对门式刚架轻钢结构风荷载计算的讨论

杨 靖 （济南军区建筑设计院，山东 济南 250002）

1 引言

门式刚架轻钢厂房具有造型美观，造价低、建设周期短、机械化程度高、安装施工简便等特点，在现代工业厂房、仓库、车间等各类建筑中得到广泛的应用。与普通钢结构单层房屋相比，由于门式刚架自重较轻，在考虑风荷载效应方面有独特之处。

2 风荷载

门式刚架轻型结构房屋的风荷载，是以我国现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）﹙以下简称荷载规范﹚为基础确定的。计算这种房屋结构风荷载标准值时所需的风荷载体型系数，由于我国现有资料不完备，因此主要采用了美国金属房屋制造商协会MBMA《低层房屋体系手册》（1996）中有关小坡度房屋的规定。按此规与按荷载规范计算的风荷载有较大差异。例如,一个单层双坡封闭式对称门式刚架，按照荷载规范,左风条件下，中间区风荷载体型系数如图1所示；而按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）﹙以下简称门规﹚中间区风荷载体型系数如图2所示。

图1

图2

MBMA手册规定的风荷载体型系数必须与以50年一遇的最大英里风速（mph）为基础的速度风压（psf）配套使用。因此转换到与我国荷载规范规定的50年一遇的10min平均最大风速（m/s）为基础的基本风压（Kn/m2）配套使用时，必须乘以1.4的平均换算系数。同时，美国规范规定，在遇风组合时，结构构件设计的允许应力可提高1.33倍。考虑到这两个因素的影响，引用MBMA的体型系数后，我国的基本风压应乘以综合调整系数1.05（即1.4/1.33）。此外，由于MBMA手册中规定的风荷载体型系数已经包含了阵风效应，且是内、外压力的峰值组合，因此在门规中不再考虑阵风系数。

3 两个标准的对比与分析

《全国民用建筑工程设计技术措施》（结构）第18.1.6条规定：跨高比l/h小于等于4的门式刚架应按荷载规范计算风荷载标准值Wk及风荷载体型系数us,不考虑风振系数βj，但当跨高比l/h大于4的门式刚架结构的风荷载标准值Wk，宜按门规取用。

但笔者通过计算发现，即便按照跨高比作为使用以上两个“标准”的界限，也未必能满足各个截面的安全性要求。

笔者以8m高刚架为例，按照封闭式、半封闭式两种建筑类型，计算了跨高比1.0，1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0，5.5,6.0等11种不同情况下左风荷载下的柱脚内力。计算中，屋面坡度取10%,地面粗糙度类别取B类，50年重现期的基本风压取0.5 kn/m2，计算软件采用中国建筑科学研究院研发的PKPM软件，STS模块。

3.1 封闭式门式刚架

对于封闭式门式刚架，笔者按柱底刚接、柱底铰接两种情况分别进行了计算，内容如下。

3.1.1 计算中各符号含义

①刚接柱脚弯矩MA,水平力V,竖向力N

②铰接柱脚水平力V,竖向力N

③P代表按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》风荷载计算效应与按《建筑结构荷载规范》风荷载计算效应的比值

④m代表跨高比L/H

内力符号示意图

柱脚铰接V曲线

3.1.2 通过计算，结果曲线(m-p曲线)

柱脚刚接MA,曲线

柱脚刚接N曲线

柱脚刚接V曲线

柱脚铰接N曲线

3.1.3 结论

从图中各内力曲线可以看出，对于封闭式刚架结构的中间区，对于以下3种情况①柱脚刚接，跨高比小于3.5的柱脚弯矩MA；②柱脚刚接，跨高比小于3.8的水平剪力V；③柱脚铰接，跨高比小于4.2的水平剪力V。有p＜1.0,其余情况均有p＞1.0。而且无论柱脚刚接或铰接，柱脚竖向力N按荷载规范计算值均比按门规计算值偏小。

3.2 半封闭式门式刚架

对于半封闭式门式刚架，笔者按柱底刚接、柱底铰接两种情况分别进行了计算。计算符号同封闭式门式刚架，内容如下。

3.2.1 计算结果曲线

柱脚刚接MA,曲线

柱脚刚接N曲线

柱脚刚接V曲线

柱脚铰接N曲线

柱脚铰接V曲线

从图中各内力曲线可以看出，半封闭式刚架结构的中间区，对于以下3种情况①柱脚刚接，跨高比小于3.0的柱脚弯矩MA；②柱脚刚接，跨高比小于3.0的水平剪力V；③柱脚铰接，跨高比小于4.0的水平剪力V。有p＜1.0,其余情况均有p＞1.0。而且无论封闭式或半封闭式，柱脚竖向力N按荷载规范计算值均比按门规计算值偏小，特别是柱脚刚接时更为明显,某些跨高比范围内偏小50%。

3 结论

由于门式刚架轻钢结构房屋自重相对较小，如无吊车，风荷载起关键作用。而风荷载效应计算值差别会明显影响结构安全性。一般情况下，采用门规进行风荷载计算产生的内力较大，但对于体型高，跨度小的房屋按荷载规范进行风荷载计算产生的内力较大。因此对于门式刚架轻钢结构的风荷载计算应根据具体情况选用计算标准，并应采取相应构造措施，如设置柱底抗剪键等，避免造成安全隐患。