斜风作用下大跨轻钢结构抗风安全性研究

结构设计与施工技术

斜风作用下大跨轻钢结构抗风安全性研究

沈 域， 陈水福

(浙江大学建筑工程学院， 杭州 310058)

【摘 要】以沿海某一实际轻钢厂房为例，按ASCE 7－10取用风荷载体型系数，对厂房整体刚架进行了非线性的极限承载力分析，获得了抗风安全系数及极限状态下的破坏模式，并与CECS中规定的正向风荷载的结果作了比较。结果显示，这类轻钢结构在斜向风作用下的承载力及抗风安全系数低于正向风作用的情况，承载力降低的主要原因是局部屈曲呈现多区域化发展，且早于正向风作用时发生。

【关键词】轻钢结构;门式刚架;斜向风;抗风安全性

0 引言

轻钢门式刚架结构是一种采用轻质屋面、墙体和高效钢材的新型钢结构形式。这类结构由于跨度大、空间布置灵活、施工周期短、经济性好等特点，在我国工业建筑中得到了广泛的应用。但是，由于这类结构质量轻、刚度小、阻尼低等原因，在强风作用下很容易发生风致破坏，其抗风承载力及风致安全性问题一直是研究者十分关注的课题［1］。

国内外已就轻钢门式刚架结构的极限承载力和安全性问题开展了不少研究。Jang等基于实测和风洞试验数据库的风荷载，采用有限元方法分析了典型大跨轻钢刚架的风致极限承载力［2］。Duthinh等对一门式刚架结构在美国土木工程师协会(ASCE)不同版本规范的风荷载和数据库的风荷载作用下的安全性能作了分析和评估［3］。国内对这类轻钢结构的承载力研究多数集中于竖向荷载作用的情况。杨娜等采用变截面梁单元对门式刚架在屋面均布荷载作用下的整体稳定性作了分析［4］。在风荷载方面李勰等采用精细的板壳有限元方法对轻钢厂房中的一榀不利刚架在风荷载下的极限承载力进行了非线性分析［5］。目前开展的相关研究大多是针对单榀刚架进行的，而考虑刚架平面外作用的研究则非常少。白娜等考虑厂房各榀刚架之间的纵向作用，对一轻钢结构进行了三维的非线性分析，并与平面模型的结果作了比较，但是仅涉及风荷载为正向作用的情况［6］。

鉴于斜风作用对大跨轻钢结构往往表现得更为不利，文中以浙江沿海某单层轻钢门式刚架厂房为例，按照美国土木工程师协会ASCE 7－10规范取用最不利的斜向风荷载体型系数，并考虑不同刚架之间的面外作用效应，采用非线性有限元方法对结构进行了极限承载力的分析，获得了刚架在斜向风作用下的抗风安全系数和风致破坏形态，并与按我国门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(简称CECS规程)［8］取用的正向风荷载作用下的结果进行了比较［8］。

1 荷载分析

1.1 工程概况

文中考虑的轻钢门式刚架厂房位于浙江省沿海，其平面尺寸为64.8m×30.0m，由10榀变截面门式刚架组成，刚架柱距7.2m，跨度30m，如图1所示。该厂房为单跨双坡屋面房屋，屋脊高8.8m，檐口高7.8m，屋面坡度1∶15。刚架梁、柱采用Q345b钢材，截面为H型钢。刚架梁柱尺寸及屋面檩条、墙梁、支撑布置如图2所示。该厂房处于B类地貌，50年一遇的基本风压取为0.85kN/m2。

1.2 风荷载标准值

按我国轻钢规程(CECS)［8］规定的表达式计算:

表1 斜风作用下ASCE规范分区体型系数

建筑类型端区1E 2E 3E 4E 5E 6E封闭 －0.48 －1.07 －0.53 －0.48 0.81 －0.43式 －0.45 －0.69 －0.37 －0.45 0.40 －0.29

由于我国现行规范中尚未对低矮房屋在斜向风作用下的体型系数取值作出明确规定，因此文中按照美国ASCE 7－10规范给出的斜向风作用下的最不利分区体型系数进行取值，分区及系数值如图3和表1所示，其风荷载标准值仍按式(1)进行计算。

为了与正向风作用下的刚架抗风承载力进行对比，文中同时按CECS规程规定的正向风荷载进行了计算，其体型系数取值如表2所示［8］。由于CECS规程的体型系数是参考《低矮房屋体系手册》取值的，同样包含了阵风系数和内外压的组合，因此与ASCE规范的体型系数的计算方法和取值原则是一致的。文中按这两种规范取用斜向和正向的风荷载体型系数具有其一致性和相互可比性。

表2 正向风作用下CECS规程分区体型系数

建筑类型 区域 迎风墙面迎风屋面背风屋面背风墙面封闭中间区 +0.50 －1.40 －0.80 －0.70端区+0.25 －1.00 －0.65 －0.55

1.3 荷载组合

荷载效应组合的设计值S按如下式计算:

式中，γG、γQ分别为永久荷载和可变荷载的分项系数;SGk、SQk分别为永久荷载和可变荷载的效应值。

鉴于大跨轻钢结构的永久荷载较小，遇风组合时主要由风荷载起控制作用。对于低坡屋面的轻钢厂房，屋面风荷载表现为向上的提升力，因此向下的永久荷载对结构抗力是有利的，故取γG=1.0。屋面恒载约为250Pa，因此单位面积的荷载组合为:

式中，γQ是一个反映轻钢结构抗风承载力的参数，即在永久荷载确定的情况下，如果逐步增大该系数直至结构达到极限状态，则相应的风荷载就是结构的抗风承载力，而此时的γQ可称为结构的抗风安全系数，当该系数达到或超过规范规定的分项系数1.4时，说明结构是安全的。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

有限元建模和承载力分析均采用通用有限元软件ANSYS进行。为反映斜风作用下刚架的面外作用效应，建立了包括承重刚架和纵向系杆、檩条、支撑等在内的空间结构计算模型，其中刚架梁、柱杆件采用变截面梁单元，檩条、系杆等采用等截面杆单元。所用梁单元支持弹塑性、大变形和非线性屈曲等方面的分析，且具有较高的计算效率。刚架柱底设为铰接，即柱底允许在平面内(绕x轴)和平面外(绕z轴)转动;其余连接均为刚接。有限元模型如图4所示。

2.2 非线性分析

刚架结构非线性极限分析按以下步骤进行:将恒载施加到模型上，再将风荷载作用到结构上，并传导到每一榀承重刚架上;逐步增大风荷载系数γQ，进行各个荷载步的迭代计算;获得收敛解后更新结构模型，再进行下一步计算，直至结构不能继续承载为止。为获得精度更高的极限承载力，文中采用了荷载步长自动调整策略，即当计算进程不收敛时，自动将荷载步长减半，继续计算。如果连续几次减半后的计算仍不收敛，则认为结构因变形过大成为了机构，从而达到了极限状态。此时得到的荷载系数γQ即为结构抗风安全系数，相应的荷载量即为结构的抗风极限承载力。

3 结果分析

3.1 抗风安全系数

针对50年一遇风荷载设计标准，对刚架结构斜向风和正向风作用下的极限承载力进行非线性分析，得到结构达到极限状态时抗风安全系数如表3所示。

由表3可见，在斜向和正向两种风荷载工况下，刚架的抗风安全系数γQ均大于我国规范中规定的分项系数值1.4，说明该刚架的承载力满足设计要求。但是，斜向风作用下的抗风安全系数小于正向风作用时的相应值。这说明在斜向风作用下，这类轻钢门式刚架结构更易发生破坏，斜向风比正向风更为不利，设计时应予以关注。

表3 不同荷载工况下的抗风安全系数

荷载工况 斜向风荷载γQ1正向风荷载γQ21－γQ1/γQ2抗风安全系数1.518 1.560 2.7%

3.2 极限状态分析

通过对结构达到极限状态时的变形状况进行分析，结果显示，各榀刚架的最大位移大多出现在屋脊位置。表4给出了极限状态时各榀刚架屋脊处沿三个方向的位移及各处的总位移。

表4 斜向风荷载下刚架屋脊处位移 mm

注:Ux、Uy和Uz分别为刚架面外方向、面内竖向和水平向的位移，U为总位移。

刚架号12345678910斜风Ux－29.9 －32.5 －31.8 －30.9 －30.0 －29.4 －29.4 －28.3 －28.0 －30.3斜风Uy0.019 207.5 231.4 224.7 217.4 236.4 236.7 196.6 158.8 0.025斜风Uz10.5 13.7 46.1 55.6 57.5 57.8 57.8 41.4 11.2 8.9斜风U 31.7 210.5 238.1 233.5 226.9 245.1 245.4 202.9 161.6 31.6正风Ux－0.18 －1.62 －1.34 －0.81 －0.26 0.26 0.27 1.33 1.62 0.17正风Uy0.419 139.7 160.5 157.3 157.0 157.0 157.0 160.5 139.7 0.418正风Uz－43.7 －49.9 －119.5 －140.8 －145.5 －145.5 －145.5 －119.5 －49.8 －43.6正风U 43.7 148.4 200.1 211.1 214.1 214.1 214.1 200.1148.3 43.6

由表可见，斜向风作用下厂房承重刚架的平面外位移明显大于正向风作用的情况，而且三个方向矢量合成的总位移值也总体大于后者;而在正向风作用下，其平面外位移很小，但面内侧移和竖向挠度都比较大，两者基本处于同一量级。该位移结果表明，在斜向风作用下，刚架具有较大的面外位移，该位移可能使其更易发生面外的局部或整体失稳，从而更易丧失结构的承载能力。

厂房达到极限状态时的应力结果显示，承重结构最大应力出现第3榀刚架上。图5、图6分别给出斜向风和正向风作用时第3榀刚架的应力云图。由图可见，两种风向下的最大应力均未达到材料的屈服应力345MPa，说明刚架是因屈曲变形过大而丧失承载力的。进一步分析看到，斜向风作用时刚架的高应力区主要分布在三个区域:迎风梁柱节点区、背风梁柱节点区、迎风近屋脊梁段区域，其中最大应力为303MPa，发生在背风梁柱节点区域;而正向风作用时刚架的高应力区主要分布在迎风梁柱节点区域附近，其最大应力达到327MPa。由于刚架梁柱采用的是H型钢，根据钢结构设计规范关于腹板局部稳定性的规定，可求得这类钢构件腹板受压局部屈曲的临界应力约为256MPa，因而可判断上述高应力区的腹板已发生了局部屈曲［10］。

再从刚架最大应力数值上看，斜向风作用下，达到极限状态时其最大应力明显小于屈服应力，这是由于刚架较大的平面外位移促使局部屈曲现象呈现多区域化发展，从而导致其更易丧失承载能力;而正向风作用时的面外位移很小，其屈曲范围集中于梁柱节点单个区域附近，从而延迟了结构丧失承载能力的时间，故达到极限状态时的最大应力更接近于屈服应力。

4 结语

(1) 文中所研究的典型门式刚架轻钢结构，在斜向风作用下的承载力及抗风安全系数小于正向风作用的情况，表明这类结构在斜风作用下更易发生破坏，设计时应予以关注。

(2) 承重刚架在斜向风作用下的面外位移和总位移均大于正向风作用的情况，斜风作用下较大的面外位移使得刚架更易发生面外屈曲现象，从而更易丧失承载能力。

(3) 斜向风作用下，刚架的破坏模式表现为迎风和背风梁柱节点附近以及迎风近屋脊梁段区域的局部屈曲破坏，破坏时的最大应力明显小于屈服应力;正向风作用时刚架的破坏模式表现为迎风梁柱节点附近的屈曲破坏，其最大应力较接近于屈服应力。

(4) 较之正向风作用，斜向风作用下承重结构抗风承载力降低的主要原因是刚架的局部屈曲呈现多区域化发展，且屈曲破坏早于正向风作用时发生。

参考文献：

［1］王士奇，刘仲波.轻型门式刚架风灾破坏形式及其工程措施［J］.钢结构，2006，21(5):25－27.

［2］JANG S，LU L W，SADEK F，etal.Database－assisted wind load capacity estimates for low－rise steel frames［J］.Journal of Structure Engineering，2002，128(12):1594－1603.

［3］DUTHINH D，FRITZ W P.Safety evaluation of low－rise steel structure under wind loads by nonlinear database－assisted technique［J］.Journal of Structure Engineering，2007，133(4):587.

［4］杨娜.变截面门式刚架极限承载力分析［J］.中国安全科学学报，2005，15(8):93－97.

［5］李勰，陈水福.门式刚架轻钢结构抗风安全性分析［J］.浙江大学学报(工学版)，2013，12:2141－2145+2159.

［6］白娜，陈水福.门式刚架轻钢结构抗风性能研究［J］.钢结构，2015，07:12－14+69.

［7］American Society of Civil Engineers.ASCE/SEI 7－10，minimum design loads for buildings and other structures［S］.2010.

［8］CECS102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.

［9］GB 50009－2012，建筑结构荷载规范［S］.

［10］GB 50017－2003，钢结构设计规范［S］.

WIND-RESISTANT SAFETY ANALYSIS OF LARGE-SPAN LIGHT-WEIGHT STEEL STRUCTURES UNDER OBLIQUE WIND

SHEN Yu， CHEN Shuifu
(College of Civil Engi.and Architecture，Zhejiang Univ.，Hangzhou 310058，China)

Abstract：Nonlinear ultimate limit load-capacity analysis was performed to the frame of an actual light-weight industrial building located at the coastal area of China using the finite element method.The oblique wind load was determined utilizing the most unfavorable shape factors proposed by the ASCE 7-10.The corresponding wind-resistant safety factor and its failure mode were thus found and also compared with the results of the same frame under normal wind loads specified by Chinese technical specification for light-weight steel buildings.The obtained results indicated that the load capacity and wind resistant safety factor of these kind of structures under oblique wind were lower than those under the normal wind.The main reason for decrement of load capacity under oblique wind was that local buckling develops at multiple areas within the frame and furthermore occurs earlier than that under the normal wind.

Key words：light-weight steel structure;portal frame;oblique wind;wind-resistant safety

【中图分类号】TU392.5

【文献标识码】A

【文章编号】1001－6864(2017)02－0027－04

［收稿日期］2016－11－15

［作者简介］沈 域(1990－)，男，浙江海宁人，硕士研究生，从事结构风工程研究。

［基金项目］国家自然科学基金资助项目(50978230)

DOI：10.13905/j.cnki.dwjz.2017.02.008