美国规范风荷载浅析及计算_刘刚.pdf

钢结构 年第期第 卷总第 期 美国规范风荷载浅析及计算 刘 刚 上官 晓军 （ 中南电力设计院， 武汉 ； 中冶建设高新工程技术有限公司， 北京 ） 摘 要：美国规范作为世界主流标准之一， 被越来越多的涉外工程所要求采用。以算例为基础， 针对美国建筑最小 荷载规范 中的风荷载进行分析和研究， 以期对采用美国规范的涉外工程有所帮助。 关键词： 美国规范； ； ；风荷载；样板法规 （ ， ， ； ， ， ） ： ， ： ； ； ； ； 第一作者： 刘刚， 男， 年出生， 高级工程师， 一级注册结构工 程师。 ： 收稿日期： 与中国规范体系有所不同， 美国规范体系呈金 字塔结构。经过十多年的过渡， 位于美国建筑规范 顶端的样板法规（ ） ， 已经由 （ ） 、 （ ） 和 （ ） 发展为现在 的 （ ） 。 美国建筑样板法规 中不同部分的内容， 均 分别引自美国各领域的权威协会出版的公认标准 （ ） 。美国这些众多的协会， 为 上层样板法规提供了丰富的基础性标准文件， 构成 了坚实的美国规范体系。譬如， 的常规风 荷载的设计内容， 引自 （ ） ， 即“ 美国土木工程师学会” 的出版 物 （ 以下简称“ 规范” ） 。因此， 本 文就 的风荷载内容作简单分析， 并通过范例来帮助工程设计人员理解并应用于实际 工程。 设计方法 在风荷载的设计方法上， 中国规范主要为单一 常规设计方法， 风洞法作为特殊情况的补充。英国 风荷载规范 分为两种： 标准法和定向 法， 美国规范分类则更加合理些， 规定建（ 构） 筑物设 计风荷载根据不同条件， 按下列种方法设计。 简化法 对具有简单横墙， 各方向大致对称， 屋顶为平屋 顶、 人字屋顶或四坡屋顶， 屋顶的平均高度不超过结 构平面最小尺寸与 （ ， ） 的较小者， 且风作用下不会引起特殊动力效应的刚 性建筑物（ 自振频率不小于 ） ， 常用此种简化方 法确定风压。 分析法 当建（ 构） 筑物的风荷载不满足简化方法的设计 条件时， 若建筑物或结构形状规则， 且结构反应特性 不会使其受到涡旋脱落、 振颤等不稳定因素的影响， 也无需考虑风槽等特殊场地， 就可以使用分析法来 计算风荷载。 风洞法 适用于所有建（ 构） 筑物， 不过需要进行模型试 验， 因此， 本文只对简化法和分析法做简单分析， 风 洞试验法这里不做讨论。 设计步骤 简化法 ） 根据规范图确定基本风速（ 或由业主 标准与规范 （） ， ， 提供） ， 并假定风可以沿任意方向。规范 节中 还包括一些条文， 用于一些特殊风区、 山地和峡谷地 区。 ） 根据规范表确定建（ 构） 筑物的分类， 然 后由表确定风荷载作用下的重要性系数。 ） 根据规范 节确定地面粗糙度类别（、 ） 。） 由规范图确定风压高度和粗糙度调整 系数。） 根据规范 节及图确定地形系 数 。） 由规范图确定地面粗糙度类别为、 高度为 、 重要性系数 时的简化设计风 压 。 对于低矮且有简单横墙的建筑， 其主要抗风体 系 （ ） 的简化设计风压由下列公式确定： （ ） 式中： 表示水平和垂直作用于建筑表面的净压力 （ 内、 外风压之和） 。对水平方向， 是上风向和下风向 的净压力之和。 分析法 ） 根据规范 节确定基本风速（ 或由业 主提供） 及风向因子。 ） 根据规范 节确定风荷载作用下的重要 性系数。 ） 根据规范 节对每个风向确定地面粗糙 度类别（、 、） ， 并确定风速压力暴露系数 或。 ） 根据规范 节及图确定地形系数 。 ） 根据规范 节确定阵风影响系数或 。 ） 根据规范 节确定封闭类别（ 全封闭、 部 分封闭、 开敞式） 。 ） 根据规范 节确定内 部风压 系数 。 ）根据规范 节或 节确定外 部风压系数或 ，或风压系数。 ） 根据规范 节确定风速压力或。 在高度处的风速压力由式（） 计算（ ） ： （ ） （ ） （ ） （ ） ） 根据规范 节或 节确定设计 风压或设计风荷载，设计风压由下列公式给 出： 对各种高度的刚性建筑 （ ）（ ） 对柔性建筑物 （ ）（ ） 对低矮建筑物 （ ）（ ） （ ） 其中： 对迎风墙， 在地面以上高度处， ； 对背 风墙、 侧墙和屋顶， 在高度处， ； 对周围被建 筑物包围的迎风墙、 侧墙、 背风墙和屋顶， ； 对部分封闭的建筑， 计算负内压时， ； 对部分 封闭的建筑， 计算正内压时， 。对开敞式建筑 和其他结构， 设计风荷载由下式确定： （ ） 式中： 为质心面积在高度处的风速压力； 为垂直于风向的受风面积。 算例分析 考虑到篇幅原因， 这里仅就横向风作用下， 规范 中的主要抗风体系（ ） 进行算例分析。另 外， 由于规范中表格均为英制单位， 为了方便起见， 算例也采用英制单位。 简化法 输入条件 基本风速 （ ） ； 地面粗糙度类别； 非飓风区平坦地形； 全封闭、 类、 刚性建筑。建筑外形尺寸见图。 图 建筑外形及受风区域示意 计算过程 ） 根据非飓风区、类建筑， 由规范中表 查得重要性系数 。） 屋面角度 ，建 筑高度取檐口高度为 ， 地面粗糙度类别 ， 查图 得风压高度和粗糙度调整系数 。 ） 根 据基本风速 、 平屋面， 查图得各受 风区简化设计风压 （ 表 ） 。） 由于地形平坦， 不 满足规范规定的风加速效应条件， 取地形系数 刘 刚： 美国规范风荷载浅析及计算 钢结构 年第期第 卷总第 期 。） 由简化设计风压公式 得各受 风区设计风压值（ 表） 。 表 各受风区简化设计风压值 水平风压 ? 垂直风压 ? 注： 。 表 各受风区设计风压值 水平风压 ? 垂直风压 ? 值得注意的是， 美国规范将各受风面（ 包括屋面 和侧墙） 细分为若干风压区， 不同分区采用不同的风 压系数， 这点与英国风荷载规范 相同， 更接近于真实情况。中国规范则没有这方面的考 虑。 分析法 输入条件 基本风速 ； 地面粗糙度类别； 非飓 风区平坦地形； 轴对称山坡（ ） 。地貌特征见图， 建筑物尺寸同图。 注：为相对于迎风面地形的山坡或悬崖的高度； 为山坡或悬崖高度一半对应的迎风面地形长度； 为建筑物至坡顶的水平距离。 图 建筑物地形示意 计算过程 ） 根据非飓风区、类建筑， 由规范中表 查得重要性系数 。 ） 查规范表可得风向因子 （ 该 因子仅用于规范 节和 节规定的荷载组合 中， 其他情况下， 该因子取 ） 。 ） 根据地面粗糙度类别、 低矮建筑， 查规范表 可得风速压力暴露系数 。 ） 地形系数 （） ， 由 ，轴对称山坡条件， 查规范图 得： （ ） （ ） ） 风速压力 。 ）刚性建筑阵风影响系数取 。 ） 查规范图可得内部风压系数 。 ） 由 ， 风向垂直于屋脊且屋面坡 度 ， 根据规范图查得建筑各受风面外部 风压系数值如图所示。 注： 括号内数值为风压系数， 为无量纲。 图 各受风面风压系数及风压方向示意 为了考虑建筑物内部风压影响， 美国规范引入 了内部风压系数， 对有孔洞、 门窗的开敞式建筑产生 的内部风压， 作了详细的分析和规定， 这点与英国规 范一致。中国规范仅在验算围护构件及强度时， 出 于安全考虑， 参照国外规范规定了 的内表面 局部风压体型系数， 对于主抗风体系的风荷载设计， 则没有引入该系数。 ） 由所有高度的刚性建筑设计风压公式： （ ） ，可得各受风面设计风压值见表。 值得注意的是， 在基本风速的时距上， 美国规范 为， 中国规范为 ， 在相同条件下若采用中国 规范计算风荷载， 必须对基本风速进行时距的转换。 （ 下转第 页） 标准与规范 （） ， ， 在轴力和弯矩共同作用下， 试件发生全截面 屈服破坏， 不同参数组合对试件的耐火性能有重要 影响。由于厚度方向的热梯度， 柱弯矩相应增大； 而 由于截面弯曲中心的变化， 弯矩减小。热梯度同样 影响轴力和弯矩组合塑性抵抗矩， 如沿柱长度最热 处的临界截面， 此处弯矩最小（ 并不是直观认为的最 大值） 。试验与计算模型在预期要求（ 如弯矩减小） 和承载力（ 如塑性承载力变化） 方面吻合很好。 关键词： 耐火； 钢； 梁柱节点； 热梯度 辊弯曲宽翼缘构件残余应力 的有限元模拟 ， ： ， ， ： ； ； ； ； ， ， （） ： 摘 要： 弯曲宽翼缘钢构件常用于建筑和桥梁中， 并 在室温下通过辊弯机进行弯曲。辊弯过程改变了构 件残余应力分布， 可能影响拱构件的弹塑性屈曲性 能。考虑材料非线性、 几何非线性及接触， 进行数值 模拟， 分析辊弯过程中弯曲宽翼缘构件的残余应力。 将模拟结果与试验结果进行比较， 结果表明： 下翼缘 吻合很好， 上翼缘吻合较好， 腹板吻合一般。结果证 明有限元分析方法可用于研究辊弯曲宽翼缘构件的 残余应力。 关键词： 残余应力； 曲钢； 辊弯曲； 有限元分析； 塑性 变形 （ 上接第 页） 表 各