钢结构的风荷载体型系数的选取与应用

李冰冰

（广东省轻纺建筑设计院有限公司，广东广州 510080）

0 前言

风和地震为建筑物破坏的两大灾害源。对于钢结构而言，因其自重轻，刚度小，阻尼小，故风荷载对其的影响程度更为显著。结构的体型复杂程度越来越大，而荷载规范中[1]给出的风压体型系数的建筑类型有限，为设计工作带来困扰。故众多学者专注于体型系数的研究，孙一飞[2]等以某干煤棚为模型，进行缩尺模型的测压试验，研究全封闭和半封闭两种状态在各风向角下的体型系数分布规律，得出结论，半封闭状态下，主体结构在某些风向角下承受更大的力矩；围护结构的各分区极值风荷载都较大。郑建建[3]利用数值分析研究架空钢连廊的体型系数，此类结构荷载规范中没有明确给出体型系数，其参照类似体型，进行各风向角下的模拟分析，给出0°角为最不利工况，且给出了各个表面可供参考的分区体型系数。聂少峰[5]等对“L”型和“T”型低矮房屋进行了风洞试验研究，并与传统的“一”型低矮双坡屋面的风载体型系数进行对比分析，得出结论，在30°坡度时，屋面迎风面平均风压系数呈环状分布的特性；背风面与“一”型房屋体形系数规律有一定的相似性，同时要考虑各面间相互干扰造成的增大系数。高鸣[6]等根据两个体育场馆的风洞试验分析，给出设计建议，对于光滑屋面，风载体型系数从-2.0，经-1.60过渡到-1.2，同时要考虑负压的影响。

风荷载的影响频率较地震的高，并非所有的工程都会有风洞试验的机会，因此规范还是目前进行设计工作的主流依据。但是不同设计工作者对于规范条文的理解程度不同，实际工程中的运用就会存在一定的偏差，在此框架内，本文主要针对不同类型的钢结构的体型系数选取给出建议。

1 风荷载体型系数选取的规范依据

在目前，结构设计中有关风荷载的选取，主要的规范依据有文献[1]（以下简称“荷规”）以及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[7]（以下简称“门规”）。门规中有关风荷载的规定适用于高度小于18m，高宽比不大于1的实腹门式刚架和单层轻工业钢结构等低矮房屋。

荷规中风荷载标准值计算公式为：

其中：式（1）适用于主受力结构；式（2）适用于围护结构，且要考虑建筑物内部压力的局部体型系数。各参数含义详文献[1]。

门规中风荷载标准值计算公式为：

其中：计算主体刚架时β=1.1；计算檩条、墙梁等维护构件及其连接时β=1.5。其余各参数含义详文献[7]。

各公式中的基本风压按照50年重现期选用。当采用式（1）和式（2）时，对于高度大于60m的高层民建筑和高耸结构，钢木主体结构及大雨篷等风荷载敏感结构，承载力设计时风荷载计算可按照基本风压的1.1倍考虑。

2 不同类型钢结构的风荷载体型系数选取

本文针对目前工作中几种典型的钢结构类型给出风荷载体型系数的选取建议。本文中假定各类型的结构所处地区的地面粗糙度类别均为B类，50年重现期的基本风压ω0=0.60kN/m2。

2.1 悬挑雨棚

根据建筑功能的不同，雨棚悬挑长度从1.0~9.0m不等，在此选取常用的6m雨棚作为分析实例。假定某雨棚悬挑6m，屋面坡度5%，钢梁最低点标高5.80m，柱间距为6m，模型简图如图1所示。

图1 悬挑雨棚

有效风荷载面积A=6×6=36m2

按照荷规8.3.3条和8.3.4条，由式（2）知：

2.2 带挑檐的刚架

为满足挡雨和通行的顺利，常有采用悬挑的结构形式，如单车棚，站台雨棚、体育场看台等，本文就图2所示的模型给出风荷载体型系数选取的建议。

钢屋面和立柱的风荷载体型系数按照门规表4.2.2-1的中间区选用；虽雨棚是向下切斜，但其角度只有3.2°，因此按照悬挑雨棚按照荷规表8.3.1项16的-1.4和-0.3选取，同时考虑门规中的主体结构计算系数1.1。

2.3 下部框架上部门刚的结构

为实际生产需要，众多多层钢结构厂房会在顶层抽柱，以形成大空间，屋顶采用轻钢形式，既能满足仓储等功能需要，又节省了造价和施工时间。此类结构形式的处理也是工程中比较复杂的一个问题，在此不做详述，本文仅就图3所示的建筑类型进行风荷载体型系数的选取讨论。

此类结构，经常被采用的方式就是分离式建模，即上部采用门式刚结构形式，单独建模计算，然后将其柱底内力以荷载的形式输入到下部框架模型的相应柱位处。上部门刚按照门规图4.2.2-1进行风荷载系数分区，然后按照表4.2.1-1和表4.2.2-2进行风荷载体型系数的选取，若是常规的结构形式，则按照PKPM计算软件选定的相应类型下的风荷载体型系数即可。下部钢框架则按照荷规表8.3.1项2选择风荷载体型系数，常规为矩形建筑，则按照1.3的体型系数即可。

2.4 高层开敞式建筑

图2 带挑檐的刚架及风荷载体型系数

图3 下部框架上部门刚

高层建筑，无论是混凝土结构还是钢结构形式，都是近年来的主流趋势。对于造型各异的非常规建筑，如广州塔、中原福塔等，均要进行一系列的理论分析及试验。本文仅就开敞式的高层钢结构的形式进行风荷载体型系数的讨论。

图4高层开敞式建筑

图4 的结构形式为工业中较常见到的工作塔/提升塔之类的，虽说四面敞开，但是其楼层布置有众多设备，风荷载是不容忽视的一个设计要素。对于此类建筑，建议按照挡风面积进行风荷载的适当折减。对于PKPM设计软件，则要采用特殊风荷载，挡风系数按照计算的值输入，一般选取在0.4~0.6之间，各侧面的体型系数则按照荷规表8.3.1项2的+0.8、-0.5和-0.7选用，同时注意对于风荷载敏感的结构的适当提高的系数1.1。对于图4的建筑物，可以细化分三段，分别进行挡风系数的计算。

2.5 檩条的风荷载体型系数选取的对比

假定一封闭式矩形平面的双坡钢结构，檐口高度为8.5m，屋面坡度为0.05，柱间距为7.5m，屋面檩条布置间距为1.5m。檩条的有效受风面积 A=7.5×1.5=11.25m2。

（1）按照荷规8.3.3条规定，选定RC和Re区进行计算，则局部体型系数最终选用为-1.4（风吸力）和+0.2（风压力）。按照（式2），则檩条的风荷载标准值为：

ωk+=1.7×（-1.40）×0.85×1.0×0.6=1.22kN/m2（其中 0.85 为按照荷规8.3.4条计算得到的折减系数）。

（2）按照门规表4.2.2-4a和表4.2.2-4b，中间区的风荷载系数分别为-1.08和+0.38。按照（式3），则檩条的风荷载标准值为：

ωk+=1.5×（-1.08）×1.0×0.6=0.98kN/m2

按照门规的图4.2.2-4a的2区和荷规表8.3.3项1的区计算得到同样的规律，即门规的风荷载标准值较小。

3 结语

通过以上简要分析总结，可以得出如下结论：

（1）对于屋面风荷载，门规的风荷载系数大于荷规的风荷载体型系数；对于立柱计算，则荷规的体型系数大于门规的风荷载系数。

（2）对于悬挑雨棚，宜选按照荷规的第8.3.3条，风荷载体型系数为-2.0，且要考虑阵风系数影响。

（3）对于带挑檐的结构形式，则挑檐部分，可按照荷规表8.3.1项16的风荷载体型系数选取。

（4）对于开敞的结构，要按照挡风面积适当的考虑风荷载的影响。

（5）檩条计算，荷规的风荷载体型系数较大。对于低矮房屋，建议选用门规相应的规定，其余建筑，除有特殊规定外，建议按照荷规的相关系数选用。

门规和荷规有关风荷载的计算是有差别的。作者认为门规对建筑物进行了分区处理，该方法与本文所引用文献中的研究结论相同，更加的合理；荷规的风荷载体型系数对于处理稍复杂的结构体型就存在一定的弊端，因其所取值为平均风压，所以对于个别部位，如角部等需要特殊处理，在设计中需要留有足够的富裕度。