轻钢结构门式刚架风荷载与地震作用的计算问题

轻钢结构门式刚架风荷载与地震作用的计算问题

１设计风荷载

门式刚架轻型钢结构房屋高度小属低矮房屋，与一般房屋所受的气流机理不同。由于靠近地面，受地面环境的影响，气流多呈湍流，其风压分布情况一般需通过能反映湍流影响的边界层风洞试验测得。因为目前国内关于低矮房屋的边界层风洞试验资料尚不完备，所以标准CECS102采用了美国MBMA的资料作为门式刚架轻型钢结构房屋的风荷载体型系数，并对风荷载计算做了专门的规定。该规定与标准GB50009有所不同，按照两本标准计算的风荷载效应存在差异。《全国民用建筑工程设计技术措施2003（结构）第18.1.6条规定，跨高比L/h小于等于4的门式刚架应按GB50009计算风荷载标准值及体型系数，跨高比大于4时宜按CECS102取用。以下的计算分析表明，跨高比为4的界分，并不能较好地满足门式刚架各个控制截面的安全性要求。

图1中分别表示了柱脚铰接和刚接的门式刚架按CECS102与GB50009计算所得的风荷载效应结果的比较，横坐标为跨度与檐口高度之比L/h，纵坐标为按两本标准所得的控制截面弯矩、柱脚剪力、柱脚拉力之比。比值大于1表示按CECS102的计算值较大，比值小于1表示按GB50009的计算值较大。计算条件为坡度1/10的等截面双坡刚架，利用结构静力计算手册中的门式刚架计算公式进行了不同跨高比，柱距（开间），基本风压的计算，计算结果表明该比值仅与刚架的跨高比有关。

值得注意的是，跨中弯矩M2、柱底拉力V以及柱脚刚接刚架的檐口弯矩M1，按GB50009的计算值均比按CECS102的计算值偏小，特别在某些跨高比区段内偏小较多，如跨中弯矩M2在跨高比大于2时偏小达50％左右。由于门式刚架轻型钢结构房屋的自重相对较小，如无吊车则风荷载常起主要作用，风荷载内力计算值的差别会明显影响结构的安全性。因此在一般情况下，轻钢结构门式刚架宜按标准CECS102的规定进行风荷载计算。当刚架的跨高比位于按GB50009的计算值较大的区段时，可根据不同情况

与设计要求，针对具体部位采取加强措施，如加强柱脚剪力键的设置、柱脚弯矩乘以放大系数等。

２地震作用效应与其它荷载效应的比较

门式刚架轻型钢结构房屋自重轻，地震作用相对较小，一般认为七度抗震时可不作抗震验算。但以下分析比较表明，当风压较小且外墙采用砌体时，七度地震区的地震作用对门式刚架的影响是不能忽视的。

门式刚架承受的垂直荷载主要集中在屋盖，有屋盖自重、屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载等。外墙采用砌体时，墙体是自承重结构，其垂直重量与门架无关。但在地震作用下，外墙重量产生的横向水平作用应由刚架

承当。根据标准CECS102第3.2.5条“风荷载不与地震作用同时考虑”的规定，图2表示门式刚架的荷载效应基本组合有如下三种：

⑴屋盖自重与屋面活荷载，积灰荷载、雪荷载效应组合的设计值S1：

S1＝1.2S GK＋1.4（S QIK＋ΨC2＋S Q2K）

式中：S GK——屋面自重荷载标准值的效应；

S QIK、S Q2K——积灰荷载和雪荷载或屋面活荷载标准值的效应；

ΨC2——第二个可变荷载组合值系数。

⑵风荷载与屋盖自重荷载效应组合的设计值S2：

S2＝1.05×1.4S WK－1.0S GK

式中：S WK——风荷载标准值的效应；

1.05——是根据CECS102的规定采用。

⑶地震作用与重力荷载效应组合的设计值S3：

S3＝1.3S EK＋1.2S GE

式中：S EK——水平地震作用标准值的效应

S GE——重力荷载代表值的效应

如果把三种效应组合分别进行比较，可以明确判别不同情况下起主要控制作用的效应组合。风荷载参与的效应组合、地震作用参与的效应组合分别与垂直荷载效应组合比较如下：

S2

K1＝——……⑴

S1

γRE S3

K2＝————……⑵

S1

以坡度1/10的等截面双坡刚架为计算条件，取檐口弯矩M1和柱脚弯矩MA作为控制截面内力进行比较，风荷载按照CECS102中间区的规定计算，地震作用计算采用单质点模型的底部剪力法，承载力抗震调整系数γRE取0.75，利用刚架计算公式可得K值。

当K1与K2均小于1时，表示重力荷载效应组合起控制作用。当K1与K2均大于1时，如K1/K2＞1，则表示风荷载参与的效应组合起控制作用，反之如K1/K2＜1则表示地震作用参与的效应组合起控制作用。

图3绘出了门式刚架在七度抗震设防区时式3、式4的计算结果。其计算条件为：假定结构自振周期小于特征周期，则α＝αmax；基本风压取W o＝0.3、0.5、0.7、0.9KN/m2；屋盖自重标准值g rk＝0.15KN/m2；外墙采用空心砖砌体，自重标准值G wk＝3.8KN/m2；屋面活荷载取0.5KN/m2，集灰荷载取0.3KN/m2，屋盖重力荷载代表值为q E＝0.15＋0.5×0.3＝0.3KN/m2，屋盖荷载设计值为q＝1.2×0.15＋1.4×（0.5＋0.9×0.3）＝1.26KN/m2。由图3可以看出，跨高比大时是风荷载参与的效应组合或垂直荷载效应组合起控制作用，跨高比小时是风荷载或地震作用参与的效应组合起控制作用。如果风压较小，外墙采用

砌体，这时往往地震作用参与的效应组合为控制组合。以图3b为例，在上述计算条件下，当基本风压大于70KN/m2时，风荷载参与的效应组合起控制作用，当基本风压为50 KN/m2、地震作用影响系数α＝0.12时，跨高比大于2，垂直荷载效应组合为控制组合，跨高比小于2，地震作用参与的效应组合为控制组合。

３结论

⑴两本标准GB50009和CECS102规定的设计风荷载所产生的内力的比值，与门式刚架跨高比有关，大多数情况下CECS102规定的设计风荷载产生的内力较大，轻钢结构门式刚架宜按标准CECS102进行风荷载计算，当跨高比位于GB50009的计算值较大的区段时，可根据需要采取加强措施。

⑵七度抗震时，如果风压较小，外墙采用砌体，应考虑地震作用的影响，需要指出的是，目前一些电算程序没有附加质量计算功能，当外墙采用砌体时，无法计算墙体质量产生的地震影响，此时应采取其它有效的计算处理措施。