轻型门刚设计中风荷体型系数取值及适用标准讨论.doc

轻型门刚设计中风荷体型系数取值的适用标准讨论【摘要】本文针对门刚设计中荷载规范GB50009与门刚规程CECS102风荷载体型系数取值不同的问题，从现行荷载规范关于体型系数的确定原则、体型系数的来源背景分析及低矮房屋在风荷载作用下所具有特征， 阐明荷载规范GB50009表7.3.1中体型系数应用于低层轻型门式刚架设计的局限性以及采用 CECS102体型系数的合理性。【关键词】轻型门式刚架钢结构，门刚规程CECS102，荷载规范GB50009，风荷载体型系数，风洞试验1.前言：门式刚架轻型钢结构房屋与普通单层钢结构或混凝土结构房屋相比，具有自重轻、施工周期短、适用范围广及综合经济效益好等特点，近十多年来特别是我国第一部门刚规程CECS1021 颁布以来发展较快，已成为一般荷载条件下较大跨度房屋首选的结构型式。但正是因为其自重轻，对风荷载较为敏感，抗风设计就成为轻型门式刚架钢结构房屋的关键内容。在风荷载计算中，体型系数s是一个重要参数，其取值是否合适，关系到风荷载组合效应值的合理性、门刚构件及连接设计的安全可靠性。 目前关于低层轻型门式刚架体型系数取值的问题存在较大争议，主要是因为门刚规程CECS1021与荷载规范GB500092两个标准中同一部位体型系数s差异较大，如表1所示，该取哪个标准的体型系数用于设计观点不同。表1封闭式双坡屋面中间区体型系数比较表标准编号条目迎风墙 面迎风屋面背风屋面背风墙面GB500097.3.1条0.80-0.6-0.5-0.5CECS102A.0.2条0.25-1.0-0.65-0.55由于CECS102为协会标准，GB50009为国家标准，就标准的执行排序上，后者所规定的体型系数在一般情况下更具优先权，但前者明确适用于低层房屋轻型门式刚架钢结构，显然针对性更强。目前，在门刚设计中两个标准风荷载体型系数并存甚至混用的情况并不鲜见。据悉，即将颁布的新版荷载规范4关于门刚体型系数相关规定与06版2差异不大，并未涉及体型系数在不同标准的选用问题；正在修订的轻型门式刚架标准将升格为国标，其体型系数如何与现行荷载规范协调已经引起了工程界特别是一线设计和审查人员的极大关注。笔者认为，现行门刚规程 1和荷载规范 2关于体型系数的规定，各有其特定的编制背景和适用范围。本文试图通过现行荷载规范关于体型系数确定原则、两个标准体型系数的取值来源背景分析及风荷载作用下低矮轻型门刚房屋所具有的特点，阐明现行荷载规范GB50009表7.3.1中体型系数用于轻型门式刚架设计的局限性和采用 CECS102体型系数的合理性。2.现行荷载规范确定体型系数的基本原则根据现行荷载规范2第7.3.1条说明对风荷载体型系数的描述，其是风作用于建筑物表面引起的实际压力（或吸力）与来流风速度压的比值，是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。由于它涉及的是关于固体与流体相互作用的流体动力学问题，对于不规则形状的固体，无法得出理论结果，一般应由试验确定，目前只能采用相似原理，在边界层风洞内对建筑模型进行测试。荷载规范同时指出，表7.3.1列出的各类建筑物的体型和体型系数，是根据国内外的试验资料和国外规范中建议性规定整理而成，表中的系数是存在局限性的，强调了应将风洞试验作为抗风设计辅助工具的必要性。基于以上原则，规范第7.3.1条正文对房屋和构筑物的风载体型系数是这样规定的：“（1）与表7.3.1 中的体型类同时，可按该表的规定采用；（2）与表7.3.1 中的体型不同时，可参考有关资料采用；（3）与表7.3.1 中的体型不同且无参考资料可以借鉴时，宜由风洞试验确定；（4） 对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定。”值得注意的是，在上述体型系数规定的表述中，用词的严格程度差异较大。如当房屋与表7.3.1中的体型系数类同或不同时，用词是“可”按表7.3.1的规定采用或“可”参考有关资料；而对体型不同且无参考资料或重要且体型复杂，用词是“宜”或“应”采用风洞试验确定体型系数。显然，采用边界层风洞试验的提法是严于采用荷载规范表7.3.1的。因此，现行荷载规范除明确指出体型系数与建筑物体型、尺度及所处环境粗糙度密切相关外，还特别强调了确定体型系数的基本原则采用边界层风洞试验确定体型系数为最优先级别。3.现行荷载规范表7.3.1体型系数来源及局限性分析纵观我国荷载规范历史沿革，经历了建国初期引入苏联标准为主的结规1-546和结规1-587、第一本我国自主完成的TJ9-748、基于概率极限设计的先进标准GBJ9-879及GB50009-20012等过程。门式刚架所对应的封闭式双坡屋面体型系数如表2所示，可见早期荷载规范结规1-54、58版及TJ9-74版体型系数值存在差异，87版及现行荷载规范仍沿用与74版相同的体型系数，即现行荷载规范表7.3.1双坡屋面体型系数至今已使用了近四十年。表2 各阶段荷载规范封闭式双坡屋面体型系数一览表 区域标准编号迎风墙面迎风屋面背风屋面背风墙面结规1-54+0.8-0.8-0.4-0.4结规1-58+0.8-0.5-0.4-0.6TJ9-74+0.8-0.6-0.5-0.5GBJ9-87+0.8-0.6-0.5-0.5GB50009-2001+0.8-0.6-0.5-0.5我国74版荷载规范8对原结规1-587做了较大修订，如当时采用的荷载组合方法和荷载系数的调整、风雪荷载标准值取值和计算的改进及风荷载体型系数的大范围修订等等，首次把原反映建筑房屋表面风压力的系数由原来的“空气动力系数”更改为 “体型系数”。据TJ9-74修订介绍10，修订过程中进行了大量单模型和组合模型的风洞试验，参考了当时国内外资料，在系数的取值上并重考虑钢筋砼设计规范试设计效果，将原结规17风荷体型系数规定的22种扩充至39种，对当时不合理或偏保守的基本体型系数值作了修改，这其中也包括沿用至今的双坡门刚体型。87版荷载规范9第6.3.1条条文说明亦进一步详细描述了该体型各部位s的取值来源，明确是根据我国自己的试验资料并参照设计经验确定的。2001版荷载规范2第7.3.1条首次把风洞试验要求列入条文，而且条文说明明确是采用边界层风洞。文献11对我国荷载规范中体型系数应用存在的若干问题做了综述，指出荷载规范表7.3.1风荷载体型系数的规定，虽然是基于大量风洞试验数据并参考国际规范而得，但由于70年代我国还没有专门的边界层风洞，因此试验是借用航空风洞完成的，受当时试验条件的限制，无论是流场模拟和测试手段都比较落后，因而所得结果存在一定的局限性。虽然改革开放后做了两次大的修订，但与风荷体型系数相关的内容基本没有变化。原因在于我国对风荷载规范进行系统研究工程的投入不足，因而在这方面与先进国家相比还存在差距，尤其在风荷载体型系数方面，比如我国目前用于建筑工程风洞试验的风洞虽有10多个，但修建年代、主要用途不同，风洞流场品质存在较大差异，目前业界还没有一套对风洞品质进行评估的统一规范标准。因此，现行荷载规范规定的体型系数虽已使用了近40年，但采用的是我国早期的航空风洞试验成果，而且主要是针对当时主流的钢筋砼结构，其局限性是显而易见。4.现行荷载规范关于低矮房屋的相关规定在风荷载作用下，低矮房屋具有与一般房屋所不同的特点。由于房屋不高，且高宽比一般小于1，其受地面粗糙度影响明显，围绕房屋周边湍流作用较多复杂，不同区域风压变化较大，反映均匀流的航空风洞试验无法准确得出风压变化规律，必须通过边界层风洞试验才能确定较为真实的风压分布及相关的体型系数。而我国在这方面资料不完备，缺少相关的理论及试验研究资料。因此，现行荷载规范第7.5.1条条文说明指出：“考虑到近地面湍流规律的复杂性，在取得更多资料以前，规范暂时不明确低矮房屋围护结构风荷载的具体规定，但容许设计参照国外对低矮房屋的边界风洞试验资料或有关规范的规定进行设计”。上述条文说明虽然是针对围护结构，但从概念上分析判断，其也适用于主体结构。因为规范给出的体型系数s实际上是某面积范围内的平均体型系数，对维护结构而言s是在一定保证率下的最大值，而对主体结构而言s是维护结构的体型系数在一定保证率下的平均值，轻型门式刚架体系是由钢梁柱主结构和屋墙面檩条面板等次结构组成的，风荷载通过围护结构传至主结构，房屋主次结构之间风压分布规律应该是相互协调且相关的。因此，对轻型门式刚架而言，尽管现行荷载规范对低矮房屋风荷载取值未作具体规定，但明确了可直接引用或借鉴国外资料作为规范的补充。在我国缺乏边界层风洞试验研究的背景下，参照先进国家的设计及试验资料也是符合GB50009规范精神的。5.航空风洞和边界层风洞试验差异分析两本标准关于风荷载体型系数之所以差异较大，其实质是由于风洞试验的方法和手段不同所致。早期风洞实验方法中的风压力的确定是基于空气动力学，其主导思想与航空飞行器实验方法相同，即采用均匀风速（由于在高空，不存在风速变化），将均匀风流作用于建筑模型上获得风压力，即航空风洞试验。实际上，由于地表摩擦作用，风速和风向均会发生变化，尤其风速沿高度变化较大。为了真实地再现低矮房屋周边空气动力特征，丹麦的Jensen12在1958年提出了“风洞中气流的平均风剖面必须与实际风的平均风剖面相似”的相似准则，使得以均匀气流为对象的航空风洞试验方法发生了本质的变化。Jensen首次给出了某房屋在不同粗糙度的边界层风洞内试验资料与足尺模型（full scale）实测资料的对比，其结果表明对不同的粗糙度系数h/zo，房屋各部分的压力系数（体型系数）值Cp差异较大，如图1所示，图中虚线为模型实测结果。显然，不同地面粗糙度所得结果差异较大，靠近地面房屋的实测压力分布及数值与考虑地面粗糙度系数13170的边界层实验结果接近。因此对低矮房屋而言，边界层风洞试验由于考虑了地面湍流的影响，所得出的体型系数比航空风洞试验结果更真实准确。图1 边界层风洞试验与模型实测的比较图航空风洞实验和大气边界层风洞实验模拟湍流差别较大13。前者工作断面尺寸小，应用于土木工程时，为了产生湍流，需在试验断面入口处增设诸如栅格等被动器件，但对于处于大气边界层的低矮房屋，由被动器件产生的湍流过于粗糙，无法满足风洞试验中最基本的相似性要求，而后者具有长的工作断面风洞其典型工作断面尺寸可达2030m，便于自然形成边界湍流，可以较为理想地模拟实际大气来流对房屋的影响。6. MBMA及CECS102体型系数的来源背景世界上几个最大的边界层风洞试验室于1965年建于加拿大西安大略州立大学。1976年至1986年历经十年，美国MBMA协同美国钢铁研究会（AISI）和加拿大钢铁工业委员会在这个风洞实验室首次对低矮房屋和低矮钢结构房屋进行了深入的研究，主要包括应用复杂的压力传感器在风洞内直接测试峰值压力，应用“包络”方法测试风的方向性、地面粗糙度及房屋尺寸的综合影响，应用“气压平均”试验方法区分主次结构及连接件的风压分布等等。可见，试验所得的压力系数（体型系数）对低矮房屋而言具有相当的精度。这些成果包括了封闭式、部分封闭式及敞开式等主次结构不同部位的风荷载数据，且明确用于檐口高度18m以下的低矮房屋。该试验成果首次被载入1986年版的美国金属房屋制造商协会（MBMA）手册，已为多国采用，且已纳入ISO国际标准。由于我国至今尚无关于低矮房屋的边界层风洞试验结果，因此在1999年3月召开的关于CECS102门刚规程风荷载问题专题审查会上作出决议3：“目前我国关于低层轻型房屋钢结构的风荷载，资料尚不完备，为了保证结构安全，风荷载体型系数采用国际上有权威性的美国MBMA规定值”，并且在2002年11月审查CECS102修订稿时，维持了1999年审查决议。CECS102门刚规程体型系数采用的是MBMA低层房屋体系手册（1996）中有关小坡度房屋的规定，即对门式刚架轻型房屋，当其屋面坡度不大于10、屋面平均高度不大于18m，房屋高宽比不大于1，檐口高度不大于房屋最小水平尺寸时，刚架的体型系数按CECS102表A.0.2-15确定。该表是针对门式刚架钢结构房屋设计常遇情况，按照MBMA的建议整理的。7.轻型门式刚架采用CECS102体型系数的针对性和合理性分析如前所述，我国规范GB50001表7.3.1体型系数虽已使用了近40年，但主要是针对钢筋砼结构。早期由于综合国力的制约，钢产量较低，钢结构应有较少，大部分采用钢筋砼结构型式，只有在跨度大吊车吨位或工作级别高且采用砼结构无法满足要求时才采用钢结构。当时主流的排架或框架承重体系（砼柱或钢柱+预应力钢筋砼屋架或钢屋架大型屋面板），其自重大，仅钢筋混凝土大型屋面板自重就达1.5KN/左右，故一般地区屋面风吸力按GB50009第7.3.1条体型系数计算往往不起控制，体型系数所对应的风荷载问题并不突出，设计中一般忽略屋面风吸力的作用。而上世纪90年代初才在我国出现的压型钢板自重仅0.050.07KN/，外加屋面檩条支撑也仅0.15KN/左右，仅为砼屋面自重的1/101/20， 其对风荷载极为敏感，体型系数能否反映真实的风压力分布，关系到风荷载起控制作用的轻型门刚设计的安全可靠性。因此，相比荷载规范GB50009表7.3.1条所具有的局限性，门式刚架钢结构设计采用CECS102体型系数针对性更强，即房屋主体为低矮房屋钢结构、体型系数出自考虑地面湍流的边界层风洞试验，故具有较高的精确度和可靠度。 笔者认为，目前工程界关于门刚设计中CECS102和GB50009体型系数取值之所以出现争议，很大程度是由于没有真正理解两个标准体型系数取值的背景差异以及现行荷载规范关于低矮房屋体型系数确定的基本原则所致。比如笔者在审图中发现部分门式刚架设计仅按荷载规范表7.3.1体型系数所对应的风荷载，或者直接取用两个标准的s较大值进行风荷载计算；有的权威资料或标准图集甚至明确规定应将两个标准的s所对应的风荷载组合效应进行比较、根据跨高比的不同范围进行混用。显然，这些做法缺少依据，是值得商榷的。如前所述，两个标准确定的风荷载体型系数的针对性和试验方法完全不同，各有其特定的背景和条件，所规定的s值不同是完全正常的，只是存在应用于某具体对象中是否合适的问题。本文表1所示的体型系数之所以不同，主要是CECS102取值较为合理考虑了近地面湍流的影响，将整个建筑根据边界层风洞试验的风压分布结果进行了适当分区，合理加大了边缘和角部区域的s数值，且还计入了内风压的不利影响，故CECS102适用于低矮轻钢房屋；而GB50009由于尚未考虑这些影响，其适用于外部气流属平稳均匀流的、房屋较高（如高度大于18米）的一般房屋或高层建筑，将其应用于低矮轻钢房屋不尽合理。因此，将两个没有关联的s所对应的风荷载组合值进行比较毫无意义，门刚设计并不会因为采用了荷载规范表7.3.1体型系数计算风荷载而使结构变得更安全，因为其风荷载分布规律不符合低矮房屋的特点，与实际出入较大；相反对于轻型屋面构件而言，由于考虑地面湍流的CECS102体型系数远大于GB50009,特别是风荷较大的端区部位，采用后者将会给设计留下安全隐患。综上，对低层轻型门式刚架设计而言，尽管荷载规范GB50009表7.3.1为国家标准所列，但由于其数据来源存在局限性，将可能导致与实际不符的风荷载分布进而引起内力误差，是不适用的；而CECS102目前虽为协会标准，但第A.0.2条规定的体型系数的规定更能符合低矮房屋的特点，也是符合现行荷载规范GB50009关于低矮房屋体型系数确定应采用边界层风洞试验的基本原则的，因此与GB50009荷载规范本身并不矛盾，是合理可行的。8.结论现行荷载规范表7.3.1中体型系数的取值所做的风洞试验为均匀流的航空风洞，未考虑低矮房屋的特点，且