輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架風荷載與地震作用的計算問題

1、輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架風荷載與地震作用的計算問題1設計風荷載門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋高度小屬低矮房屋，與一般房屋所受的氣流機理不同。由 于靠近地面，受地面環(huán)境的影響，氣流多呈湍流，其風壓分布情況一般需通過能反映湍 流影響的邊界層風洞試驗測得。因為目前國內(nèi)關于低矮房屋的邊界層風洞試驗資料尚不 完備，所以標準CECS102采用了美國MBMA的資料作為門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的風 荷載體型系數(shù)，并對風荷載計算做了專門的規(guī)定。該規(guī)定與標準GB50009有所不同， 按照兩本標準計算的風荷載效應存在差異。全國民用建筑工程設計技術(shù)措施2003 （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GB5

2、0009計算風荷載標準 值及體型系數(shù)，跨高比大于4時宜按CECS102取用。以下的計算分析表明，跨高比為4 的界分，并不能較好地滿足門式剛架各個控制截面的安全性要求。圖1中分別表示了柱腳鉸接和剛接的門式剛架按CECS102與GB50009計算所得的 風荷載效應結(jié)果的比較，橫坐標為跨度與檐口高度之比L/h，縱坐標為按兩本標準所得 的控制截面彎矩、柱腳剪力、柱腳拉力之比。比值大于1表示按CECS102的計算值較 大，比值小于1表示按GB50009的計算值較大。計算條件為坡度1/10的等截面雙坡剛 架，利用結(jié)構(gòu)靜力計算手冊中的門式剛架計算公式進行了不同跨高比，柱距（開間）， 基本風壓的計算，計算結(jié)果

3、表明該比值僅與剛架的跨高比有關。值得注意的是，跨中彎矩M2、柱底拉力V以及柱腳剛接剛架的檐口彎矩M按 GB50009的計算值均比按CECS102的計算值偏小，特別在某些跨高比區(qū)段內(nèi)偏小較多， 如跨中彎矩M2在跨高比大于2時偏小達50%左右。由于門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的自 重相對較小，如無吊車則風荷載常起主要作用，風荷載內(nèi)力計算值的差別會明顯影響結(jié) 構(gòu)的安全性。因此在一般情況下，輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架宜按標準CECS102的規(guī)定進行風 荷載計算。當剛架的跨高比位于按GB50009的計算值較大的區(qū)段時，可根據(jù)不同情況 與設計要求，針對具體部位采取加強措施，如加強柱腳剪力鍵的設置、柱腳彎矩乘以放 大系數(shù)等

4、。2地震作用效應與其它荷載效應的比較門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋自重輕，地震作用相對較小，一般認為七度抗震時可不作 抗震驗算。但以下分析比較表明，當風壓較小且外墻采用砌體時，七度地震區(qū)的地震作 用對門式剛架的影響是不能忽視的。門式剛架承受的垂直荷載主要集中在屋蓋，有屋蓋自重、屋面活荷載、積灰荷載、 雪荷載等。外墻采用砌體時，墻體是自承重結(jié)構(gòu)，其垂直重量與門架無關。但在地震作 用下，外墻重量產(chǎn)生的橫向水平作用應由剛架承當。根據(jù)標準CECS102第3.2.5條“風荷載不與地震作用同時考慮”的規(guī)定，圖2表 示門式剛架的荷載效應基本組合有如下三種：屋蓋自重與屋面活荷載，積灰荷載、雪荷載效應組合的設計值s1：

5、Si = L2Sgk+L4(SqWc2+Sq2k)式中：sgk屋面自重荷載標準值的效應；sqik、sQ2K積灰荷載和雪荷載或屋面活荷載標準值的效應；W C2第二個可變荷載組合值系數(shù)。 風荷載與屋蓋自重荷載效應組合的設計值S2：S2=1-05X1-4SWK-1-0SGK式中：swk一風荷載標準值的效應；1.05是根據(jù)CECS102的規(guī)定采用。地震作用與重力荷載效應組合的設計值S3：S3=1-3SEK+1-2SGE式中：sek一水平地震作用標準值的效應sge一重力荷載代表值的效應如果把三種效應組合分別進行比較，可以明確判別不同情況下起主要控制作用的效 應組合。風荷載參與的效應組合、地震作用參與的效

6、應組合分別與垂直荷載效應組合比 較如下：S2K1=SiY RES3k2=S1以坡度1/10的等截面雙坡剛架為計算條件，取檐口彎矩M1和柱腳彎矩MA作為控 制截面內(nèi)力進行比較，風荷載按照CECS102中間區(qū)的規(guī)定計算，地震作用計算采用單 質(zhì)點模型的底部剪力法，承載力抗震調(diào)整系數(shù)Y RE取0.75,利用剛架計算公式可得K值。當K1與K2均小于1時，表示重力荷載效應組合起控制作用。當K1與K2均大于1 時，如k1/k21，則表示風荷載參與的效應組合起控制作用，反之如k1/k21則表示 地震作用參與的效應組合起控制作用。圖3繪出了門式剛架在七度抗震設防區(qū)時式3、式4的計算結(jié)果。其計算條件為： 假定結(jié)構(gòu)

7、自振周期小于特征周期，則a =a皿/基本風壓取Wo=0.3、0.5、0.7、0.9KN/m2； 屋蓋自重標準值grk=0.15KN/m2；外墻采用空心磚砌體，自重標準值Gwk=3.8KN/m2； 屋面活荷載取0.5KN/m2，集灰荷載取0.3KN/m2，屋蓋重力荷載代表值為qE=0.15 + 0.5 X0.3 = 0.3KN/m2，屋蓋荷載設計值為 q= 1.2X0.15 +1.4X (0.5 + 0.9X0.3) = 1.26KN/m2。 由圖3可以看出，跨高比大時是風荷載參與的效應組合或垂直荷載效應組合起控制作用， 跨高比小時是風荷載或地震作用參與的效應組合起控制作用。如果風壓較小，外墻采用 砌體，這時往往地震作用參與的效應組合為控制組合。以圖3b為例，在上述計算條件 下，當基本風壓大于70KN/m2時，風荷載參與的效應組合起控制作用，當基本風壓為 50 KN/m2、地震作用影響系數(shù)a =0.12時，跨高比大于2，垂直荷載效應組合為控制組 合，跨高比小于2,地震作用參與的效應組合為控制組合。3結(jié)論 兩本標準GB50009和CECS102規(guī)定的設計風荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力的比值，與門 式剛架跨高比有關，大多數(shù)情況下CECS102規(guī)定的設計風荷載產(chǎn)生的內(nèi)力較大，輕鋼 結(jié)構(gòu)門式剛架宜按標準CECS102進行風荷載計算，當跨高比位于GB50009