輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架風(fēng)荷載與地震作用的計算問題

1、輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架風(fēng)荷載與地震作用的計算問題1設(shè)計風(fēng)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(jī)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(fēng)壓分布情況一般需通過能反映湍 流影響的邊界層風(fēng)洞試驗測得。因為目前國內(nèi)關(guān)于低矮房屋的邊界層風(fēng)洞試驗資料尚不 完備，所以標(biāo)準(zhǔn)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(fēng) 荷載體型系數(shù)，并對風(fēng)荷載計算做了專門的規(guī)定。該規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)GB50009有所不同， 按照兩本標(biāo)準(zhǔn)計算的風(fēng)荷載效應(yīng)存在差異。全國民用建筑工程設(shè)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(yīng)按GB5

2、0009計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn) 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(fēng)荷載效應(yīng)結(jié)果的比較，橫坐標(biāo)為跨度與檐口高度之比L/h，縱坐標(biāo)為按兩本標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了不同跨高比，柱距（開間）， 基本風(fēng)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(guān)。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(dá)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(fēng)荷載常起主要作用，風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)CECS102的規(guī)定進(jìn)行風(fēng) 荷載計算。當(dāng)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(shè)計要求，針對具體部位采取加強(qiáng)措施，如加強(qiáng)柱腳剪力鍵的設(shè)置、柱腳彎矩乘以放 大系數(shù)等

4、。2地震作用效應(yīng)與其它荷載效應(yīng)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(rèn)為七度抗震時可不作 抗震驗算。但以下分析比較表明，當(dāng)風(fēng)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(guān)。但在地震作 用下，外墻重量產(chǎn)生的橫向水平作用應(yīng)由剛架承當(dāng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CECS102第3.2.5條“風(fēng)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(yīng)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(yīng)組合的設(shè)計值s1：

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

6、應(yīng)組合分別與垂直荷載效應(yīng)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(jìn)行比較，風(fēng)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(diǎn)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(dāng)K1與K2均小于1時，表示重力荷載效應(yīng)組合起控制作用。當(dāng)K1與K2均大于1 時，如k1/k21，則表示風(fēng)荷載參與的效應(yīng)組合起控制作用，反之如k1/k21則表示 地震作用參與的效應(yīng)組合起控制作用。圖3繪出了門式剛架在七度抗震設(shè)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(fēng)壓取Wo=0.3、0.5、0.7、0.9KN/m2； 屋蓋自重標(biāo)準(zhǔn)值grk=0.15KN/m2；外墻采用空心磚砌體，自重標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(fēng)荷載參與的效應(yīng)組合或垂直荷載效應(yīng)組合起控制作用， 跨高比小時是風(fēng)荷載或地震作用參與的效應(yīng)組合起控制作用。如果風(fēng)壓較小，外墻采用 砌體，這時往往地震作用參與的效應(yīng)組合為控制組合。以圖3b為例，在上述計算條件 下，當(dāng)基本風(fēng)壓大于70KN/m2時，風(fēng)荷載參與的效應(yīng)組合起控制作用，當(dāng)基本風(fēng)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(yīng)組合為控制組 合，跨高比小于2,地震作用參與的效應(yīng)組合為控制組合。3結(jié)論 兩本標(biāo)準(zhǔn)GB50009和CECS102規(guī)定的設(shè)計風(fēng)荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力的比值，與門 式剛架跨高比有關(guān)，大多數(shù)情況下CECS102規(guī)定的設(shè)計風(fēng)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力較大，輕鋼 結(jié)構(gòu)門式剛架宜按標(biāo)準(zhǔn)CECS102進(jìn)行風(fēng)荷載計算，當(dāng)跨高比位于GB50009