建筑围护结构风荷载的计算与取值

建筑围护结构风荷载的计算与取值
冯东;朱莎;汪一骏
【摘要】Wind load is the main variable load in bearing structures and enclosure structures.The current load codes for the design of building structures respectively list the calculation formula of ωk for bearing structures and enclosure structures,but there is a great difference between calculation results according to different specifications.In this paper,the wind loads for enclosure structures based on three norms are analyzed and discussed,and some related suggestions are put forward.%风荷载为建筑中受力结构和围护结构的主要可变荷载,现行建筑结构荷载规范分别列出了受力结构和围护结构风荷载ωk的计算公式,但依据不同规范计算所得结果差别较大.这里通过采用不同规范,对风荷载值进行计算分析比较,提出建筑设计中ωk计算公式的选用及相关建议,供设计人员参考.
【期刊名称】《北京交通大学学报》
【年(卷),期】2013(037)004
【总页数】4页(P119-122)
【关键词】风荷载;建筑;体型系数;墙梁;檩条
【作者】冯东;朱莎;汪一骏
【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044
【正文语种】中文
【中图分类】TU318
风荷载作为房屋建筑中主要的可变荷载,现行建筑结构荷载规范分别列出了受力结构和围护结构的风荷载标准值的计算方法.在建筑高度 H小于30 m的一般房屋中,围护结构的风荷载标准值远大于主要受力结构的风荷载标准值,甚至相差4倍左右.檩条和墙梁构件涉及面大,用钢量多,但依据现行不同规范计算所得的风荷载标准值,选用的截面用钢量差别很大,必须引起设计人员和相关部门的高度重视.鉴于此,本文作者参照现行《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范(送审稿)》,重点论述建筑设计中风荷载标准值wk计算公式的选用,并提出相关建议,供设计人员参考.
1 风荷载标准值wk
1)《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[1]规定主要受力结构的风荷载标准值为
围护结构的风荷载标准值为
2)《钢结构设计规范》GB 50017[2]规定墙架中墙梁的风荷载标准值为
3)《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范(送审稿)》(《门刚规范》)规定的风荷载标准值为[3]
式中:wk为风荷载标准值,kN/m2;w0为基本风压,kN/m2,按《门刚规范》,式(4)中
w0应按现行国家标准GB 50009的规定值乘以系数1.1;μs、μs1分别为风荷载体型系数和风荷载局部体型系数;μz为风压高度变化系数;βz、βgz分别为高度z处的风振系数和阵风系数,一般结构βz取为1.0[1],βgz统一取为1.7;μw为已考虑了内、外风压最大值组合和阵风系数βgz的风荷载系数,按主要受力刚架和围护构件分别
取值.
2 风荷载体型系数的比较
围护结构与受力结构体型系数的比较和各规范围护结构体型系数的比较见表 1.其中:①GB 50017中将围护结构视为以风为主的受力结构,取μs1=1,而μs仍分别沿
用荷载规范;②表中的围护结构体形系数按照1.5×6=9 m2的从属面积取值.
表1 围护结构与主要受力结构、各规范体型系数的比较Tab.1 Comparison of
the shape factors for enclosure and bearing structures in different norms
类别部位风荷载性质体型系数体型系数之比I GB 50009—2012 ⅡGB 50017
Ⅲ《门刚规范》Ⅰ与Ⅱ Ⅰ与Ⅲ围护结构与主要受力结构体型系数之比屋面负风压1.7×1.46/0.6=4.14 1/0.6=1.67 1.36/0.87=1.56 2.48 2.65墙面负风压
1.7×0.69/0.5=
2.35 1/0.5=2.0 1.24/0.47=2.64 1.18 0.89正风压
1.7×1.04/0.8=
2.21 1/0.8=1.25 1.01/0.58=1.74 1.77 1.27各规范体型系数的比
较屋面负风压1.7×1.46=2.48 1.0 1.36×1.1=1.50 2.48 1.65墙面负风压
1.7×0.69=1.17 1.0 1.24×1.1=1.36 1.17 0.86正风压1.7×1.04=1.77 1.0
1.01×1.1=1.11 1.77 1.60
3 檩条和墙梁μs1、w及用钢量比较
3.1 檩条的风荷载体型系数
檩条的局部风压体型系数μs1为风吸力标准值wk和设计值w的重要组成部分,目前国内有3种计算方式.
1)《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012将檩条视为负风面积较大的围护结
构,μs1(Ap)按从属面积乘以折减系数计算.
式中 Ap为檩条从属面积,m2.
2)《钢结构设计规范》GB 50017将檩条视为围护结构的支架,按主要受力结构计算,即βz=1.0,μs1=-1.0.
3)《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范(送审稿)》将檩条视为负风面积较大的围护结构,μw(Ap)按从属面积乘以折减系数计算.将屋面划分为中间区、边缘带和角部3个部分,为设计、施工方便,通常取边缘带的局部风压体型系数为
当Ap≥10 m2时,μw=-1.28.
将常用的檩距×跨度分别为1.5 m×6.0 m、1.5 m×7.5 m和1.5 m×9.0 m的檩条按上述3种情况计算,结果见表2(地面粗糙度类别均为B[1]).其中:① w=1.4 wk,wk=βgzμs1μzw0ap,w0=0.5 kN/m2,ap=1.5 m为檩条间距,板自重取0.4 kN/m.②βgz=1.0,不另计阵风系数;房屋高度取10 m,μz为 1.0;采用《门刚规范》计算时,w0应换算为1.10w0.③根据国家标准图集11G521-1～2[4](无支撑),檩条截面型号按计算所得风荷载设计值w选用.
表2计算表明:
1)檩距为1.5 m、跨度为6 m时,按规范GB 50009—2012计算比按GB 50017计算多耗材33%;按规范GB 50009—2012计算比按《门刚规范》计算多耗钢材23%.
2)檩距为1.5 m、跨度为7.5 m时,按规范GB50009—2012计算已超出卷边槽钢LC的选用范围,必须改用高频焊接薄壁H型钢,比按规范GB 50017计算多耗用钢材152%;比按《门刚规范》计算多耗材107%.
表2 檩条的风荷载设计值w和用钢量比较(无支撑)Tab.2 Comparison of w and
steel consumption for purlins(no brace)项次檩距ap×跨度l/m2Ⅰ GB 50009—2012 βgz=1.7ⅡGB 50017 βz=1.0Ⅲ《门刚规范》βgz=1.0 用钢量之比/%μs1 w/(kN/m)型号μs1 w/(kN/m)型号μw w/(kN/m)型号Ⅰ与ⅡⅠ与Ⅲ1 1.5×6.0=9.0 -1.45-2.59LC6-30.2 -1.00-1.05 LC6-20.2 -1.36-1.57LC6-22.2 133 123 2 1.5×7.5=11.25 -1.40-2.50 LH7.5-20.3-1.00-1.05 LC7.5-25.2-1.28-1.48 LC7.5-28.3252 207 3 1.5×9.0=13.5 -1.35-2.41LH9-20.3 -1.00-1.05 LC9-30.3 -1.28-1.48LH9-20.3 181 100
3)檩距为1.5 m、跨度为9 m时,按规范GB 50009—2012计算已超出卷边槽钢LC的选用范围,必须改用高频焊接薄壁H型钢,比按规范GB 50017计算多耗用钢材81%.
表2中规范GB 50009—2012自2012年发布后,按其计算所得截面因用钢量太大,很少采用,仍采用《门刚规范》计算.
表2中按规范GB 50017计算所得截面在2005年以前市场上用的较多,按《门刚规范》计算所得截面在2005年以后市场上用的较多.
3.2 墙梁的风荷载体型系数
1)在《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012中,墙梁的风荷载体型系数为
2)在《钢结构设计规范》GB 50017中,墙梁的风荷载体型系数为μs1=±1.00.
3)《门刚规范》将墙面划分为中间区和角部两部分,局部风压体型系数μw按角部公式计算:
负风压 1 m2＜Ab＜50 m2时,
正风压1 m2＜Ab＜50 m2时,
其中Ab为墙梁从属面积,m2.
将常用墙梁间距×跨度分别为1.5 m×6.0 m、1.5 m×7.5 m和1.5 m×9.0 m墙梁按风荷载体型系数的3种情况计算,结果见表3(地面粗糙度类别均为 B).其
中:①w=1.4 wk,wk=βgzμs1μzw0ab,w0=0.5 kN/m2,ab=1.5 m为墙梁间距,板自重取0.4 kN/m.②βgz=1.0,不另计阵风系数;房屋高度取10 m,μz为1.0;采用《门刚规范》计算时,w0应换算为1.10w0.③根据国家标准图集11 G521-1～2[4](有支撑),墙梁截面型号按计算所得风荷载设计值 w选用.
表3 墙梁的风荷载设计值w和用钢量比较(有支撑)Tab.3 Comparison of w and steel consumption for wall beam(with brace)项次梁距ab×跨度l/m2 I GB 50009—2012 βgz=1.7ⅡGB 50017 βz=1.0Ⅲ 《门刚规范》βgz=1.0用钢量之比/%μs1 w/(kN/m)型号μs1 w/(kN/m)型号μw w/(kN/m)型号 I与Ⅱ I与Ⅲ1 1.5×6.0=9.0-0.69-1.23+1.04+1.86QLC6-22.2 -1.00-1.05 QLC6-18.1-1.24-1.43+1.01+1.17QLC6-18.2 129 115 2 1.5×7.5=11.25-0.68-
1.21+1.02+1.82QLC7.5-25.2-1.00-1.05 QLC7.5-20.1-1.21-
1.40+0.99+1.14QLC7.5-2
2.2 132 108 3 1.5×9.0=1
3.5-0.67-
1.20+1.00+1.79QLC9-28.3 -1.00-1.05 QLC9-25.2-1.15-
1.33+0.98+1.13QLC9-28.2 133 122
表3计算结果表明:
1)梁距为1.5 m、跨度为6 m时,按规范GB 50009—2012计算比按GB 50017多耗材29%;按规范GB 50009—2012计算比按《门刚规范》计算多耗钢材15%.
2)梁距为1.5 m、跨度为7.5 m时,按规范GB 50009—2012计算比按GB 50017计算多耗材32%;按规范GB 50009—2012计算比按《门刚规范》计算多耗钢材8%.
3)梁距为1.5 m、跨度为9 m时,按规范GB 50009—2012计算比按GB 50017
计算多耗材33%;按规范GB 50009—2012计算比按《门刚规范》计算多耗钢材22%.
4 结论及建议
1)按《建筑结构荷载规范》设计檩条,缩小了经济合理的常用中型卷边槽钢的应用场合,扩大了耗钢量较多的H型钢应用范围,特别是檩条跨度为7.5 m时,按《建筑结构荷载规范》计算应选用高频焊接薄壁H型钢,而按照《钢结构设计规范》和《门刚规范》计算可以选用卷边槽钢,应引起设计人员的重视.
2)不论采用《建筑结构荷载规范》还是《门刚规范》设计,檩条截面的选取(上下均设拉条除外)不由通常的永久荷载和活荷载的组合来控制,而是由负风压和永久荷载的组合工况来控制.
3)《建筑结构荷载规范》、《门刚规范》均未明确檩条和墙梁直接按围护结构计算其风荷载体型系数μs1(μw)和标准值 wk,但都列出了体型系数μs1(μw)可随风荷载从属面积折减,这使得多数人认为,檩条、墙梁属于从属面积较大的围护结构,值得设计人员考虑.
4)对檩条和墙梁的风荷载标准值 wk有以下建议:
方案一:暂不变动,沿用近十年来《门刚规范》的计算方法,该方法计算所得檩条和墙梁截面虽与当前市场接近,但仍有改进的必要.
方案二:有一部分人认为屋面檩条用钢量比较大,如按现行钢结构设计规范[2]和条文说明:墙架构件是指围护结构的支承构件,不属于围护结构,可不考虑建筑结构荷载规范GB 50009—2012中的阵风系数,而按习惯取该处的风荷载体型系数μs1=1.故檩条和墙梁可按公式(1)计算 wk,其中檩条μs=μs1=-1,墙梁取μs=μs1=±1.由此,檩条形成以竖向荷载和风吸力并行的轻质板支承梁,屋面风荷载与按竖向荷载选用的截面接近,较为合理,屋面耗钢量大幅度下降,值得采纳.
必须指出:国家建筑标准设计图05G517《轻型屋面三角形钢屋架》[5]中取檩条的
负风荷载体型系数μs1为1.
从工程事故分析,主要是檩条连接件而非檩条构件本身的问题.故建议檩条或墙梁连接的轻质板材,在连接处的正负风压体型系数及荷载标准值(或设计值)直接按从属面积不折减的围护结构计算.
5)主刚架按《门刚规范》计算时,两侧墙的风荷载体型系数总和仅为0.7,远小于《建筑结构荷载规范》的两侧总和1.3,所得弯矩有时相差近1.6倍.为不降低刚架
的抗侧承载力和安全度,建议所有建筑按沿用60年的《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012中的主要受力结构计算.
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