风荷载脉动对门刚梁、柱应力比影响的案例分析.pdf

Engineering Construction2023年6 月12建设程第6 期第55卷风荷载脉动对门刚梁、柱应力比影响的案例分析张正鹏，王成生，田砾3（1.上海同丰工程咨询有限公司，上海2 0 0 444;2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津30 0 0 0 0；3.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛2 6 6 52 5）摘要：对门式刚架结构而言，其以往设计通常不考虑风荷载脉动影响，且较多屋面的活载按以往规范门式刚架轻型房屋钢结构技术规范取0.3kN/m。本文考虑风荷载脉动的增大效应，并计入屋面活载提高的影响，以某既有门刚结构为例，采用PKPM软件计算风振系数，对8 种工况下门刚梁、柱的应力比进行对比分析。结果表明：实际求得的风振系数值明显大于现行规范工程结构通用规范规定的风荷载放大系数最小值1.2，但与屋面活载提高相比，风荷载脉动的增大效应对门刚梁、柱应力比的影响较小；当屋面恒、活载较大时，可适当忽略风荷载脉动对门刚梁、柱应力比的影响。关键词：风荷载脉动；风荷载放大系数；门刚结构中图分类号：TU392.5文献标识码：A文章编号：16 7 3-8 993(2 0 2 3)0 6-0 0 12-0 6doi:10.13402/j.gcjs.2023.06.070A case study on the influence of wind load pulsation onthe stress ratio of beam-column of gabled frameZHANG Zhengpeng,WANG Chengsheng,TIAN Li?(1.Shanghai Tongfeng Engineering Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200444,China;2.Tianjin PortEngineering Design&Consulting Company Ltd.of CCCC,Tianjin 300000,China;3.Schoolof Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266525,Shandong,China)Abstract:For portal rigid frame structures,the wind load pulsation is usually not considered in the previous design,andthe live load of many roofs is O.3 kN/m according to the previous code“Techinical Code for Standard Steel Light weightBuilding with Gabled Frames.The increase effect of wind load pulsation and improvement of roof live load are consideredthis time,taking an existing portal frame as an example,the wind vibration coefficient is calculated by using PKPMsoftware,and the beam-column stress ratio under 8 working conditions is compared and analyzed.The actual value of windvibration coefficient is significantly greater than the minimum value of wind load amplification coefficient specified in thecurrent code“General Code for Engineering Structureby 1.2.Compared with the increase of roof live load,the increaseeffect of wind load pulsation has less influence on the stress ratio of beam-column.When the dead load and live load of theroof are large,the influence of wind load fluctuation on the stress ratio of beam-column of portal frame can be appropriatelyignored.Key words:wind load pulsation;wind load magnification factor;portal rigid frame structure门式刚架结构由于重量轻、用材少 1-2，具有良好的经济性，在我国厂房、仓库类等建筑中得到了广泛应用 3-4，属于既有建筑中较常见的结构类型。对门式刚架结构而言，以往设计通常不考收稿日期：收稿日期：2 0 2 2-12-13基金项目：国家自然科学基金面上项目（52 2 7 8 2 6 3）；海洋环境混凝土技术教育部工程研究中心开放课题（TMduracon2022006）作者简介：张正鹏（1991一），男，工程师，从事既有建筑检测鉴定方面的研究。132023年第6 期张正鹏，等：风荷载脉动对门刚梁、柱应力比影响的案例分析虑风荷载脉动影响，且根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（CB510222015）5】，“对承受荷载水平投影面积大于6 0 m的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m”，故实际工程中，不少既有门式刚架结构的屋面活载按0.3kN/m考虑设计 6，取值偏小。门式刚架属于对风荷载较敏感的轻型结构 7-8,且其设计往往由风荷载组合工况控制，故考虑风荷载脉动的增大效应影响对结构安全较为重要。现行规范工程结构通用规范（CB550012021）【10)4.6.1条、4.6.5条也要求考虑风荷载脉动的增大效应，4.2.8 条另规定了不上人屋面的活载不应小于0.5kN/m，较以往有所提高。本文根据实际工程做法并参考规范相关取值，以某既有门式刚架厂房为例，通过对比分析，明确风荷载脉动的增大效应和屋面活载的提高分别会对门刚梁、柱的应力比产生多大程度的影响，以及实际工程计算时如何简化考虑风荷载脉动的影响。计算分析结果可为门式刚架结构的鉴定及新建计算分析提供一定参考。1工程概况上海市某既有单层门式刚架结构厂房建于2 0 12年左右，其东西向长度约为2 2 4m，南北向宽度约为151.2 m，总建筑面积约为338 6 9m。采用双坡不上人屋面，坡度为0.0 3，檐口高度为8.9m，屋脊高度为11.16 8 m。房屋东西向共设2 9榻刚架，间距均为8 m；南北向6 跨，跨度为2 5.2 m。刚架柱、梁均采用H型钢（Q345），钢柱截面尺寸主要为H（350 m m 8 0 0 m m）2 8 0 m m 6 mm 14 mm、H(350 m m 8 0 0 m m)2 6 0 m m 6mm14mm等，钢梁采用三段式螺栓连接，截面尺寸主要为H（550 m m 8 50 m m 550 m m）250 mm6 mm12 mm、H(550 m m 7 0 0 m m 550 mm)200 mm 6 mm12 mm、H550 mm 200mm6mm10mm等。条及隅撑间距均为1.5m。各刚架柱脚均采用螺栓连接，为铰接。房屋屋面及四周墙面均采用条及压型钢板围护。房屋屋面结构平面如图1所示，典型屋架立面如图2 所示。现场检测结果表明：房屋结构体系完整、抗震构造措施完善，未见明显结构损伤和缺陷；实测钢结构构件材料强度满足原设计要求；房屋现状倾斜及沉降均较小，未超过相关规范限值。2荷载布置方案及工况选择采用风荷载放大系数的方法考虑风荷载脉动的增大效应，风振系数采用中国建筑科学院编制的PKPM系列计算机辅助设计软件求得。主要步骤：1）在PKPM门式刚架三维设计模块建模；2）在钢框架三维设计模块打开模型文件，输人实际参数进行计算，计算完毕后读取周期数据；3）将周期数据进行回代，重新在钢框架三维设计模块进行计算；4）在工作目录的fort.112文件中读取风振系数，本工程最终求得的风振系数值为1.8 1；5）在PKPM门式刚架三维设计模块中，代入实际求得的风振系数，并对结构进行计算分析。常见门式刚架结构的屋面坡度一般较小，GB510222015第5.2.3条推荐坡度为1/8 1/2 0（约37），实际工程中的屋面坡度较接近此范围。轻钢屋面的恒载值通常较小，根据以往工程经验，该类项目的屋面恒载多集中在0.2 0.5kN/m的区间内。若屋面做法较为简易，仅包含压型钢板及保温棉等，此时恒载偏小，实际计算值约在0.20.3kN/m；若屋面除压型钢板及保温棉外，还包含吊挂荷载或排烟天窗等设施荷载，此时恒载偏大，实际计算值约在0.4 0.5kN/m。本案例考虑屋面恒载较重及较轻两种情形：1)考虑屋面包含压型钢板、玻璃棉毡保温层、条及排烟天窗设施等荷载，此时恒载为0.45kN/m，设置工况1 4；2）考虑屋面仅包含压型钢板、玻璃棉毡保温层、条等荷载，此时恒载为0.2 5kN/m，设置工况5 8。以上8 个工况中，基本风压取0.55kN/m，地面粗糙度为B类，结构整体按丙类建筑考虑，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10 g，设计地震分组为第二组，特征周期取0.90 s。在屋面恒载取值确定的情况下，除改变风振系数和屋面活载外，各工况其余参数和荷载等取值均相同。各工况风振系数和屋面恒、活载取值如表1所示。14建设程第55卷第6 期1024?181920222229224.000800080008000800080008000800080008000800080008000800080008000800081800080008000800080008000800080008:000/8000/80008000系托，杂同F水平支撑，余同?00000元DTST007000?8000/800080008000/800080008000/8000/800080008000800080008000/80008000800080008000/8000/80008000180008000800080008000800022400024681416723242028图1房屋屋面结构平面示意mm5.8005.80013.60058005800136005.800580013600100250隅撑，余同3100471500-70500H(550-700-550)200 x6x1241060-4240H(550-700-550)x200612。H(550-850-550X250 x6x8.900L10H550200610 L11L121x9X0Lzx(008-0C)H。L6H5502006x10L7L8L9H(80g550)200 x612L2H550200 x610L3L44L51006Z172Z3Z4二80.000252002520025.200BD图2典型屋架立面（GJ1）示意mm表1各各工况风振系数和屋面恒、活载取值工况编号风振系数(,)屋面活载(LL)/(kNm-2)屋面恒载（DL)/(kNm-2工况11.000.3工况21.810.45工况31.000.5工况41.81工况51.000.3工况61.810.25工况71.000.5工况81.812023年第6 期张正鹏，等：风荷载脉动对门刚梁、柱应力比影响的案例分析3典型门刚梁、柱应力比对比分析在工况1 4情况下（屋面恒载0.45kN/m），将AD 轴典型刚架梁、刚架柱（梁、柱对应编号详见图2）的应力比及总体趋势（图38）进行对比如下。1.231.00.80.60.40.20LIL2L3L4L5L6L7L8L9梁构件编号1工况1；2 工况2；3工况3；4工况4。图3工况1 4典型刚架梁抗弯应力比1.21.00.80.60.40.20L1L2L3L4L5L6L7L8L9梁构件编号1工况1；2 工况2；3工况3；4工况4。图4工况1 4典型刚架梁平面内稳定应力比1.4121.00.80.60.40.20L1L2L3 L4L5L6L7L8 L9梁构件编号1工况1；2 工况2；3工况3；4工况4。图5工况1 4典型刚架梁平面外稳定应力比1.00.84泉0.6230.40.20Z1Z2Z3Z4柱构件编号1工况1；2 工况2；3工况3；4工况4。图6工况1 4典型刚架柱抗弯应力比1.00.80.60.40.20Z1Z2Z3Z4柱构件编号1工况1；2 工况2；3工况3；4工况4。图7工况1 4典型刚架柱平面内稳定应力比1.41.21.00.830.20Z1Z2Z3Z4柱构件编号1工况1；2 工况2；3工况3；4工况4。图8工况1 4典型刚架柱平面外稳定应力比由上图可知：（1）梁的抗弯、面内稳定未受风振影响，面外稳定受风振影响较轻微。因活载提高而引起的梁抗弯应力比增幅在2 3.9%2 9.7%，面内稳定应力比增幅在2 3.5%2 7.7%。当活载取0.3kN/m时，受风振影响，檐口、屋脊附近的梁平面外稳定应力比无明显变化，中间段存在小幅波动，增幅在-7.14%3.13%；当活载取0.5kN/m时，梁平面外稳定应力比未受风振影响。受活载提高影响，梁面外稳定应力比增幅在19.1%40.6%(,=1.00)和 2 7.8%36.4%(,=1.81)。（2）柱的面内、面外稳定未受风振影响，抗弯受风振影响较轻微。因活载提高而引起的柱面内稳定应力比增幅在7.7%2 5.0%，面外稳定应力比增幅在10.9%33.7%，最大应力比增幅均出现在边柱。除屋脊处柱外，各柱抗弯应力比未受风振影响。当活载取0.3kN/m时，受风振影响，屋脊处柱抗弯应力比增幅为37.5%；当活载取0.5kN/m时，受风振影响，屋脊处柱抗弯应力比增幅为2 2.2%。受活载提高影响，柱抗弯稳定应力比增幅在7.1%2 5.6%（,=1.00）和0 25.6%(,=1.81)。在工况58 情况下（屋面恒载0.2 5kN/m），将AD 轴典型刚架梁、刚架柱（梁、柱对应编号详见图2)的应力比及总体趋势（图9 14)进行对比如下。16建程第6 期第55卷设1.21.00.80.60.40.20L1L2L3L4L5L6L7L8L9梁构件编号1工况5；2 工况6；3工况7；4工况8。图9工况5 8 典型刚架梁抗弯应力比1.21.00.80.60.40.20L1L2L3L4L5L6L7L8L9梁构件编号1工况5；2 工况6；3工况7；4工况8。图10工况5 8 典型刚架梁平面内稳定应力比1.40.80.60.40.20LIL2L3L4L5L6L7L8 L9梁构件编号1工况5；2 工况6；3工况7；4工况8。图11工况5 8 典型刚架梁平面外稳定应力比1.00.80.620.40.20Z1Z2Z3Z4柱构件编号1工况5；2 工况6；3工况7；4工况8。图12工况5 8 典型刚架柱抗弯应力比1.00.80.6320.40.20Z1Z2Z3Z4柱构件编号1工况5；2 工况6；3工况7；4工况8。图13工况5 8 典型刚架柱平面内稳定应力比1.21.00.83420.60.40.20Z1Z2Z3Z4柱构件编号1工况5；2 工况6；3工况7；4工况8。图14工况5 8 典型刚架柱平面外稳定应力比由图9 14可知：（1）当活载取0.3kN/m时，梁的抗弯、面内及面外稳定受风振影响较大，抗弯应力比增幅在14.8%40.0%，面内稳定应力比增幅在18.0%48.7%，面外稳定应力比增幅在-8.3%55.4%。当活载取0.5kN/m时，梁的抗弯（应力比增幅02.5%）、面内（应力比增幅0 7.6%）及面外稳定（应力比增幅17.8%6.45%）受风振影响总体较轻微。（2）柱的面外稳定未受风振影响。柱的面内稳定受风振影响轻微：当活荷载取0.3kN/m时，柱面内稳定未受风振影响；当活荷载取0.5kN/m时，屋脊处柱面内稳定应力比增幅为5.6%，其余柱未受影响。当活载取0.3kN/m时，受风振影响，边柱和屋脊处柱的抗弯应力比增幅分别为23.4%和57.1%，其余柱未受影响；当活载取0.5kN/m时，受风振影响，屋脊处柱的抗弯应力比增幅为37.5%，其余柱未受影响。4结论本文以某既有单层门式刚架结构厂房为例，考虑风荷载脉动的增大效应，并计人屋面活载提高的影响，对该厂房典型刚架梁、刚架柱的应力比及总体趋势进行了对比分析，得到结论如下。（1）实际求得的门刚厂房风振系数值为1.81，明显大于GB550012021第4.6.5条规定的风荷载放大系数最小值1.2。对门刚梁、柱的应力比进行计算分析时，若直接取用规范的风荷载放大系数最小值，可能会导致结构计算偏于不安全。（2）虽然门刚结构的风振系数值一般较大，但与屋面活载提高相比，风荷载脉动的增大效应172023年第6 期张正鹏，等：风荷载脉动对门刚梁、柱应力比影响的案例分析对构件应力比的影响较小，且屋面恒、活载越大，风荷载脉动的增大效应对门刚梁、柱应力比的影响越小。主要原因是门刚结构屋面坡度一般较小，根据CGB510222015第5.2.3条，当屋面坡度角小于2 0 时，屋面风内压均为吸力，故即使考虑风荷载脉动的增大效应，门刚梁、柱的应力比一般仍由“恒+活”荷载工况控制。（3）目前常用的计算软件对门刚结构风振系数的求解较繁琐，导致计算分析工作量偏大。实际工程中，当屋面恒、活载较大（屋面有较重的附加吊挂设施、活载取不小于0.5kN/m等)时，可适当忽略风荷载脉动对门刚梁、柱应力比的影响。参考文献：1林贤根门式刚架优化与传统设计的相关特性比较及几个合理设计参数J工业建筑，2 0 13,43（7）：135 138.2罗玲,黄飞轻型门式刚架结构的设计 J钢结构，2012,27(7):4042.3刘挺，王术春，孙娜，等新冠肺炎疫情背景下应急性建筑的结构设计实践与思考 J建筑结构，2 0 2 1，51(3):27-31.4刘礼正，刘磊，子轩，等。门式刚架二次包浇混凝土钢柱脚节点性能的有限元分析J钢结构（中英文),2 0 2 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