張樹珺

(南陽理工學院 土木工程學院， 河南 南陽 473004)

鋼結構是現(xiàn)代建筑結構工程較普遍的結構形式之一，廣泛用于各種類型建筑物(工業(yè)建筑、辦公樓、住宅、舊房改造、夾層等).輕鋼結構是鋼結構中單位用鋼量較小的一類，代表形式有門式剛架輕型鋼結構.輕鋼結構建筑自重小、強度高、結構整體剛性好.輕鋼結構的結構體系是以門式剛架作承重結構(采用變截面或等截面實腹剛架)，以輕型屋蓋和輕型墻板作維護結構，以檁條、系桿、柱間支撐等結構作支撐體系.

輕鋼結構由于具有自重輕、剛度小、阻尼低等特點，易遭受強風破壞[1]，近年來諸多臺風破壞案例證實了這一點[2].由此導致其抗風性能有待提高，風荷載作為輕鋼結構的控制荷載，為造成其破壞的主要因素.目前，國內(nèi)外對輕鋼結構的風災害作出諸多研究，趙明偉等[3]針對中國建造的典型輕鋼結構建筑提出了風災易損性的概率分析法，建立構件風災破壞判定準則，給出輕鋼結構風災破壞等級矩陣；龔盈[4]對一種屋面圍護結構的抗風作極限分析，并給出了算例，研究了半剛性節(jié)點門式剛架的靜力響應，進行了模態(tài)、風致動力響應以及彈塑性分析；歐洲規(guī)范[5]對鋼結構節(jié)點類型作了劃分，使得結構受力情況更符合實際.另有研究發(fā)現(xiàn)，梁柱節(jié)點連接的剛度對門式鋼架受力性能舉足輕重，它不僅影響該結構的剛度與受力性能，還影響結構整體變形與結構自振周期，從而影響結構在風荷載和地震作用下的動力響應.歷史上的研究僅限于單跨的門式剛架，但對多跨剛架或空間剛架缺少深入且系統(tǒng)的研究.

近幾年，針對新的結構形式及高強鋼材的應用推廣，建筑物特別是鋼結構建筑的跨度逐漸增大，結構所用材料日益輕型化，輕鋼結構房屋與其圍護結構的材料日益輕質(zhì)高強化，由此導致結構對風荷載更加敏感.我國制定的荷載規(guī)范[6]對屋面圍護結構的風荷載體形系數(shù)(局部)的規(guī)定仍非常籠統(tǒng)，對此類輕型結構的設計缺乏指導，不能跟上日益發(fā)展的新型工程結構形式.因此，應全面研究輕鋼結構屋面的風壓及其分布發(fā)展規(guī)律，以對建筑物外部荷載做全面掌握.就現(xiàn)階段研究情況而言，對結構抗風研究主要采用3種方法：1)在風洞中進行模型試驗；2)通過現(xiàn)場實測；3)通過計算機進行數(shù)值模擬計算.其中利用計算機數(shù)值模擬方法，理論上可與通過現(xiàn)場實測方法得出一樣的結論，利用的理論為計算流體力學.本文針對常用的雙坡屋頂及單坡屋頂輕鋼結構，在Midas/Gen、SAP2000與PKPM-STS這3種結構軟件中相應模塊有限元分析基礎上，給出了不同屋頂形式下結構節(jié)點及桿件內(nèi)力、抗風性能等參數(shù)，并綜合3種軟件的分析結果，為輕型鋼結構廠房提供結構優(yōu)化設計理論依據(jù).

1 有限元模型

1.1 框架結構模型設計

本設計分析模型利用PKPM-STS(V3.1.6)、Midas/Gen V8.60、SAP2000(V18)3種軟件，并依據(jù)我國現(xiàn)行國家規(guī)范[6-8]進行分析設計：門式剛架結構共1層，檐口高6.0 m，一榀門式剛架跨度18 m，柱距7.5 m，共4跨.建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，抗震設防烈度6度，地面粗糙度B類.屋面、樓面恒載為0.3 kN/m2，計算剛架活載為0.3 kN/m2，計算檁條活載為0.5 kN/m2，雪荷載為0.3 kN/m2，基本風壓為0.4 kN/m2，風壓調(diào)整系數(shù)為1.1.模型1屋面坡度為0.1，模型2屋面坡度為0.1，柱截面尺寸為(300～500 mm)×250 mm×250 mm×8 mm×10 mm×10 mm，梁截面尺寸為400 mm×180 mm×6 mm×8 mm.

本文建立門式剛架方案設定單一變量，即屋頂結構形式，其平面布置如圖1所示.其中，模型1為雙坡屋頂，模型2為單坡屋頂.

圖1 結構模型Fig.1 Structural models

1.2 分析方法

輕鋼結構抗風性能分析一般采用風壓等值線考察風壓在屋頂?shù)姆植记闆r.

1.3 輕鋼結構風致破壞準則定義

合理破壞準則的建立是進行結構極限承載力研究分析的前提，目前，破壞準則按層次可分為：有構件層次、材料層次及結構層次，按類型可分為：強度準則、機構準則、穩(wěn)定準則、變形準則及能力準則等.輕鋼結構的圍護結構承載力分析方法一般采用強度準則對其中構件進行承載力驗算，因圍護結構各構件(桿件、板件或細長拉條等)都具有一定的承載能力，而風荷載在各構件及其連接件間均有一定傳力路徑，當其中任意一個構件的風致內(nèi)力或變形(應力、應變)超出結構抗風承載能力時，圍護結構此時將發(fā)生破壞.

由此得出，輕鋼結構抗風極限承載力有限元分析方法可按以下步驟進行：

1) 計算ti時刻(風速vi，風向角θi)的結構表面各個分區(qū)外風壓值和屋蓋整體風載；

2) 通過計算得到外風壓值及結構構件和其連接件承載力，分析圍護結構構件是否失效，判斷屋蓋整體是否塌陷，主鋼架是否出現(xiàn)塑性鉸；

3) 若結構維護系統(tǒng)未破壞，且主體剛架內(nèi)部未出現(xiàn)塑性鉸，則回到步驟1)計算下一時刻ti+1外風壓值；

4) 若結構維護系統(tǒng)失效，則判定并輸出破壞點位置，得出破壞點外風壓值；

5) 判斷在風壓作用下其余維護結構構件是否相繼失效，屋蓋是否塌陷，主題剛架是否產(chǎn)生塑性鉸；

6) 得到ti+1時刻圍護結構及主體剛架結構的破壞信息，計算下一個循環(huán)的風致內(nèi)壓及調(diào)整剛架整體剛度矩陣；

7) 再返回至步驟1)，計算ti+1時刻外風壓值，并重復上述所有步驟，直至某時刻風荷載作用下主體結構發(fā)展成為機構，進而發(fā)生整體倒塌破壞.此時風荷載數(shù)值即為輕鋼結構極限抗風承載力.

圖2為采用上述方法對輕鋼結構進行抗風極限分析的流程圖.維護系統(tǒng)破壞準則采用前述強度準則，主體結構破壞準則采用前述機構準則.

圖2 輕鋼結構抗風極限分析流程圖Fig.2 Flow chart of wind resistance limitation analysis of light steel structures

荷載的計算公式為

Load=1.0D+0.25L

(1)

式中：D為恒載；L為活載.選擇強度和變形的雙重準則，即不出現(xiàn)失效鉸及塑性鉸轉角，θ≤6°作為判斷連續(xù)倒塌的依據(jù)[9].

外風壓計算參考國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)中的公式，該公式用于結構設計階段，因此在本文研究分析中需要進行適當修正，經(jīng)修正后則可用于本文風荷載計算，即

(2)

式中：WE為外風壓；CPE為外風壓系數(shù)；ρ為空氣密度；v為結構屋面平均高度處3 s陣風風速；v′為10 min平均風速；γgust為3 s陣風風速與10 min平均風速比值統(tǒng)計值，瞬時風速與10 min平均風速之間的陣風因子約為1.5.根據(jù)風洞試驗數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結果，將維護系統(tǒng)進行區(qū)域劃分后，可分別給出各分區(qū)在不同風向角下的表面風壓系數(shù).

1.4 風致內(nèi)壓、表面凈風壓計算

根據(jù)已有相關研究結論，認為內(nèi)壓在結構內(nèi)部表面可以近似看成均勻分布，本文涉及的風致內(nèi)壓系數(shù)采用文獻[10]給出的公式計算，即

CPI=∑CPE/n

(3)

式中，n為結構外表面破壞點數(shù)量.

外風壓和風致內(nèi)壓方向均以指向結構外表面為正.結構表面靜壓力為外風壓與風致內(nèi)壓差值，其表達式為

(4)

式中：CPN為凈風壓系數(shù)；WN為結構表面凈風壓.

1.5 數(shù)值模型的建立

根據(jù)1.3節(jié)設定的工程模型，屋面坡度為0.1.應用SAP2000對2個結構模型進行非線性分析，具體過程為：建立模型，進行靜力計算及模態(tài)分析，得出結構失效構件的內(nèi)力及第1、2振型周期.對于柱，由于計算所得剪力與彎矩相對軸力均較小，因此分析中只考慮軸力影響，具體數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 結構自振周期Tab.1 Natural vibration period of structures s

本文考察屋頂不同結構方案的布置，風荷載作為本文研究內(nèi)容的考察對象荷載，其分布如圖3、4所示.

圖3 模型1風荷載簡圖Fig.3 Simplified wind load diagram in model 1

圖4 模型2風荷載簡圖Fig.4 Simplified wind load diagram in model 2

計算條件的設定見第1.3節(jié).湍流模型選擇Realizablek-ε模型[11]，配合非平衡壁面函數(shù)法處理近壁面，采用速度入口(velocity-inlet)、自由出流(outflow)邊界條件，風速的剖面和湍流特性相關公式利用編程(UDF)與Fluent接口對接，并選用3D單精度求解器.模型剖面圖如圖5所示.

圖5 中部截面剖面圖Fig.5 Profile diagram of central section

對于垂直結構屋脊的風荷載，兩種屋頂結構在迎風屋檐產(chǎn)生負壓區(qū).

2 計算結果分析

2.1 建筑物流場分析

圖6為結構模型1截面流場矢量圖.空氣流處在迎風屋檐與屋脊處發(fā)生分離.結合上述方法對模型風壓等值線及其剖面進行分析，可把屋面分為不同區(qū)域表示屋面風壓分布情況.每個區(qū)域風壓系數(shù)如表2所示.

圖6 結構模型1截面流場矢量圖Fig.6 Cross-section flow field vector diagram in structural model 1

檐口過渡區(qū)迎風面屋脊背風面-1.40-0.74-0.52-0.52-0.30-1.28-0.65-0.45-0.65-0.24-0.83-0.34-0.18-0.67-0.18-0.68-0.23-0.08-0.68-0.23-0.41-0.26--0.71-0.26

由表2可以看出，若單純對數(shù)值進行比較，坡度對最大負壓區(qū)負壓值減小起重要作用.空氣流在迎風屋檐與屋脊處發(fā)生分離.由于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定不夠詳細，結構設計人員在設計時取值容易出現(xiàn)超出規(guī)范規(guī)定的值.從SAP2000有限元分析中提取計算結果，達到設定極限狀態(tài)時風荷載的增大系數(shù)為1.326，同時該剛架起控制作用的節(jié)點位移如表3所示.

表3 模型第2榀跨中節(jié)點位移Tab.3 Node displacement of middle span in second truss in model mm

根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017-2003)中關于梁下翼緣受壓扭轉時未受約束的規(guī)定，臨界應力σcr約為211 MPa，經(jīng)分析，模型梁柱節(jié)點腹板已低于屈服應力，由此可見，在對稱的第1榀和第5榀框架迎風面中，梁柱節(jié)點在腹板處有應力集中現(xiàn)象，此處易發(fā)生破壞.

2.2 失效破壞點內(nèi)力分析

模型風荷載位移如圖7所示(單位：m)，圖7中數(shù)值均代表荷載組合下的絕對位移值.

圖7 結構風荷載作用位移圖Fig.7 Displacement diagram under structural wind load effect

由Midas/Gen分析得出兩種屋面布置方案下的結構破壞易損性曲線如圖8、9所示.

值得注意的是，方案2與方案1相比，在上面風速相同、破壞程度相同等級下，屋面板及建筑整體破壞概率更大，由此反映出模型1屋面抗風性能更好.風載荷引起的輕鋼結構次生災害程度要比雨水侵入大，所以抗風性能是提高結構安全性的關鍵，若采用抗風性能好的屋面板能得到較好保障，此時外門窗成為影響輕鋼建筑破壞的主要構件.

圖8 屋面布置方案1破壞易損性曲線Fig.8 Damage vulnerability curves in roof arrange scheme 1

圖9 屋面布置方案2破壞易損性曲線Fig.9 Damage vulnerability curves in roof arrange scheme 2

2.3 輕鋼結構抗風性能分析

輕鋼結構不同屋頂結構形式對風荷載動力響應不同，其數(shù)值模擬結果表明，常用的雙坡屋頂及單坡屋頂在對稱的第1榀和第5榀框架迎風面中，梁柱節(jié)點在腹板處有應力集中現(xiàn)象，此處易發(fā)生破壞.在各類維護構件中，風荷載為除雨水侵入外引起輕鋼結構次生災害最重要的因素，因此重要措施為采取抗風性能較好的屋面板.屋面板抗風性能若能得到較好保障，此時輕鋼建筑破壞概率將由外門窗控制.因此，提高輕鋼結構建筑門窗抗風性能，可作為提升此類結構整體抗風性能的重要措施.

3 結 論

在對本文建立的兩個模型進行PKPM-STS、SAP2000以及Midas/Gen有限元分析基礎上，給出了不同屋頂形式下結構節(jié)點及桿件內(nèi)力、用鋼量、抗風性能等參數(shù)，并綜合3種軟件的分析結果，經(jīng)本文計算分析，得出如下結論：

1) 風災分析中，利用已有研究結論建立的荷載概率模型，分析屋面板、維護系統(tǒng)風壓概率，并將風壓系數(shù)分區(qū)修正后使用；

2) 對現(xiàn)行國家規(guī)范有關規(guī)定作出了適當修正，在避免結構設計人員在設計取值時易出錯基礎上，將修正公式作為本文研究計算公式之一；

3) 考慮圍護結構抗風承載力影響，單獨建立數(shù)值模型，并進行有限元分析；

4) 經(jīng)綜合分析，在常用的輕鋼結構屋面結構形式中，雙坡屋頂抗風性能與單坡屋頂抗風性能在獨立分析時，前者優(yōu)于后者，而在結構整體分析時，需要考慮維護系統(tǒng)的參與作用，此項有待后續(xù)研究.