钢结构热点探析 :门式刚架结构风荷载放大系数需要连乘吗?

3.1 《通用规范》中“主要受力结构风荷载放大系数”就是《荷载规范》中的“风振系数” 

风荷载是随时间变化的。说得直白一点,就是风像浪一样,是一阵一阵的;说得专业一点,就是如脉搏跳动,是节律性的,有波峰和波谷,这种特点就是风压的脉动。对于某些主体结构(高度 >30 m 且高宽比 > 1.5 的房屋、基本自振周期 > 0.25s 的各种高耸结构)来说,除了考虑波峰和波谷的静压作用之外,还需要考虑风压的节律性作用所引起的结构振动,即风振响应。按《荷载规范》要求,风振响应要用结构动力学方法计算;对于仅需考虑第一振型影响的结构,可以用放大系数的办法进行简化计算,这个放大系数就是风振系数。可见: 

1) 并不是所有结构均需考虑风压脉动,如对于门刚结构,除非高度 > 30 m 且跨度 < 20 m (这种门刚太少见),其他门刚结构不需要考虑风压的脉动,也就没有风振系数一说了。

2) 《通用规范》4.6.5 条的表述为: “当采用风荷载放大系数的方法考虑风荷载脉动的增大效应时,主要受力结构的风荷载放大系数……不应小于1.2”。也就是说,乘以风荷载放大系数的目的是为了考虑风压的脉动,与《荷载规范》中的风振系数同义。《荷载规范》只说了风振系数用公式(8.4.3) 计算,没有规定下限。现在《通用规范》明确了:且不应小于 1.2。

3.2 《通用规范》中“围护结构的风荷载放大系数”就是《荷载规范》中的“阵风系数” 

阵风系数和风振系数都是对风压脉动的考虑。因为围护结构的刚度比较大,结构效应中的振动分量可以忽略不计,所以阵风系数主要考虑的是瞬时峰值风压和集中分布,局部量值可能很大,但依然是静力属性。由《荷载规范》表 8.6.1 可以看出,阵风系数只与离地高度和地面粗糙度有关,与结构自身的动力特性(如周期、振型、阻尼等)无关;而且,离地越高,阵风系数越小,说明阵风系数不是对结构振动的考虑。《通用规范》4.6.5 条规定了该系数的最小值:

由于围护结构的负荷面积小,阵风的集中分布对围护结构的影响很敏感,所以阵风系数比较大。

《通用规范》将“主体结构的风振系数”和“围护结构的阵风系数”合称为“风荷载放大系数”。由此揣测:风振系数和阵风系数这两个术语可能即将“退伍”。

下表是《通用规范》中“围护结构风荷载放大系数”的最小值 与《荷载规范》中“阵风系数”的对比。

表 1 《通用规范》和《荷载规范》的阵风系数对比

可以发现: 

1) 对于 B 类地面粗糙度,《通用规范》的放大系数最小值与《荷载规范的》阵风系数一模一样。

2) 对于 A 类地面粗糙度,放大系数最小值与阵风系数非常接近。

3) 对于 C 类和 D 类地面粗糙度,《荷载规范》的阵风系数大于《通用规范》的最小值。这也说明,《通用规范》并不是修改《荷载规范》,而是为《荷载规范》设定下限。 

4) 离地越高,阵风系数越小,而且越接近最小值, 符合离地越高风压越均匀、脉动越小的规律。 

3.3 风敏感是通过调整基本风压的重现期来考虑的

《荷载规范》8.1.2 条文解释说得很明白:对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构,以及自重较轻的钢木主体结构(如门刚),这类结构风荷载很重要,计算风荷载的各种因素和方法还不十分确定,因此基本风压应适当提高。如何提高基本风压值,仍可由各结构设计规范,根据结构的自身特点作出规定,没有规定的可以考虑适当提高其重现期来确定基本风压。对于此类结构物中的围护结构,其重要性与主体结构相比要低些,可仍取 50 年重现期的基本风压。对于其他设计情况,其重现期也可由有关的设计规范另行规定,或由设计人员自行选用,附录E给出了不同重现期风压的换算公式(实际上附录E给出的是不同重现期的风压值表, 不是换算公式) 。

对于风敏感,《高规》和《高钢规》均有体现: 

1) 《高规》 4.2.2 中规定:基本风压应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 的规定采用。对风荷载比较敏感的高层建筑, 承载力设计时应按基本风压的 1.1 倍采用。

2) 《高钢规》 5.2.4 中规定:基本风压应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 的规定采用。对风荷载比较敏感的高层民用建筑,承载力设计时应按基本风压的 1.1 倍采用。

高层钢结构和高层钢筋混凝土结构,均以高度大于 60 m 为考虑风敏感的判断标准。

3.4 关于连乘

风荷载的计算式共两个: 

1) 体结构: w _k  = β _z u _s μ _z w ₀ ; 

连乘的系数为: 风振系数 × 高度变化系数 ×体型系数 × 风敏感系数 

2) 护结构: w _k = β _gz u _{s 1} μ _z w ₀ ;

连乘的系数为: 阵风系数 × 高度变化系数 ×局部体型系数

由《荷载规范》的条文解释可知: 

1) 风振系数和风敏感系数,只有对需要考虑风压脉动的结构才存在连乘的问题; 

2) 阵风系数和风敏感系数不存在连乘的问题。

3.5 关于门刚

1) 《门刚规范》的适用范围为 “高度不大于18 m” ,所以《门刚规范》适用范围内的门刚,均无需考虑风压脉动的影响,也就与《通用规范》的“风荷载放大系数 1.2”无关,也就不存在连乘的问题了。

2) 《门刚规范》中主体结构的风荷载系数 1.1 是风敏感系数,等于基本风压按重现期为 100 年取值。

3) 《门刚规范》中围护结构的风荷载系数,也就是《荷载规范》中的阵风系数,统一取为 1.5,小于《荷载规范》和《通用规范》。但是,门刚结构具有明显的自身特点,体型系数、侧移限值、围护构件挠度限值等都自成一派,且屋面和墙面负风压都比《荷载规范》 大得多。所以说,要不要将门刚的 1.5 再加大, 我们无法揣测, 静等《门刚规范》修订时明确。

表 2 《门刚规范》和《荷载规范》体系系数对比