模塊。

3.1 封閉式門式剛架

對于封閉式門式剛架，筆者按柱底剛接、柱底鉸接兩種情況分別進行了計算，內(nèi)容如下。

3.1.1 計算中各符號含義

①剛接柱腳彎矩MA,水平力V,豎向力N

②鉸接柱腳水平力V,豎向力N

③P代表按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》風荷載計算效應與按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風荷載計算效應的比值

④m代表跨高比L/H

內(nèi)力符號示意圖

柱腳鉸接V曲線

3.1.2 通過計算，結(jié)果曲線(m-p曲線)

柱腳剛接MA,曲線

柱腳剛接N曲線

柱腳剛接V曲線

柱腳鉸接N曲線

3.1.3 結(jié)論

從圖中各內(nèi)力曲線可以看出，對于封閉式剛架結(jié)構(gòu)的中間區(qū)，對于以下3種情況①柱腳剛接，跨高比小于3.5的柱腳彎矩MA；②柱腳剛接，跨高比小于3.8的水平剪力V；③柱腳鉸接，跨高比小于4.2的水平剪力V。有p＜1.0,其余情況均有p＞1.0。而且無論柱腳剛接或鉸接，柱腳豎向力N按荷載規(guī)范計算值均比按門規(guī)計算值偏小。

3.2 半封閉式門式剛架

對于半封閉式門式剛架，筆者按柱底剛接、柱底鉸接兩種情況分別進行了計算。計算符號同封閉式門式剛架，內(nèi)容如下。

3.2.1 計算結(jié)果曲線

柱腳剛接MA,曲線

柱腳剛接N曲線

柱腳剛接V曲線

柱腳鉸接N曲線

柱腳鉸接V曲線

從圖中各內(nèi)力曲線可以看出，半封閉式剛架結(jié)構(gòu)的中間區(qū)，對于以下3種情況①柱腳剛接，跨高比小于3.0的柱腳彎矩MA；②柱腳剛接，跨高比小于3.0的水平剪力V；③柱腳鉸接，跨高比小于4.0的水平剪力V。有p＜1.0,其余情況均有p＞1.0。而且無論封閉式或半封閉式，柱腳豎向力N按荷載規(guī)范計算值均比按門規(guī)計算值偏小，特別是柱腳剛接時更為明顯,某些跨高比范圍內(nèi)偏小50%。

3 結(jié)論

由于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)房屋自重相對較小，如無吊車，風荷載起關(guān)鍵作用。而風荷載效應計算值差別會明顯影響結(jié)構(gòu)安全性。一般情況下，采用門規(guī)進行風荷載計算產(chǎn)生的內(nèi)力較大，但對于體型高，跨度小的房屋按荷載規(guī)范進行風荷載計算產(chǎn)生的內(nèi)力較大。因此對于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的風荷載計算應根據(jù)具體情況選用計算標準，并應采取相應構(gòu)造措施，如設(shè)置柱底抗剪鍵等，避免造成安全隱患。