風(fēng)雪荷載作用下輕鋼廠房的動力響應(yīng)分析

(1.蘇州科技大學(xué) 江蘇 蘇州 215009；2.華北科技學(xué)院 北京 101601)

引言

輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土工業(yè)廠房相比，具有自重輕、造價低、施工周期短等優(yōu)點，在建筑業(yè)和其他行業(yè)均有廣泛應(yīng)用，同時也極易受到狂風(fēng)和暴雪的襲擊[1]。2004年第14號臺風(fēng)“云娜”，在浙江省溫嶺市登陸,使得近300萬平方米的廠房倒塌，700多萬平方米的廠房嚴(yán)重受損，破壞的廠房中一半以上為輕鋼結(jié)構(gòu)[2]；2013年臺風(fēng)“天兔”造成廣東省1.6萬間房屋受損，直接經(jīng)濟損失198.5億；2018年第22號臺風(fēng)“山竹”造成5省(區(qū))倒塌房屋1200余間，嚴(yán)重損壞800余間，近3500間一般損壞；2008年的春節(jié)期間，江蘇、浙江、安徽等21個省市自治區(qū)遭受了50年一遇的罕見暴風(fēng)雪，房屋倒塌48.5萬間,因雪災(zāi)直接經(jīng)濟損失高達1500多億元[3]；2018年年初的暴雪導(dǎo)致5省近200間房屋倒塌，400余間不同程度損壞，直接經(jīng)濟損失5.1億元，位于安徽省六安市金安區(qū)皖西大道的一家超市倉庫因積雪過多，導(dǎo)致1400多平米倉儲用房坍塌。總之，暴風(fēng)雪帶來的經(jīng)濟損失巨大，我國是制造業(yè)大國且大部分制造業(yè)集聚在東南沿海地區(qū)，因此有必要進行輕鋼廠房風(fēng)雪荷載作用下的動力響應(yīng)分析。

近年來，關(guān)于輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房風(fēng)雪荷載作用下的動力響應(yīng)分析，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果。其中，Melysund等[4]通過對挪威的既有建筑在風(fēng)雪荷載共同作用下進行了分析，提出了建筑的安全性指標(biāo)。賈連光等[5]針對一輕鋼廠房，保持風(fēng)荷載不變，不斷加大雪荷載，采用ANSYS模擬了門式剛架的位移情況。李勰等[6]采用精細的板殼有限元方法對一單層門式剛架工業(yè)廠房中的典型剛架在無初始缺陷和有初始缺陷兩種情況下、風(fēng)荷載或雪荷載單獨作用下剛架的極限承載力進行非線性分析，獲得剛架的抗雪安全系數(shù)以及極限狀態(tài)的破壞模式。

本文以江蘇無錫一現(xiàn)有雙坡屋面的輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房為研究對象，采用線性濾波法并結(jié)合規(guī)范中的風(fēng)荷載體型系數(shù)模擬風(fēng)荷載，逐步加大雪荷載，采用瞬態(tài)分析法得到廠房的動力響應(yīng)。

一、結(jié)構(gòu)模型

本文研究的廠房建筑平面為165m×30m，由23榀剛架組成，柱距為7.5m，屋面形式為單跨雙坡屋面，坡度為1/18.52，屋脊高度13.46m，檐口高度12.65m。基于ANSYS軟件，分別建立有無初始缺陷的有限元模型，梁柱選用beam188模擬，支撐選用link10模擬，屋面板和墻面板選用shell188模擬，結(jié)構(gòu)有限元模型圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型

二、風(fēng)雪荷載模型

(一)風(fēng)荷載模擬

在模擬廠房的風(fēng)荷載時，采用線性濾波法中模擬出空間一點的脈動風(fēng)速時程。基于Davenport功率譜采用AR法編制matlab程序?qū)︼L(fēng)速進行模擬，首先把脈動風(fēng)部分看成是均值為零的高斯平穩(wěn)過程，基于Davenport風(fēng)功率譜考慮時間相關(guān)性求解風(fēng)速譜密度函數(shù)，生成以時間為序列的脈動風(fēng)速時程,然后將脈動風(fēng)和平均風(fēng)疊加得到風(fēng)速時程。模擬的平均風(fēng)速為30m/s，地貌類別選取B類，時間間隔取1s，總時長60s，得到的風(fēng)速時程曲線如圖2。

圖2 風(fēng)速時程曲線

得到這組風(fēng)速后，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)壓關(guān)系，得到這組風(fēng)速的風(fēng)壓：

式中：r為單位體積的重力，取r=0.012018kN/m3

g重力加速度，取g=9.8m/s2。

結(jié)合規(guī)范中風(fēng)載體型系數(shù)，計算得到橫向風(fēng)和縱向風(fēng)分區(qū)風(fēng)壓。橫、縱向風(fēng)荷載體型系數(shù)分區(qū)見圖3，圖中a為廠房最小尺寸的10%或0.4h中的最大值。并采用線性插值法得到各分區(qū)的體型系數(shù)，結(jié)果見表1。由這組風(fēng)壓和體型系數(shù)得到橫向、縱向各分區(qū)的風(fēng)壓。

圖3 風(fēng)載體型系數(shù)

表1 廠房風(fēng)荷載體型系數(shù)

(二)雪荷載模擬

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，單跨雙坡屋面坡度在20o范圍內(nèi)，可以不考慮雪荷載的不均勻分布。本文分析的輕鋼廠房的屋面坡度小于5o，可依據(jù)規(guī)范直接按均布雪荷載分析。假設(shè)屋面為均布雪荷載，保持風(fēng)荷載不變，分別考慮屋面雪荷載為0、0.1kN/m2、0.2kN/m2、0.3kN/m2、0.4kN/m2、0.5kN/m2和0.6kN/m2等七種工況。

三、數(shù)值模擬分析

結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)自身的特性以及輸入的風(fēng)荷載和雪荷載，在結(jié)構(gòu)有限元模型上分別施加橫向風(fēng)和縱向風(fēng)兩種雪荷載和7組不同大小的雪荷載組合工況，對結(jié)構(gòu)進行動力時程分析。選取左柱柱頂、右柱柱頂以及跨中三個位置節(jié)點的豎向位移來反映結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

圖4 不同風(fēng)向作用下各剛架最大位移曲線

圖5 不同雪荷載作用下最大位移

圖4給出了不同風(fēng)向角作用下剛架柱各方向節(jié)點最大位移曲線。由圖4可知：結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角作用下各剛架均產(chǎn)生較為明顯的變形，各節(jié)點位移均表現(xiàn)為中間大兩端小的趨勢，兩端位移響應(yīng)約為中間端的三分之一。橫向風(fēng)作用下左端所處的體型分區(qū)2E和3E的體型系數(shù)較大，所以橫向風(fēng)作用下左端位移響應(yīng)稍大于右端。

剛架最大位移出現(xiàn)在10至13號剛架，所以選擇12號剛架來反應(yīng)結(jié)構(gòu)在有無初始缺陷、不同雪荷載作用下的動力響應(yīng)。圖5給出了結(jié)構(gòu)在不同雪荷載作用下最大位移變化曲線。由圖5可知：除縱向風(fēng)右柱外，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均為雪荷載的增加而近似線性增大；考慮初始缺陷情況下，橫向風(fēng)和縱向風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均有一定程度的增加；受風(fēng)載體型系數(shù)影響，疊加雪荷載后，縱向風(fēng)作用下右柱位移響應(yīng)隨雪荷載作用下先減小后增大。

四、結(jié)語

本文以一輕鋼廠房為研究對象，對其進行風(fēng)雪荷載作用下的動力響應(yīng)分析，主要結(jié)論有：

(1)縱向風(fēng)較橫向風(fēng)更為不利，在抗風(fēng)設(shè)計時可依據(jù)盛行風(fēng)向選擇結(jié)構(gòu)合適的朝向；

(2)引入初始缺陷后，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)約增加10%，因此可以判斷該輕鋼廠房為缺陷不敏感性結(jié)構(gòu)，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計時仍需引起重視；

(3)該輕鋼廠房在風(fēng)荷載作用下有較好的抗風(fēng)性，但在較大雪荷載和風(fēng)荷載同時作用下抗風(fēng)性能一般，在抗風(fēng)雪設(shè)計時應(yīng)引起足夠的重視。