双拱柱面网壳结构风荷载设计取值分析

覃琴 周一平

【摘要】双拱大跨度网架屋盖结构由于体表为复杂曲面，其风荷载的确定也比较复杂，按目前的建筑荷载规范无法提供该结构的准确风荷载。另因甲方工期紧，亦无法花大量时间去作风洞试验提供模拟数据。对于无相关数据参考的情况下，此类结构的风荷载设计取值只能以《建筑结构荷载规范》相应风荷载体型系数为基准，同时参考文献资料综合考虑。对于不利部位适当增大风荷载系数，对重点及薄弱部位从结构上予以加强。

【关键词】双拱;屋盖;风荷载

大跨度柱面网壳结构是工程中一种常见的结构形式，广泛用于各类大跨度空间结构，但双拱柱面网壳结构形式工程上采用的比较少，可参考的相类似工程资料也非常有限，尤其是做了风洞试验的数据更难找到。双拱柱面网壳结构对风荷载尤为敏感，在此结构设计中，风荷载为主要控制荷载，所以对风荷载各系数的取值也非常重要。由于该结构外表面为曲面，风压分布及三维空间特性都较为复杂，且该结构通常位于风速变化大的山谷和江河地段。由于目前的建筑荷载规范无法准确提供该结构的风荷载体型系数，为了保证结构安全，对于双拱柱面网壳结构的风荷载取值，我们在设计过程中也进行了多次验算对比及复核。

本文以文献[3]罗尧治《大跨度储煤结构—设计与施工》和文献[4]《双拱大跨屋面结构风荷的数值模拟研究》为参考，以《建筑结构荷载规范》为基准，进行了多种风载体型系数取值的计算对比。

1、工程概况

本项目位于安徽省池州市，结构长437m，宽145m，高43.5m。采用双拱大跨度柱面网壳结构体系，双拱跨度分别为71.5m和65.5m，拱高最高分别为41.2m和39.2m，两跨支座间隔8m，矢跨比分别为0.576和0.598，计算模型见图1，结构平面布置见图2，项目所处地段见完工后项目现场图3。由于大跨度网壳结构属于对风荷载敏感的结构，风荷载是控制结构设计的关键荷载因素。并且双拱大跨度结构外表面风荷载体型系数与结构外形密切相关，受结构矢跨比影响较大，现行《建筑结构荷载规范》中的相关规定不能满足该结构的设计要求，无法得到合理的体型系数，需设计人员对各风荷载取值参数进行充分把握。

2、风荷载各数据取值考虑思路

2.1基本风压、风压高度变化系数及风振系数的取值

双拱柱面网壳结构对风荷载比较敏感，《空间网格结构技术规程》对基本风压的取值未做特殊规定，但根据本项目结构自身特点，其基本风压的取值设计中适当提高，故按100年重现期的风压取值0.45KN/㎡。本项目位于四面环山的乡村，地面粗糙度为B类，地形条件属于山间盆地，其风压高度变化系数的修正系数η按荷载规范第8.2.2条取值是在0.75～0.85之间选取，考虑到本项目的特殊性，其修正系数η仍按1考虑，不修正减小。

本结构跨度较大，自重较轻，结构基本自振周期T≥0.25s，由风引起的结构振动比较明显，因此设计中应考虑风振的影响。本结构风振响应的计算方法采用了基于振型分解原理的频域分析法，计算过程中考虑了25个振型的影响。根据一些文献参考的理论研究计算，发现风振计算结果影响最大的为前10阶振型，而10阶以上的振型影响相对较小，所以本结构考虑25个振型的影响，其风振系数计算取值比较充分可靠。

2.2按单拱考虑风荷载体型系数的取值

本项目为双拱柱面网壳结构，基本无相关可靠的风荷载体型系数取值可参考。为保证结构安全可靠，两拱的风荷载体型系数分别按单拱取值。

2.2.1迎风面沿拱跨度方向风荷载体型系数的取值

在来风方向平行于结构跨度方向的风荷载体型系数，《建筑结构荷載规范》表8.3.1风荷载体型系数第3项次进行了明确规定，本结构按封闭式落地拱形屋面的体型系数取值，具体详见图4所示。其山墙面的风荷载体型系数按表8.3.1第2项次均取-0.7。

2.2.2迎风面沿山墙方向风荷载体型系数的取值

当来风方向垂直于拱跨度方向时，迎风面及背风面的风荷载体型系数，按《建筑结构荷载规范》表8.3.1第2、3、4项次综合考虑，迎风面取0.8，背风面取-0.5。平行于结构纵向的体型系数取值参考罗尧治《大跨度储煤结构—设计与施工》书中所提供的英国荷载规范的数据取值，详见图5。

2.3按双拱考虑风荷载体型系数取值的对比

2.3.1按《建筑结构荷载规范》取值风荷载体型系数

对于来风方向平行于结构跨度方向和垂直于结构跨度方向两种情况下的风荷载体型系数取值，均按《建筑结构荷载规范》表8.3.1第3、4、19、24项次综合考虑。因结构拱高约43.5m，两拱支座间隔约8米，两拱之间的体型系数的影响取值参考荷载规范表8.3.1第19项次的（a）和（b），两拱之间的尺寸关系符合S/H≈0.2的情况，具体取值详见图6。

2.3.2按参考文献[4]《双拱大跨屋面结构风荷的数值模拟研究》取值风荷载体型系数

参考文献《双拱大跨屋面结构风荷的数值模拟研究》一文中对于双拱屋盖结构进行了风荷载数值风洞模拟分析研究，给出了可供工程设计时参考的风荷载体型系数，具体见图7。

结语：

本文对以上几种风荷载取值的情况进行了计算分析，根据计算结果对比，双拱分别按单拱的情况取值风荷载体型系数，其计算结果为最不利情况。为确保结构的安全可靠，对其他工况下的荷载取值也进行了充分的考虑，其中对结构薄弱及重点部位进行了加强设计。对于双拱柱面网壳结构的风荷载设计取值，实际工程中还是建议按照《建筑结构荷载规范》的要求根据风洞试验或类似工程的试验结果选用，只有有了准确的风荷载取值，设计人员才能更可靠的保证结构的安全使用性能。

参考文献：

[1]GB50009-2012建筑结构荷载规范

[2]JGJ7-2010空间网格结构技术规程

[3]罗尧治.大跨度储煤结构—设计与施工 [M] .北京：中国电力出版社，2007.

[4]李晓润，吴昌栋，李悦，陈水荣.双拱大跨屋面结构风荷的数值模拟研究[J].工业建筑，2011，41（8）

[5]高博青，董石麟，童建国.台州电厂干煤棚折线型网状筒壳的风洞与模型试验研究[J].空间结构，1996，2（1）：54-62.

[6]秦云，张耀春，王春刚.数值风洞模拟结构静力风荷载的可行性研究[J].哈尔滨工业大学学报，2004，36（12）：1593-1597.

作者简介：

覃琴（1980-），女，土家族，湖南省张家界市，本科，工程师。主要从事：钢结构设计;

周一平（1961-），男，土家族，湖南省长沙市，本科，正高级工程师，主要从事：房屋建筑结构及工业建筑结构设计、工程监理、工程检测、工程全过程咨询等工作。