對門式剛架輕鋼結構風荷載計算的討論

楊 靖 （濟南軍區建筑設計院，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、建設周期短、機械化程度高、安裝施工簡便等特點，在現代工業廠房、倉庫、車間等各類建筑中得到廣泛的應用。與普通鋼結構單層房屋相比，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

門式剛架輕型結構房屋的風荷載，是以我國現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB50009）﹙以下簡稱荷載規范﹚為基礎確定的。計算這種房屋結構風荷載標準值時所需的風荷載體型系數，由于我國現有資料不完備，因此主要采用了美國金屬房屋制造商協會MBMA《低層房屋體系手冊》（1996）中有關小坡度房屋的規定。按此規與按荷載規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，按照荷載規范,左風條件下，中間區風荷載體型系數如圖1所示；而按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS 102：2002）﹙以下簡稱門規﹚中間區風荷載體型系數如圖2所示。

圖1

圖2

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

3 兩個標準的對比與分析

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

但筆者通過計算發現，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力。計算中，屋面坡度取10%,地面粗糙度類別取B類，50年重現期的基本風壓取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構技術規程》風荷載計算效應與按《建筑結構荷載規范》風荷載計算效應的比值

④m代表跨高比L/H

內力符號示意圖

柱腳鉸接V曲線

3.1.2 通過計算，結果曲線(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 結論

從圖中各內力曲線可以看出，對于封閉式剛架結構的中間區，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按荷載規范計算值均比按門規計算值偏小。

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，內容如下。

3.2.1 計算結果曲線

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

從圖中各內力曲線可以看出，半封閉式剛架結構的中間區，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按荷載規范計算值均比按門規計算值偏小，特別是柱腳剛接時更為明顯,某些跨高比范圍內偏小50%。

3 結論

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