时域法分析竖向风振对门式刚架轻钢厂房的影响

伊 宁

大连市建筑设计研究院有限公司

时域法分析竖向风振对门式刚架轻钢厂房的影响

伊 宁

大连市建筑设计研究院有限公司

近年来，随着门式刚架轻钢结构厂房的广泛应用，其安全性也倍受关注。门式刚架因其自重轻，自振周期长，所以具有较好的抗震能力，但是门式刚架轻型钢结构厂房抗风性能较差，由于风灾导致此类结构的破坏屡见不鲜。在设计门式刚架时，是否应该考虑竖向风振对轻钢厂房的影响以及其对结构的安全影响程度到底有多大存在着不同的看法和意见。本文针对某一工程实例，采用有限元软件建立变截面门式刚架结构的实体模型，利用AR模型法模拟脉动风时程谱，施加在檩条与屋架的交接处的节点上，并对其进行竖向风振数值模拟分析，计算结果与按基本风压作用下的内力和变形进行对比。结果表明：竖向风振对门式刚架轻钢结构厂房的影响较大，且计算结果与频域分析法具有较好吻合度，建议在设计中应予以考虑。

门式刚架；时域分析；AR模型法；竖向风振；风振系数

1.引言

风荷载是柔性结构的重要设计荷载，它可造成工程结构损伤和破坏，可给人民生命财产带来重大的损失。据统计，受2011年第9号热带气旋“梅花”影响，8月4日以来，辽宁、上海、江苏、浙江、山东部分地区遭受大风和强降雨袭击，导致5省（直辖市）29市183个县（区、市）360余万人不同程度受灾，截至8月8日16时，364.98万人受灾，135.3万人紧急转移安置，房屋倒塌600余间，损坏4800余间，直接经济损失31.28亿元。因而风灾是给人类生命财产带来巨大损失的自然灾害。

门式刚架轻钢结构厂房因其用钢量省、施工方便快捷、结构自重轻、抗震性能好，近些年被广泛应用。但其安全性和可靠性也备受关注。门式刚架轻钢结构厂房跨度越来越大，高度越来越高，导致结构的柔性很大，自振周期较长。这类结构对于风荷载这种卓越周期较长的荷载就十分敏感。而我国现行的《GB50009-2001建筑结构荷载规范》规定：对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期大于0.25的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，对于门式刚架轻钢结构厂房而言，只考虑平均风作用。由于近些年风灾较为频繁，门式刚架轻钢结构厂房破坏十分严重，本文采用时域分析法对此类结构进行脉动风分析，并且与平均风荷载作用相比较，得出其风振系数。

2.脉动风荷载的时域分析法

2.1 脉动风分析方法概述

结构的风振响应分析一般在时域和频域两方面进行，基于线性叠加的频域法相对概念清晰，计算简便，在风振研究中应用较为广泛。

随着随机振动理论和计算机技术的发展，用时程分析法对结构进行随机振动分析已成为可能，时程分析也称为瞬态分析，通过时程分析确定结构随时间变化的位移、速度、加速度、变形等，可以较为直接的观察结构的动力响应。

2.2 AR法模拟风荷载时程曲线

作用在结构上的风荷载主要分为平均风和脉动风，而风荷载的模拟主要是对脉动风进行模拟。应用AR模型模拟风速时程，时间取200s，时间间隔为1s，高度取距地面高10m。得到脉动风速时程曲线以及风荷载曲线。

图1

3.算例分析

3.1 有限元分析模型

本工程结构形式为柱脚铰接的单跨变截面双坡门式刚架单层工业厂房结构。地貌类别为B类，地面粗糙度系数K为0.00215，恒荷载0.3KN/m2，活荷载0.5KN/m2，风荷载0.5KN/m2。柱距为6米，跨度为30米，檐口高9米，屋面坡度为1:10。弹性模量E=2.06×105Mpa，泊松比为0.3，梁柱单元采用beam189，质量单元采用Mass21。屋面板、檩条及围护结构的质量简化后施加在相应的节点，刚架自重由程序自动计算。数据分析以门式刚架梁的轴线所在方向为X轴，以刚架梁中间节点为坐标原点，以指向刚架柱背风面一侧为X轴正方向。

3.2 结构受脉动风作用的时程分析

利用有限元软件中的完全full法对结构进行瞬态分析，把脉动风加载到有限元结构模型上，得出只考虑结构受平均风作用时和考虑脉动风作用时其竖向位移响应云图如下：

图2

表1 所选节点竖向位移风振系数

4.结论

随着我国经济快速增长和改革开放的深入，门式刚架轻型钢结构房屋行业得到了快速的发展。由于门式刚架轻型钢结构具有造型轻巧美观，室内空间开阔，布置灵活，施工周期短，用钢量省和建设速度快等诸多优点，近年来被广泛地应用于厂房、球馆、货仓及一些会展中心等工程。 本文通过时域法分析竖向风振对门式刚架轻钢厂房的影响分析，得出结论如下：

（1）利用时域法分析结构的风振响应过程能够直接清楚的观察结构的某一节点在一段时间内的风振响应，通过观察节点的位移响应时程曲线可以看出，由于脉动风的影响，个别时刻节点的位移响应明显增加，但都在峰值因子2.2之内，风振系数基本在1.22左右。

（2）按照我国现行荷载规范和门式刚架轻型房屋钢结构规程，不考虑风的动力响应对门式刚架的影响是偏于不安全的，因此，在设计此类结构房屋时，可考虑对风荷载乘以适当的放大系数，本文建议竖向风荷载风振系数取1.2较为合理。

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