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问题引入
GB 55001—2021《工程结构通用规范》(以下简称《通用规范》) 第 4.6.5 条规定,当采用风荷载放大系数的方法考虑风荷载脉动的增大效应时,风荷载应乘以放大系数,而 GB 51022—2015 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(以下简称《门刚规范》)第 4.2.1 条也规定了放大系数 β,计算主刚架时取 β = 1.1,计算檩条、墙梁、屋面板和墙面板及其连接时,取 β = 1.5。上述两个放大系数需要连乘不?
网友讨论
结构人生
《门刚规范》规定了门刚主体结构的风荷载放大系数为 1.1,《通用规范》规定的最小值为 1.2,不存在连乘问题。
sunday 程
门式刚架结构,计算主体刚架时,风荷载放大系数应连乘,为 1.1 × 1.2 = 1.32,计算围护结构时,风荷载放大系数在 1.7 以上。
小范
根据 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》(以下简称《荷载规范》) 第 8.4.1 条规定,门刚房屋不需考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响,故不用满足《通用规范》第 4.6.5 条,即不用乘以 1.2。
远林
个人认为,《通用规范》 第 4.6.5 条规定的是考虑风荷载脉动增大效应(即风振系数) 时,放大系数最小值为 1.2(因为《荷载规范》给出了计算方法但没有规定最小值) ,所以执行这一条的前提是考虑风振作用,但《通用规范》规定无论如何必须执行这一条。而且关于围护结构的规定,《荷载规范》采用的是阵风系数,没有风振系数,《通用规范》规定的是风振系数。这两者的区别和联系我说不清楚,是不是等同的我也不清楚。但是有些人认为两者要同时考虑,我也不认同,因为这个说法否定了《荷载规范》的正确性,意思是《荷载规范》只考虑阵风系数,不考虑风振系数是错误的。
早明确了,计算主体刚架时,风荷载放大系数要连乘,计算围护结构时,按《通用规范》 和 《门刚规范》取大值,不用大不连乘。
知耕楼主
门刚连考虑脉动的资格都不具备,肯定不用执行《通用规范》,风荷载再放大 1.2 倍。
晚风
《荷载规范》规定,对于高度大于 30 m 且高宽比大 于 1.5 的房屋, 以及基本自振周期 T1 大于0.25 s 的各种高耸结构,应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响,对于门刚结构,一般达不到这个条件,所以不用考虑脉动增大系数 1.2。
宋谦
从官方的解释和规范条文的解读来看是需要连乘的,《门刚规范》规定的系数 1.1 是风敏感因素,《通用规范》规定的 1.2 系数是风振因素,因此需要连乘。但是《 通用规范》这一条我感觉非常的不合理,按这意思,一个 3 × 3 m 的小门卫也要考虑风振了? 我在大马路上插面旗子是不是也要考虑风振了?
刘松
门刚主体不存在风振效应,不管是实验还是理论分析都能验证,《门刚规范》规定的系数 1.1 是对荷载规范风敏结果增强的回应。《通用规范》说的是如果结构存在风振最小不得小于 1.2。就像《门刚规范》规定,计算檩条、墙梁、屋面板和墙面板及其连接时,取 β = 1.5,就是对老规范风敏结构及风振的统一增强系数。
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马争春
对主体结构要考虑风振系数连乘即 1.1×1.2 =1.32,对围护结构要考虑阵风系数即 1.5,不再增大,概念上是这样。
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顺顺他爸
看《通用规范》的条文说明,这个 1.2 就是放大系数,不应该与《门刚规范》规定的系数 1.1 连乘。
问题分析
3.1 《通用规范》中“主要受力结构风荷载放大系数”就是《荷载规范》中的“风振系数”
风荷载是随时间变化的。说得直白一点,就是风像浪一样,是一阵一阵的;说得专业一点,就是如脉搏跳动,是节律性的,有波峰和波谷,这种特点就是风压的脉动。对于某些主体结构(高度 >30 m 且高宽比 > 1.5 的房屋、基本自振周期 > 0.25s 的各种高耸结构)来说,除了考虑波峰和波谷的静压作用之外,还需要考虑风压的节律性作用所引起的结构振动,即风振响应。按《荷载规范》要求,风振响应要用结构动力学方法计算;对于仅需考虑第一振型影响的结构,可以用放大系数的办法进行简化计算,这个放大系数就是风振系数。可见:
1) 并不是所有结构均需考虑风压脉动,如对于门刚结构,除非高度 > 30 m 且跨度 < 20 m (这种门刚太少见),其他门刚结构不需要考虑风压的脉动,也就没有风振系数一说了。
2) 《通用规范》4.6.5 条的表述为: “当采用风荷载放大系数的方法考虑风荷载脉动的增大效应时,主要受力结构的风荷载放大系数……不应小于1.2”。也就是说,乘以风荷载放大系数的目的是为了考虑风压的脉动,与《荷载规范》中的风振系数同义。《荷载规范》只说了风振系数用公式(8.4.3) 计算,没有规定下限。现在《通用规范》明确了:且不应小于 1.2。
3.2 《通用规范》中“围护结构的风荷载放大系数”就是《荷载规范》中的“阵风系数”
阵风系数和风振系数都是对风压脉动的考虑。因为围护结构的刚度比较大,结构效应中的振动分量可以忽略不计,所以阵风系数主要考虑的是瞬时峰值风压和集中分布,局部量值可能很大,但依然是静力属性。由《荷载规范》表 8.6.1 可以看出,阵风系数只与离地高度和地面粗糙度有关,与结构自身的动力特性(如周期、振型、阻尼等)无关;而且,离地越高,阵风系数越小,说明阵风系数不是对结构振动的考虑。《通用规范》4.6.5 条规定了该系数的最小值:
由于围护结构的负荷面积小,阵风的集中分布对围护结构的影响很敏感,所以阵风系数比较大。
《通用规范》将“主体结构的风振系数”和“围护结构的阵风系数”合称为“风荷载放大系数”。由此揣测:风振系数和阵风系数这两个术语可能即将“退伍”。
表 1 《通用规范》和《荷载规范》的阵风系数对比
可以发现:
1) 对于 B 类地面粗糙度,《通用规范》的放大系数最小值与《荷载规范的》阵风系数一模一样。
2) 对于 A 类地面粗糙度,放大系数最小值与阵风系数非常接近。
3) 对于 C 类和 D 类地面粗糙度,《荷载规范》的阵风系数大于《通用规范》的最小值。这也说明,《通用规范》并不是修改《荷载规范》,而是为《荷载规范》设定下限。
4) 离地越高,阵风系数越小,而且越接近最小值, 符合离地越高风压越均匀、脉动越小的规律。
3.3 风敏感是通过调整基本风压的重现期来考虑的
《荷载规范》8.1.2 条文解释说得很明白:对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构,以及自重较轻的钢木主体结构(如门刚),这类结构风荷载很重要,计算风荷载的各种因素和方法还不十分确定,因此基本风压应适当提高。如何提高基本风压值,仍可由各结构设计规范,根据结构的自身特点作出规定,没有规定的可以考虑适当提高其重现期来确定基本风压。对于此类结构物中的围护结构,其重要性与主体结构相比要低些,可仍取 50 年重现期的基本风压。对于其他设计情况,其重现期也可由有关的设计规范另行规定,或由设计人员自行选用,附录E给出了不同重现期风压的换算公式(实际上附录E给出的是不同重现期的风压值表, 不是换算公式) 。
对于风敏感,《高规》和《高钢规》均有体现:
1) 《高规》 4.2.2 中规定:基本风压应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 的规定采用。对风荷载比较敏感的高层建筑, 承载力设计时应按基本风压的 1.1 倍采用。
2) 《高钢规》 5.2.4 中规定:基本风压应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 的规定采用。对风荷载比较敏感的高层民用建筑,承载力设计时应按基本风压的 1.1 倍采用。
高层钢结构和高层钢筋混凝土结构,均以高度大于 60 m 为考虑风敏感的判断标准。
3.4 关于连乘
风荷载的计算式共两个:
1) 体结构: wk = βzusμzw0 ;
连乘的系数为: 风振系数 × 高度变化系数 ×体型系数 × 风敏感系数
2) 护结构: wk= βgzus1μzw0 ;
连乘的系数为: 阵风系数 × 高度变化系数 ×局部体型系数
由《荷载规范》的条文解释可知:
1) 风振系数和风敏感系数,只有对需要考虑风压脉动的结构才存在连乘的问题;
2) 阵风系数和风敏感系数不存在连乘的问题。
3.5 关于门刚
1) 《门刚规范》的适用范围为 “高度不大于18 m” ,所以《门刚规范》适用范围内的门刚,均无需考虑风压脉动的影响,也就与《通用规范》的“风荷载放大系数 1.2”无关,也就不存在连乘的问题了。
2) 《门刚规范》中主体结构的风荷载系数 1.1 是风敏感系数,等于基本风压按重现期为 100 年取值。
3) 《门刚规范》中围护结构的风荷载系数,也就是《荷载规范》中的阵风系数,统一取为 1.5,小于《荷载规范》和《通用规范》。但是,门刚结构具有明显的自身特点,体型系数、侧移限值、围护构件挠度限值等都自成一派,且屋面和墙面负风压都比《荷载规范》 大得多。所以说,要不要将门刚的 1.5 再加大, 我们无法揣测, 静等《门刚规范》修订时明确。
表 2 《门刚规范》和《荷载规范》体系系数对比
作者：
张利军(北京交大建筑勘察设计院有限公司)
邹安宇(天津大学建筑设计规划研究总院有限公司)
本文刊登于《钢结构（中英文）》2022年37卷第6期，71-73页。