【摘 要】本文主要介紹工業(yè)廠房中常見的敞開式屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的計算和相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的考慮
【關(guān)鍵詞】屋蓋；風(fēng)荷載；風(fēng)振系數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
1 概述
風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，近年來隨著全球氣候變暖的加劇，風(fēng)災(zāi)更加頻繁和嚴(yán)重，這對于我們的工程建設(shè)也提出了更高更廣泛的要求，要求我們的工程師在未來的工程設(shè)計中更加重視和認(rèn)真考慮風(fēng)的影響，在工程實施過程中作出更加可靠和合理的應(yīng)對，減輕和避免風(fēng)災(zāi)造成的危害。
在現(xiàn)代工業(yè)廠區(qū)中大量存在敞開式的大型屋蓋結(jié)構(gòu)，例如罐區(qū)頂蓋、露天倉庫、裝卸站臺等等。以上這些屋蓋結(jié)構(gòu)一般都是以輕鋼結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)自重很輕，一般屋面恒荷載為0.2～0.3kN/m2，活荷載為0.3～0.5kN/m2，設(shè)計荷載較小，而對于眾多風(fēng)荷載較大的地區(qū)，由于結(jié)構(gòu) 自身剛度較小，一般結(jié)構(gòu)自振周期都大于0.25S，因而在風(fēng)荷載作用下的振動作用明顯，而且隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增長，風(fēng)振也隨著增強(qiáng)，這就使得此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載由于風(fēng)振的影響而比一般結(jié)構(gòu)增加許多，因而使得很多此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計中風(fēng)荷載成為設(shè)計荷載的主導(dǎo)，風(fēng)荷載的大小決定了荷載的量級，左右了最終設(shè)計結(jié)果。因此在設(shè)計中對于風(fēng)荷載的準(zhǔn)確計算變的非常重要，由于恒活荷載是相對固定的，因此根據(jù)風(fēng)荷載的分布調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，使最終設(shè)計成果得到優(yōu)化也成為可能。
2 開敞式屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的計算
本文以某工程為例，18米跨度的對稱雙坡屋蓋結(jié)構(gòu)，檐底標(biāo)高9米，屋面坡度0.1，柱距6米，本文以某屋面恒荷載0.2kN/m2，屋面活荷載0.5kN/m2，基本風(fēng)壓0.6kN/m2，地面粗糙度類別A類，風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.38。
風(fēng)振系數(shù)的計算，初步計算采用STS軟件，假定風(fēng)振系數(shù)為1，其他系數(shù)按默認(rèn)值計算，得到初步的梁柱尺寸和相應(yīng)的基本自振周期，梁柱取HN400×150，第一振型周期為1.043秒，根據(jù)荷載規(guī)范7.4.2近似計算風(fēng)振系數(shù)
ω0T? = 1.38×0.6×1.043? = 0.9
ξ = 2.495
υ = 0.78
φz = 1.0
βz = 1+2.495×0.78×1.0/1.38 = 2.41
可見屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載比普通結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載由于風(fēng)振的影響增加了1.41倍，影響可觀。
前后屋面的體型系數(shù)分別為-1.3和-0.7
前后屋面的風(fēng)荷載值為
前屋面W1=1.38×2.41×1.3×0.6×1.05=2.67 kN/m2
后屋面W2=1.38×2.41×0.7×0.6×1.05=1.43 kN/m2
風(fēng)荷載值遠(yuǎn)大于屋面的恒荷載與活荷載，結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制組合為恒+風(fēng)的組合，荷載方向向上，剛架梁下翼緣受壓，剛架梁的整體穩(wěn)定問題也要著重考慮。
3 開敞式屋蓋結(jié)構(gòu)考慮風(fēng)荷載的優(yōu)化
眾所周知，眾多科技領(lǐng)域中凡是與大氣氣流作用相關(guān)的科技無不與相關(guān)成品的外形有關(guān)，從龐大的航天器到纖細(xì)的導(dǎo)彈，從風(fēng)馳電掣的F1賽車到奧林匹克運(yùn)動會上的高科技運(yùn)動衣，外形改變了氣流，也從根本上決定了氣流作用的特性。也因此改變外形也就成了改變氣流作用的關(guān)鍵，F(xiàn)1賽車的外形的每一次改動無不與此相關(guān)。我們的工程領(lǐng)域同樣如此，無數(shù)科技都被應(yīng)用到建筑外形的研究，以適應(yīng)日益暴躁的地球氣候。在我國越來越多的大學(xué)開始建設(shè)自己的建筑風(fēng)洞用來研究風(fēng)荷載對建筑的作用和影響。當(dāng)然，這里的只言片語只是為在我們行業(yè)了解和應(yīng)用尚不廣泛和深入的風(fēng)工程科技的進(jìn)一步應(yīng)用起一個拋磚引玉的作用，風(fēng)工程的領(lǐng)域?qū)拸V，尤其在建筑工程中的應(yīng)用的研究還不是非常深入，尤其與航空領(lǐng)域相比，相信今后這方面會越來與深入和廣泛。
此處仍以上述工程為例，由上面的計算可知，輕型屋蓋結(jié)構(gòu)由于其自身固有的結(jié)構(gòu)特質(zhì)的原因，自重輕，自身剛度小，結(jié)構(gòu)基本自振周期長，在風(fēng)荷載作用下的振動影響顯著，所以有必要在以其固有特點為前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低風(fēng)荷載的作用影響，從而減小風(fēng)災(zāi)危害，降低建設(shè)成本。
由于輕型屋蓋自身剛度和周期特性為固有特性，因此只能從其他角度著手，從風(fēng)荷載的計算公式中我們可以看出，屋蓋的風(fēng)荷載體型系數(shù)是唯一能夠方便進(jìn)行調(diào)整的因素，而屋蓋的風(fēng)荷載體型系數(shù)是由屋蓋的坡度決定的，通過調(diào)整屋蓋的坡度來降低風(fēng)荷載作用是唯一的明顯的道路，同時也是一條有效的道路，下面我們就此展開詳細(xì)論述。
從荷載規(guī)范表7.2.1的第27項B項可知，四面開敞的雙坡屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)隨著屋面坡度的變化有一個從負(fù)到正的方向的變化，對屋面坡度進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)荷載組合的變化以盡量降低風(fēng)荷載的影響。由于其他荷載方向均為向下，而且都是固有荷載，按荷載組合來看，應(yīng)當(dāng)把風(fēng)荷載作用方向調(diào)整為向上，并且把風(fēng)荷載的作用值控制在與其他荷載進(jìn)行組合時的荷載效應(yīng)不超過其他無風(fēng)荷載的荷載組合的效應(yīng)。下面就以前述的工程為例，調(diào)整屋面坡度以滿足上述設(shè)計要求。
已知：屋面恒荷載DL=0.2kN/m2，屋面活荷載LL=0.5kN/m2，前屋面風(fēng)荷載值W1=2.67kN/m2，后屋面風(fēng)荷載值W2=1.43kN/m2，此時的屋面坡度α≤10°，根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合公式，在恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載作用下的荷載組合如下：
�。�1）1.35恒+1.4×0.7活
1.2恒+1.4活
1.0恒+1.4活
�。�2）1.2恒+1.4風(fēng)
1.0恒+1.4風(fēng)
�。�3）1.2恒+1.4活+0.6×1.4風(fēng)
1.0恒+1.4活+0.6×1.4風(fēng)
（4）1.2恒+1.4風(fēng)+0.7×1.4活
1.0恒+1.4風(fēng)+0.7×1.4活
由以上荷載組合可知，方向向下的最大荷載組合為1.2恒+1.4活方向可能向上的就是1.0恒+1.4風(fēng)，以本工程為例，要使1.2恒+1.4活=1.0恒+1.4風(fēng)，1.2×0.2+1.4×0.5=-0.2 +1.4W，W=0.67kN/m2由上可知，要使風(fēng)荷載影響降低，應(yīng)使Wmax ≤0.67kN/m2
以風(fēng)荷載最大的屋面為例計算，
-0.67=1.38×2.41×μs ×0.6×1.05 μs = -0.32
按荷載規(guī)范表7.3.1的27款的公式計算
�。�30°-10°）/（1.6+1.3） = （α-10°）/（1.3-0.32）
α= 17°
由上可知，要使風(fēng)荷載的影響降至最小，可將屋面坡度調(diào)整為17°左右。
以上計算非常簡略，因為由于實際工程中，風(fēng)荷載的作用的度量非常復(fù)雜，要使實際工程結(jié)構(gòu)能夠基于風(fēng)荷載的考慮進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化，需要通過軟件進(jìn)行反復(fù)的試算和調(diào)整才能得到更加合理的結(jié)構(gòu)方案，本文僅在于為當(dāng)前設(shè)計者提供一個新的設(shè)計思路，為將來在實際工程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有益的幫助，考慮風(fēng)荷載作用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更有待將來的工程設(shè)計進(jìn)行檢驗和論證
參考文獻(xiàn)：
[1]沈祖炎 等，《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》，北京：中國建筑工業(yè)出版社
[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》
[3]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》
