伊 寧

大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

時(shí)域法分析豎向風(fēng)振對(duì)門(mén)式剛架輕鋼廠房的影響

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近年來(lái)，隨著門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的廣泛應(yīng)用，其安全性也倍受關(guān)注。門(mén)式剛架因其自重輕，自振周期長(zhǎng)，所以具有較好的抗震能力，但是門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房抗風(fēng)性能較差，由于風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致此類(lèi)結(jié)構(gòu)的破壞屢見(jiàn)不鮮。在設(shè)計(jì)門(mén)式剛架時(shí)，是否應(yīng)該考慮豎向風(fēng)振對(duì)輕鋼廠房的影響以及其對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響程度到底有多大存在著不同的看法和意見(jiàn)。本文針對(duì)某一工程實(shí)例，采用有限元軟件建立變截面門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，利用AR模型法模擬脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程譜，施加在檁條與屋架的交接處的節(jié)點(diǎn)上，并對(duì)其進(jìn)行豎向風(fēng)振數(shù)值模擬分析，計(jì)算結(jié)果與按基本風(fēng)壓作用下的內(nèi)力和變形進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：豎向風(fēng)振對(duì)門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響較大，且計(jì)算結(jié)果與頻域分析法具有較好吻合度，建議在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

門(mén)式剛架；時(shí)域分析；AR模型法；豎向風(fēng)振；風(fēng)振系數(shù)

1.引言

風(fēng)荷載是柔性結(jié)構(gòu)的重要設(shè)計(jì)荷載，它可造成工程結(jié)構(gòu)損傷和破壞，可給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受2011年第9號(hào)熱帶氣旋“梅花”影響，8月4日以來(lái)，遼寧、上海、江蘇、浙江、山東部分地區(qū)遭受大風(fēng)和強(qiáng)降雨襲擊，導(dǎo)致5?。ㄖ陛犑校?9市183個(gè)縣（區(qū)、市）360余萬(wàn)人不同程度受災(zāi)，截至8月8日16時(shí)，364.98萬(wàn)人受災(zāi)，135.3萬(wàn)人緊急轉(zhuǎn)移安置，房屋倒塌600余間，損壞4800余間，直接經(jīng)濟(jì)損失31.28億元。因而風(fēng)災(zāi)是給人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失的自然災(zāi)害。

門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房因其用鋼量省、施工方便快捷、結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好，近些年被廣泛應(yīng)用。但其安全性和可靠性也備受關(guān)注。門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房跨度越來(lái)越大，高度越來(lái)越高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的柔性很大，自振周期較長(zhǎng)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)于風(fēng)荷載這種卓越周期較長(zhǎng)的荷載就十分敏感。而我國(guó)現(xiàn)行的《GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定：對(duì)于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期大于0.25的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，對(duì)于門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房而言，只考慮平均風(fēng)作用。由于近些年風(fēng)災(zāi)較為頻繁，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房破壞十分嚴(yán)重，本文采用時(shí)域分析法對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)分析，并且與平均風(fēng)荷載作用相比較，得出其風(fēng)振系數(shù)。

2.脈動(dòng)風(fēng)荷載的時(shí)域分析法

2.1 脈動(dòng)風(fēng)分析方法概述

結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析一般在時(shí)域和頻域兩方面進(jìn)行，基于線性疊加的頻域法相對(duì)概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，在風(fēng)振研究中應(yīng)用較為廣泛。

隨著隨機(jī)振動(dòng)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析已成為可能，時(shí)程分析也稱(chēng)為瞬態(tài)分析，通過(guò)時(shí)程分析確定結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的位移、速度、加速度、變形等，可以較為直接的觀察結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2.2 AR法模擬風(fēng)荷載時(shí)程曲線

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載主要分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，而風(fēng)荷載的模擬主要是對(duì)脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行模擬。應(yīng)用AR模型模擬風(fēng)速時(shí)程，時(shí)間取200s，時(shí)間間隔為1s，高度取距地面高10m。得到脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線以及風(fēng)荷載曲線。

圖1

3.算例分析

3.1 有限元分析模型

本工程結(jié)構(gòu)形式為柱腳鉸接的單跨變截面雙坡門(mén)式剛架單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)。地貌類(lèi)別為B類(lèi)，地面粗糙度系數(shù)K為0.00215，恒荷載0.3KN/m2，活荷載0.5KN/m2，風(fēng)荷載0.5KN/m2。柱距為6米，跨度為30米，檐口高9米，屋面坡度為1:10。彈性模量E=2.06×105Mpa，泊松比為0.3，梁柱單元采用beam189，質(zhì)量單元采用Mass21。屋面板、檁條及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量簡(jiǎn)化后施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，剛架自重由程序自動(dòng)計(jì)算。數(shù)據(jù)分析以門(mén)式剛架梁的軸線所在方向?yàn)閄軸，以剛架梁中間節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以指向剛架柱背風(fēng)面一側(cè)為X軸正方向。

3.2 結(jié)構(gòu)受脈動(dòng)風(fēng)作用的時(shí)程分析

利用有限元軟件中的完全full法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)分析，把脈動(dòng)風(fēng)加載到有限元結(jié)構(gòu)模型上，得出只考慮結(jié)構(gòu)受平均風(fēng)作用時(shí)和考慮脈動(dòng)風(fēng)作用時(shí)其豎向位移響應(yīng)云圖如下：

圖2

表1 所選節(jié)點(diǎn)豎向位移風(fēng)振系數(shù)

4.結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和改革開(kāi)放的深入，門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋行業(yè)得到了快速的發(fā)展。由于門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)具有造型輕巧美觀，室內(nèi)空間開(kāi)闊，布置靈活，施工周期短，用鋼量省和建設(shè)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于廠房、球館、貨倉(cāng)及一些會(huì)展中心等工程。 本文通過(guò)時(shí)域法分析豎向風(fēng)振對(duì)門(mén)式剛架輕鋼廠房的影響分析，得出結(jié)論如下：

（1）利用時(shí)域法分析結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)過(guò)程能夠直接清楚的觀察結(jié)構(gòu)的某一節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)振響應(yīng)，通過(guò)觀察節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)時(shí)程曲線可以看出，由于脈動(dòng)風(fēng)的影響，個(gè)別時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)明顯增加，但都在峰值因子2.2之內(nèi)，風(fēng)振系數(shù)基本在1.22左右。

（2）按照我國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范和門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程，不考慮風(fēng)的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)門(mén)式剛架的影響是偏于不安全的，因此，在設(shè)計(jì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)房屋時(shí)，可考慮對(duì)風(fēng)荷載乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)，本文建議豎向風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)取1.2較為合理。

[1]張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計(jì)算手冊(cè)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1985.

[2]彭剛.時(shí)域分析法風(fēng)載時(shí)程模擬[D].廣東工業(yè)大學(xué),2010.

[3]梁德志,宋小娟.水平風(fēng)振對(duì)門(mén)式剛架輕鋼廠房的影響[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2010,9,30:89-92.

[4]梁德志,黃敏.單層門(mén)式剛架輕鋼廠房結(jié)構(gòu)豎向風(fēng)振響應(yīng)研究[A].第八屆沈陽(yáng)科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C],2011

[5]趙本貴.大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程分析法[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2009,18:8-31.