風荷載作用下某門式剛架結(jié)構(gòu)受力分析

作者簡介：

陳泊霖（1992—），主要從事道路橋梁研究及項目建設管理工作。

摘要：文章對南寧明月湖公園某門式剛架進行風荷載結(jié)構(gòu)驗算，在不同等級風荷載下，分析結(jié)構(gòu)的抗風能力，為門式剛架臨時房屋的設計及施工提供參考。驗算結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)能抵抗會議當天5級風力荷載，但不滿足10年基準期使用要求，應在現(xiàn)有配重下每邊增加700 kg壓重。

關(guān)鍵詞：門式剛架；風荷載；強度剛度比；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

中圖分類號：U446.1文獻標識碼：A 42 142 2

0 引言

門式剛架輕型結(jié)構(gòu)房屋起源于美國，與混凝土房屋相比，具有結(jié)構(gòu)簡潔、自重輕、受力合理、用鋼量低等特點，同時便于工廠預制，施工周期短等優(yōu)點。因此，這種鋼結(jié)構(gòu)形式的房屋一經(jīng)推出，就在我國得到快速推廣和應用，尤其成為倉庫、廠房、臨時房屋的首選結(jié)構(gòu)形式［1］。門式剛架輕型結(jié)構(gòu)房屋由于其自身特性，對風荷載較為敏感［2］，設計通常采用風荷載組合控制，抗風設計就成為該結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵內(nèi)容［3］。

本文結(jié)合實際工程，以某門式剛架臨時房屋為例，按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）［4］（以下簡稱“門剛規(guī)范”）進行風荷載工況下的結(jié)構(gòu)驗算［5］，分析不同等級風荷載下，對整個結(jié)構(gòu)抗風能力的影響，為門式剛架臨時房屋的設計及施工提供參考。

1 工程概況

本文依托工程為南寧市明月湖公園某會議使用的臨時鋼結(jié)構(gòu)大棚，采用門式剛架輕型結(jié)構(gòu)形式。工程抗震設防烈度為7°，基本地震加速度值為0.1 g，設計地震分組為第一組設計特征周期為0.35 s，建筑抗震設防類別為丙類。

門剛結(jié)構(gòu)進行設計時，應滿足“門剛規(guī)范”條例3.4規(guī)定的構(gòu)造要求。工字形截面受壓構(gòu)件的翼緣板自由外伸寬度b與厚度tf之比，應滿足式（1），fy為翼緣板鋼材屈服強度。

b/tf≤15 235/fy

（1）

工字形截面受壓構(gòu)件的腹板計算高度與其厚度之比，應滿足式（2）：

hw/tw≤250

（2）

受拉構(gòu)件與受壓構(gòu)件的長細比也應滿足“門剛規(guī)范”所規(guī)定的限值，其中受壓構(gòu)件中，主要構(gòu)件與支撐構(gòu)件的長細比限值分別為180、220，受拉構(gòu)件長細比限值為250。

根據(jù)“門剛規(guī)范”所規(guī)定的構(gòu)造要求，該門式剛架共設1層，層高10 m，雙坡屋面，左右坡度均為0.27，屋頂覆蓋輕質(zhì)擋風材料，建筑總長60 m、總寬30 m，共7榀鋼架，每榀鋼架之間的間距為10 m，剛架柱、梁均采用Q345。柱腳剛接，采用插入式柱腳，剛架柱采用箱型截面，截面尺寸為500 mm×500 mm×14 mm；剛架梁采用桁架體系，由尺寸為100～200 mm的鋼圓管進行交叉焊接，與鋼柱形成一個完整的支撐體系。如圖1所示為建筑物立面圖。

2 結(jié)構(gòu)計算

對該建筑物進行風荷載作用分析時，需驗算剛架的整體穩(wěn)定性，即基礎與地面不脫開的情況。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011），應按正常使用極限狀態(tài)下荷載的標準組合進行驗算［6-7］。

該工程為對稱結(jié)構(gòu)，在滿足“門剛規(guī)范”所規(guī)定的構(gòu)造要求的基礎上，可忽略內(nèi)部傳力過程，將原本體系較復雜的桁架體系簡化為二力桿體系［8-9］，如圖2所示。

2.1 模型的建立

本文采用盈建科二維門剛設計軟件，建立門式剛架風荷載驗算的數(shù)值模型。計算模型包含剛架柱1、2以及剛架梁3、4共4個構(gòu)件，構(gòu)件編號詳見上頁圖2。建模步驟為：（1）在門剛模塊進行門式剛架快速建模，根據(jù)實際尺寸填入?yún)?shù)；（2）分別進行剛架梁、剛架柱構(gòu)件布置，剛架柱采用實際尺寸，剛架梁選用型鋼，數(shù)值模型用鋼量與實際保持一致，均為1 t；（3）進行荷載布置，屋頂采用輕質(zhì)擋風材料，恒荷載取0.2 kN/m2，不考慮屋頂活荷載，結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)換為沿鋼柱方向的節(jié)點荷載，兩邊各5 kN。

“門剛規(guī)范”中規(guī)定，在進行門式剛架結(jié)構(gòu)風荷載作用計算時，風荷載作用面積應取垂直風向?qū)淖畲笸队懊娣e，垂直于建筑物表面的單位面積風荷載標準值wk按式（3）進行計算：

wk=βuwuzw0

（3）

式中：β——計算系數(shù)；

uw——風荷載系數(shù)；

w0——基本風壓；

uz——風壓高度變化系數(shù)。

uz與地面粗糙度類別、離地面高度有關(guān)。該門式剛架位于有密集建筑群的城市市區(qū)，高度為10 m，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［10］（以下簡稱“荷載規(guī)范”），uz取值0.65；根據(jù)“荷載規(guī)范”附表給出了重現(xiàn)期R分別為10年、50年、100年的基本風壓，該門式剛架為臨時結(jié)構(gòu)，按10年設計使用年限來考慮，w0取值0.25 kN/m2；“門剛規(guī)范”與“荷載規(guī)范”均給出了uw的確定原則，前者針對低矮建筑物的特點，對與門剛結(jié)構(gòu)的風荷載系數(shù)取值更具合理性；計算系數(shù)β取值1.1［11］。

為驗證該門式剛架的安全性，如表1所示給出了4種等級風力情況下的結(jié)構(gòu)風荷載作用標準值。會議當天的風力等級為5級，根據(jù)中國氣象局發(fā)布的風力的等級劃分對照表，對應最大風速為10.7 m/s，對應基本風壓為0.072 kN/m2；6級風對應最大風速為13.8 m/s，對應基本風壓為0.119 kN/m2；7級風對應最大風速為17.1 m/s，對應基本風壓為0.183 kN/m2；按10年設計使用年限所對應的風力等級為8級，對應風壓為0.250 kN/m2。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 強度應力比

強度應力比作為描述鋼結(jié)構(gòu)力學性能的常用指標之一，指結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下，所承受的最大應力與允許應力的比值，若強度應力比gt;1，則說明結(jié)構(gòu)不安全，需要重新進行設計。

該門剛結(jié)構(gòu)在不同風力等級的風荷載作用下，剛架柱1、2和剛架梁3、4的強度應力比變化趨勢如圖3所示。由圖3可知：當風力等級為5時，各構(gòu)件強度剛度比lt;1，滿足使用要求；隨著風力等級的增加，剛架柱1、2和剛架梁3、4的強度應力比最終趨于一致，其中剛架梁3、4增幅較快，最大增幅為73.8%，說明剛架梁相較于剛架柱受風荷載影響更大，且當風荷載gt;6級后，剛架梁強度應力比gt;1，結(jié)構(gòu)不安全，需考慮設置抗風措施或重新設計。

剛架梁在水平風荷載作用下，由于沒有側(cè)向支撐，則使剛架梁不僅要承受側(cè)向力，還要承受側(cè)向力引起的扭矩。當門剛結(jié)構(gòu)的跨度增大時，產(chǎn)生的側(cè)向力更大，更容易使剛架梁產(chǎn)生側(cè)向扭矩而失穩(wěn)。在門剛結(jié)構(gòu)中抗風措施通常采用設置抗風柱，抗風柱與剛架梁的下翼緣連接，在連接處增設隅撐，增強了側(cè)向受力，保證了剛架梁不因下翼緣受扭而失穩(wěn)。

2.2.2 支座反力

門式剛架在結(jié)構(gòu)自重及風荷載作用下應滿足基礎與地面不脫開，即支座反力不為負值。該門剛結(jié)構(gòu)在標準組合（恒載+X風）或標準組合（恒載-X風-i）作用下，構(gòu)件1、2處的支座反力為最小值。

如后頁圖4所示給出了標準組合（恒載+X風）下支座反力隨風力等級的變化趨勢。由后頁圖4可知：隨著風力等級的增大，支座反力降幅逐漸增大；當風力等級≤6級時，此時構(gòu)件1、2處的支座反力為正，結(jié)構(gòu)滿足抗傾覆要求；當風力等級為7級時，構(gòu)件1在+X風作用下出現(xiàn)抗拔力大于自重的情況，支座反力為-1.6 kN，此時結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在現(xiàn)有配重下每邊應額外增加200 kg壓重，才能滿足抗傾覆要求；當風力等級為8級時，支座反力分別為-6.2 kN、-2.6 kN，在現(xiàn)有配重下每邊應額外增加700 kg壓重。

3 結(jié)語

本文以某門式剛架為例，進行風荷載工況下的結(jié)構(gòu)驗算，在不同等級風荷載下，對該結(jié)構(gòu)剛架梁、剛架柱進行強度應力比及支座反力的變化趨勢進行分析，得到的結(jié)論如下：

（1）該門式剛架為臨時結(jié)構(gòu)，應符合荷載規(guī)范要求的臨時建筑按10年基準期來考慮，基本風壓為0.25 kN/m2，最大風速為19.7m/s，對應8級風。從結(jié)構(gòu)強度應力比以及抗傾覆角度分析，本結(jié)構(gòu)能抵抗會議當天5級風力荷載，但不滿足10年基準期使用要求。

（2）由風荷載作用下結(jié)構(gòu)強度應力比的變化趨勢可知，剛架梁更易受風荷載影響，隨著風力等級的增大，剛架梁強度應力比迅速變大，最大增幅達到73.8%，風荷載gt;6級后，結(jié)構(gòu)偏不安全，應對結(jié)構(gòu)進行抗風設計，如設置抗風柱。

（3）在標準組合（恒載+X風）或標準組合（恒載-X風-i）作用下，該門式剛架支座反力達到最小值，當風荷載gt;6級后，抗拔力大于自重，此時結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，按10年基準期設計即當風力等級8級時，應在現(xiàn)有配重下每邊增加700 kg壓重。

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