雙拱柱面網殼結構風荷載設計取值分析

覃琴 周一平

【摘要】雙拱大跨度網架屋蓋結構由于體表為復雜曲面，其風荷載的確定也比較復雜，按目前的建筑荷載規范無法提供該結構的準確風荷載。另因甲方工期緊，亦無法花大量時間去作風洞試驗提供模擬數據。對于無相關數據參考的情況下，此類結構的風荷載設計取值只能以《建筑結構荷載規范》相應風荷載體型系數為基準，同時參考文獻資料綜合考慮。對于不利部位適當增大風荷載系數，對重點及薄弱部位從結構上予以加強。

【關鍵詞】雙拱;屋蓋;風荷載

大跨度柱面網殼結構是工程中一種常見的結構形式，廣泛用于各類大跨度空間結構，但雙拱柱面網殼結構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，尤其是做了風洞試驗的數據更難找到。雙拱柱面網殼結構對風荷載尤為敏感，在此結構設計中，風荷載為主要控制荷載，所以對風荷載各系數的取值也非常重要。由于該結構外表面為曲面，風壓分布及三維空間特性都較為復雜，且該結構通常位于風速變化大的山谷和江河地段。由于目前的建筑荷載規范無法準確提供該結構的風荷載體型系數，為了保證結構安全，對于雙拱柱面網殼結構的風荷載取值，我們在設計過程中也進行了多次驗算對比及復核。

本文以文獻[3]羅堯治《大跨度儲煤結構—設計與施工》和文獻[4]《雙拱大跨屋面結構風荷的數值模擬研究》為參考，以《建筑結構荷載規范》為基準，進行了多種風載體型系數取值的計算對比。

1、工程概況

本項目位于安徽省池州市，結構長437m，寬145m，高43.5m。采用雙拱大跨度柱面網殼結構體系，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，計算模型見圖1，結構平面布置見圖2，項目所處地段見完工后項目現場圖3。由于大跨度網殼結構屬于對風荷載敏感的結構，風荷載是控制結構設計的關鍵荷載因素。并且雙拱大跨度結構外表面風荷載體型系數與結構外形密切相關，受結構矢跨比影響較大，現行《建筑結構荷載規范》中的相關規定不能滿足該結構的設計要求，無法得到合理的體型系數，需設計人員對各風荷載取值參數進行充分把握。

2、風荷載各數據取值考慮思路

2.1基本風壓、風壓高度變化系數及風振系數的取值

雙拱柱面網殼結構對風荷載比較敏感，《空間網格結構技術規程》對基本風壓的取值未做特殊規定，但根據本項目結構自身特點，其基本風壓的取值設計中適當提高，故按100年重現期的風壓取值0.45KN/㎡。本項目位于四面環山的鄉村，地面粗糙度為B類，地形條件屬于山間盆地，其風壓高度變化系數的修正系數η按荷載規范第8.2.2條取值是在0.75～0.85之間選取，考慮到本項目的特殊性，其修正系數η仍按1考慮，不修正減小。

本結構跨度較大，自重較輕，結構基本自振周期T≥0.25s，由風引起的結構振動比較明顯，因此設計中應考慮風振的影響。本結構風振響應的計算方法采用了基于振型分解原理的頻域分析法，計算過程中考慮了25個振型的影響。根據一些文獻參考的理論研究計算，發現風振計算結果影響最大的為前10階振型，而10階以上的振型影響相對較小，所以本結構考慮25個振型的影響，其風振系數計算取值比較充分可靠。

2.2按單拱考慮風荷載體型系數的取值

本項目為雙拱柱面網殼結構，基本無相關可靠的風荷載體型系數取值可參考。為保證結構安全可靠，兩拱的風荷載體型系數分別按單拱取值。

2.2.1迎風面沿拱跨度方向風荷載體型系數的取值

在來風方向平行于結構跨度方向的風荷載體型系數，《建筑結構荷載規范》表8.3.1風荷載體型系數第3項次進行了明確規定，本結構按封閉式落地拱形屋面的體型系數取值，具體詳見圖4所示。其山墻面的風荷載體型系數按表8.3.1第2項次均取-0.7。

2.2.2迎風面沿山墻方向風荷載體型系數的取值

當來風方向垂直于拱跨度方向時，迎風面及背風面的風荷載體型系數，按《建筑結構荷載規范》表8.3.1第2、3、4項次綜合考慮，迎風面取0.8，背風面取-0.5。平行于結構縱向的體型系數取值參考羅堯治《大跨度儲煤結構—設計與施工》書中所提供的英國荷載規范的數據取值，詳見圖5。

2.3按雙拱考慮風荷載體型系數取值的對比

2.3.1按《建筑結構荷載規范》取值風荷載體型系數

對于來風方向平行于結構跨度方向和垂直于結構跨度方向兩種情況下的風荷載體型系數取值，均按《建筑結構荷載規范》表8.3.1第3、4、19、24項次綜合考慮。因結構拱高約43.5m，兩拱支座間隔約8米，兩拱之間的體型系數的影響取值參考荷載規范表8.3.1第19項次的（a）和（b），兩拱之間的尺寸關系符合S/H≈0.2的情況，具體取值詳見圖6。

2.3.2按參考文獻[4]《雙拱大跨屋面結構風荷的數值模擬研究》取值風荷載體型系數

參考文獻《雙拱大跨屋面結構風荷的數值模擬研究》一文中對于雙拱屋蓋結構進行了風荷載數值風洞模擬分析研究，給出了可供工程設計時參考的風荷載體型系數，具體見圖7。

結語：

本文對以上幾種風荷載取值的情況進行了計算分析，根據計算結果對比，雙拱分別按單拱的情況取值風荷載體型系數，其計算結果為最不利情況。為確保結構的安全可靠，對其他工況下的荷載取值也進行了充分的考慮，其中對結構薄弱及重點部位進行了加強設計。對于雙拱柱面網殼結構的風荷載設計取值，實際工程中還是建議按照《建筑結構荷載規范》的要求根據風洞試驗或類似工程的試驗結果選用，只有有了準確的風荷載取值，設計人員才能更可靠的保證結構的安全使用性能。

參考文獻：

[1]GB50009-2012建筑結構荷載規范

[2]JGJ7-2010空間網格結構技術規程

[3]羅堯治.大跨度儲煤結構—設計與施工 [M] .北京：中國電力出版社，2007.

[4]李曉潤，吳昌棟，李悅，陳水榮.雙拱大跨屋面結構風荷的數值模擬研究[J].工業建筑，2011，41（8）

[5]高博青，董石麟，童建國.臺州電廠干煤棚折線型網狀筒殼的風洞與模型試驗研究[J].空間結構，1996，2（1）：54-62.

[6]秦云，張耀春，王春剛.數值風洞模擬結構靜力風荷載的可行性研究[J].哈爾濱工業大學學報，2004，36（12）：1593-1597.

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：鋼結構設計;

周一平（1961-），男，土家族，湖南省長沙市，本科，正高級工程師，主要從事：房屋建筑結構及工業建筑結構設計、工程監理、工程檢測、工程全過程咨詢等工作。