雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)取值分析

覃琴 周一平

【摘要】雙拱大跨度網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)由于體表為復(fù)雜曲面，其風(fēng)荷載的確定也比較復(fù)雜，按目前的建筑荷載規(guī)范無法提供該結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確風(fēng)荷載。另因甲方工期緊，亦無法花大量時(shí)間去作風(fēng)洞試驗(yàn)提供模擬數(shù)據(jù)。對(duì)于無相關(guān)數(shù)據(jù)參考的情況下，此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)取值只能以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》相應(yīng)風(fēng)荷載體型系數(shù)為基準(zhǔn)，同時(shí)參考文獻(xiàn)資料綜合考慮。對(duì)于不利部位適當(dāng)增大風(fēng)荷載系數(shù)，對(duì)重點(diǎn)及薄弱部位從結(jié)構(gòu)上予以加強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】雙拱;屋蓋;風(fēng)荷載

大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是工程中一種常見的結(jié)構(gòu)形式，廣泛用于各類大跨度空間結(jié)構(gòu)，但雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式工程上采用的比較少，可參考的相類似工程資料也非常有限，尤其是做了風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)更難找到。雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載尤為敏感，在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載為主要控制荷載，所以對(duì)風(fēng)荷載各系數(shù)的取值也非常重要。由于該結(jié)構(gòu)外表面為曲面，風(fēng)壓分布及三維空間特性都較為復(fù)雜，且該結(jié)構(gòu)通常位于風(fēng)速變化大的山谷和江河地段。由于目前的建筑荷載規(guī)范無法準(zhǔn)確提供該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，為了保證結(jié)構(gòu)安全，對(duì)于雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載取值，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中也進(jìn)行了多次驗(yàn)算對(duì)比及復(fù)核。

本文以文獻(xiàn)[3]羅堯治《大跨度儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)—設(shè)計(jì)與施工》和文獻(xiàn)[4]《雙拱大跨屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷的數(shù)值模擬研究》為參考，以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》為基準(zhǔn)，進(jìn)行了多種風(fēng)載體型系數(shù)取值的計(jì)算對(duì)比。

1、工程概況

本項(xiàng)目位于安徽省池州市，結(jié)構(gòu)長437m，寬145m，高43.5m。采用雙拱大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，雙拱跨度分別為71.5m和65.5m，拱高最高分別為41.2m和39.2m，兩跨支座間隔8m，矢跨比分別為0.576和0.598，計(jì)算模型見圖1，結(jié)構(gòu)平面布置見圖2，項(xiàng)目所處地段見完工后項(xiàng)目現(xiàn)場圖3。由于大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵荷載因素。并且雙拱大跨度結(jié)構(gòu)外表面風(fēng)荷載體型系數(shù)與結(jié)構(gòu)外形密切相關(guān)，受結(jié)構(gòu)矢跨比影響較大，現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定不能滿足該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，無法得到合理的體型系數(shù)，需設(shè)計(jì)人員對(duì)各風(fēng)荷載取值參數(shù)進(jìn)行充分把握。

2、風(fēng)荷載各數(shù)據(jù)取值考慮思路

2.1基本風(fēng)壓、風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)的取值

雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)基本風(fēng)壓的取值未做特殊規(guī)定，但根據(jù)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，其基本風(fēng)壓的取值設(shè)計(jì)中適當(dāng)提高，故按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓取值0.45KN/㎡。本項(xiàng)目位于四面環(huán)山的鄉(xiāng)村，地面粗糙度為B類，地形條件屬于山間盆地，其風(fēng)壓高度變化系數(shù)的修正系數(shù)η按荷載規(guī)范第8.2.2條取值是在0.75～0.85之間選取，考慮到本項(xiàng)目的特殊性，其修正系數(shù)η仍按1考慮，不修正減小。

本結(jié)構(gòu)跨度較大，自重較輕，結(jié)構(gòu)基本自振周期T≥0.25s，由風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)比較明顯，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)振的影響。本結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的計(jì)算方法采用了基于振型分解原理的頻域分析法，計(jì)算過程中考慮了25個(gè)振型的影響。根據(jù)一些文獻(xiàn)參考的理論研究計(jì)算，發(fā)現(xiàn)風(fēng)振計(jì)算結(jié)果影響最大的為前10階振型，而10階以上的振型影響相對(duì)較小，所以本結(jié)構(gòu)考慮25個(gè)振型的影響，其風(fēng)振系數(shù)計(jì)算取值比較充分可靠。

2.2按單拱考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值

本項(xiàng)目為雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，基本無相關(guān)可靠的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值可參考。為保證結(jié)構(gòu)安全可靠，兩拱的風(fēng)荷載體型系數(shù)分別按單拱取值。

2.2.1迎風(fēng)面沿拱跨度方向風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值

在來風(fēng)方向平行于結(jié)構(gòu)跨度方向的風(fēng)荷載體型系數(shù)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1風(fēng)荷載體型系數(shù)第3項(xiàng)次進(jìn)行了明確規(guī)定，本結(jié)構(gòu)按封閉式落地拱形屋面的體型系數(shù)取值，具體詳見圖4所示。其山墻面的風(fēng)荷載體型系數(shù)按表8.3.1第2項(xiàng)次均取-0.7。

2.2.2迎風(fēng)面沿山墻方向風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值

當(dāng)來風(fēng)方向垂直于拱跨度方向時(shí)，迎風(fēng)面及背風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1第2、3、4項(xiàng)次綜合考慮，迎風(fēng)面取0.8，背風(fēng)面取-0.5。平行于結(jié)構(gòu)縱向的體型系數(shù)取值參考羅堯治《大跨度儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)—設(shè)計(jì)與施工》書中所提供的英國荷載規(guī)范的數(shù)據(jù)取值，詳見圖5。

2.3按雙拱考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)取值的對(duì)比

2.3.1按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值風(fēng)荷載體型系數(shù)

對(duì)于來風(fēng)方向平行于結(jié)構(gòu)跨度方向和垂直于結(jié)構(gòu)跨度方向兩種情況下的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值，均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1第3、4、19、24項(xiàng)次綜合考慮。因結(jié)構(gòu)拱高約43.5m，兩拱支座間隔約8米，兩拱之間的體型系數(shù)的影響取值參考荷載規(guī)范表8.3.1第19項(xiàng)次的（a）和（b），兩拱之間的尺寸關(guān)系符合S/H≈0.2的情況，具體取值詳見圖6。

2.3.2按參考文獻(xiàn)[4]《雙拱大跨屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷的數(shù)值模擬研究》取值風(fēng)荷載體型系數(shù)

參考文獻(xiàn)《雙拱大跨屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷的數(shù)值模擬研究》一文中對(duì)于雙拱屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)荷載數(shù)值風(fēng)洞模擬分析研究，給出了可供工程設(shè)計(jì)時(shí)參考的風(fēng)荷載體型系數(shù)，具體見圖7。

結(jié)語：

本文對(duì)以上幾種風(fēng)荷載取值的情況進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，雙拱分別按單拱的情況取值風(fēng)荷載體型系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果為最不利情況。為確保結(jié)構(gòu)的安全可靠，對(duì)其他工況下的荷載取值也進(jìn)行了充分的考慮，其中對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱及重點(diǎn)部位進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)。對(duì)于雙拱柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)取值，實(shí)際工程中還是建議按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)或類似工程的試驗(yàn)結(jié)果選用，只有有了準(zhǔn)確的風(fēng)荷載取值，設(shè)計(jì)人員才能更可靠的保證結(jié)構(gòu)的安全使用性能。

參考文獻(xiàn)：

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[3]羅堯治.大跨度儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)—設(shè)計(jì)與施工 [M] .北京：中國電力出版社，2007.

[4]李曉潤，吳昌棟，李悅，陳水榮.雙拱大跨屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷的數(shù)值模擬研究[J].工業(yè)建筑，2011，41（8）

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作者簡介：

覃琴（1980-），女，土家族，湖南省張家界市，本科，工程師。主要從事：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

周一平（1961-），男，土家族，湖南省長沙市，本科，正高級(jí)工程師，主要從事：房屋建筑結(jié)構(gòu)及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程監(jiān)理、工程檢測、工程全過程咨詢等工作。