敞开式屋盖结构的风荷载计算和优化考虑

【摘 要】本文主要介绍工业厂房中常见的敞开式屋盖结构的风荷载的计算和相关的结构优化设计的考虑 

　　【关键词】屋盖；风荷载；风振系数；结构优化 

　　1 概述 

　　风灾是自然灾害的主要灾种之一，近年来随着全球气候变暖的加剧，风灾更加频繁和严重，这对于我们的工程建设也提出了更高更广泛的要求，要求我们的工程师在未来的工程设计中更加重视和认真考虑风的影响，在工程实施过程中作出更加可靠和合理的应对，减轻和避免风灾造成的危害。 

　　在现代工业厂区中大量存在敞开式的大型屋盖结构，例如罐区顶盖、露天仓库、装卸站台等等。以上这些屋盖结构一般都是以轻钢结构为主，结构自重很轻，一般屋面恒荷载为0.2～0.3kN/m2，活荷载为0.3～0.5kN/m2，设计荷载较小，而对于众多风荷载较大的地区，由于结构 自身刚度较小，一般结构自振周期都大于0.25S，因而在风荷载作用下的振动作用明显，而且随着结构自振周期的增长，风振也随着增强，这就使得此类结构的风荷载由于风振的影响而比一般结构增加许多，因而使得很多此类结构的设计中风荷载成为设计荷载的主导，风荷载的大小决定了荷载的量级，左右了最终设计结果。因此在设计中对于风荷载的准确计算变的非常重要，由于恒活荷载是相对固定的，因此根据风荷载的分布调整结构方案，使最终设计成果得到优化也成为可能。 

　　2 开敞式屋盖结构的风荷载的计算 

　　本文以某工程为例，18米跨度的对称双坡屋盖结构，檐底标高9米，屋面坡度0.1，柱距6米，本文以某屋面恒荷载0.2kN/m2，屋面活荷载0.5kN/m2，基本风压0.6kN/m2，地面粗糙度类别A类，风压高度变化系数1.38。 

　　风振系数的计算，初步计算采用STS软件，假定风振系数为1，其他系数按默认值计算，得到初步的梁柱尺寸和相应的基本自振周期，梁柱取HN400×150，第一振型周期为1.043秒，根据荷载规范7.4.2近似计算风振系数 

　　ω0T? = 1.38×0.6×1.043? = 0.9 

　　ξ = 2.495 

　　υ = 0.78 

　　φz = 1.0 

　　βz = 1+2.495×0.78×1.0/1.38 = 2.41 

　　可见屋盖结构的风荷载比普通结构的风荷载由于风振的影响增加了1.41倍，影响可观。 

　　前后屋面的体型系数分别为-1.3和-0.7 

　　前后屋面的风荷载值为 

　　前屋面W1=1.38×2.41×1.3×0.6×1.05=2.67 kN/m2 

　　后屋面W2=1.38×2.41×0.7×0.6×1.05=1.43 kN/m2 

　　风荷载值远大于屋面的恒荷载与活荷载，结构设计的控制组合为恒+风的组合，荷载方向向上，刚架梁下翼缘受压，刚架梁的整体稳定问题也要着重考虑。 

　　3 开敞式屋盖结构考虑风荷载的优化 

　　众所周知，众多科技领域中凡是与大气气流作用相关的科技无不与相关成品的外形有关，从庞大的航天器到纤细的导弹，从风驰电掣的F1赛车到奥林匹克运动会上的高科技运动衣，外形改变了气流，也从根本上决定了气流作用的特性。也因此改变外形也就成了改变气流作用的关键，F1赛车的外形的每一次改动无不与此相关。我们的工程领域同样如此，无数科技都被应用到建筑外形的研究，以适应日益暴躁的地球气候。在我国越来越多的大学开始建设自己的建筑风洞用来研究风荷载对建筑的作用和影响。当然，这里的只言片语只是为在我们行业了解和应用尚不广泛和深入的风工程科技的进一步应用起一个抛砖引玉的作用，风工程的领域宽广，尤其在建筑工程中的应用的研究还不是非常深入，尤其与航空领域相比，相信今后这方面会越来与深入和广泛。 

　　此处仍以上述工程为例，由上面的计算可知，轻型屋盖结构由于其自身固有的结构特质的原因，自重轻，自身刚度小，结构基本自振周期长，在风荷载作用下的振动影响显著，所以有必要在以其固有特点为前提下进行结构调整，降低风荷载的作用影响，从而减小风灾危害，降低建设成本。 

　　由于轻型屋盖自身刚度和周期特性为固有特性，因此只能从其他角度着手，从风荷载的计算公式中我们可以看出，屋盖的风荷载体型系数是唯一能够方便进行调整的因素，而屋盖的风荷载体型系数是由屋盖的坡度决定的，通过调整屋盖的坡度来降低风荷载作用是唯一的明显的道路，同时也是一条有效的道路，下面我们就此展开详细论述。 

　　从荷载规范表7.2.1的第27项B项可知，四面开敞的双坡屋面的风荷载体型系数随着屋面坡度的变化有一个从负到正的方向的变化，对屋面坡度进行调整以适应荷载组合的变化以尽量降低风荷载的影响。由于其他荷载方向均为向下，而且都是固有荷载，按荷载组合来看，应当把风荷载作用方向调整为向上，并且把风荷载的作用值控制在与其他荷载进行组合时的荷载效应不超过其他无风荷载的荷载组合的效应。下面就以前述的工程为例，调整屋面坡度以满足上述设计要求。 

　　已知：屋面恒荷载DL=0.2kN/m2，屋面活荷载LL=0.5kN/m2，前屋面风荷载值W1=2.67kN/m2，后屋面风荷载值W2=1.43kN/m2，此时的屋面坡度α≤10°，根据荷载效应基本组合公式，在恒荷载、活荷载、风荷载作用下的荷载组合如下： 

　　（1）1.35恒+1.4×0.7活 

　　1.2恒+1.4活 

　　1.0恒+1.4活 

　　（2）1.2恒+1.4风 

　　1.0恒+1.4风 

　　（3）1.2恒+1.4活+0.6×1.4风 

　　1.0恒+1.4活+0.6×1.4风 

　　（4）1.2恒+1.4风+0.7×1.4活 

　　1.0恒+1.4风+0.7×1.4活 

　　由以上荷载组合可知，方向向下的最大荷载组合为1.2恒+1.4活方向可能向上的就是1.0恒+1.4风，以本工程为例，要使1.2恒+1.4活=1.0恒+1.4风，1.2×0.2+1.4×0.5=-0.2 +1.4W，W=0.67kN/m2由上可知，要使风荷载影响降低，应使Wmax ≤0.67kN/m2 

　　以风荷载最大的屋面为例计算， 

　　-0.67=1.38×2.41×μs ×0.6×1.05 μs = -0.32 

　　按荷载规范表7.3.1的27款的公式计算 

　　（30°-10°）/（1.6+1.3） = （α-10°）/（1.3-0.32） 

　　α= 17° 

　　由上可知，要使风荷载的影响降至最小，可将屋面坡度调整为17°左右。 

　　以上计算非常简略，因为由于实际工程中，风荷载的作用的度量非常复杂，要使实际工程结构能够基于风荷载的考虑进行设计的优化，需要通过软件进行反复的试算和调整才能得到更加合理的结构方案，本文仅在于为当前设计者提供一个新的设计思路，为将来在实际工程中的结构优化提供有益的帮助，考虑风荷载作用的结构优化设计更有待将来的工程设计进行检验和论证 

　　参考文献： 

　　[1]沈祖炎 等，《钢结构基本原理》，北京：中国建筑工业出版社 

　　[2]《钢结构设计规范》 

　　[3]《建筑结构荷载规范》