风雪荷载作用下轻钢厂房的动力响应分析

(1.苏州科技大学 江苏 苏州 215009；2.华北科技学院 北京 101601)

引言

轻型钢结构厂房与传统的钢筋混凝土工业厂房相比，具有自重轻、造价低、施工周期短等优点，在建筑业和其他行业均有广泛应用，同时也极易受到狂风和暴雪的袭击[1]。2004年第14号台风“云娜”，在浙江省温岭市登陆,使得近300万平方米的厂房倒塌，700多万平方米的厂房严重受损，破坏的厂房中一半以上为轻钢结构[2]；2013年台风“天兔”造成广东省1.6万间房屋受损，直接经济损失198.5亿；2018年第22号台风“山竹”造成5省(区)倒塌房屋1200余间，严重损坏800余间，近3500间一般损坏；2008年的春节期间，江苏、浙江、安徽等21个省市自治区遭受了50年一遇的罕见暴风雪，房屋倒塌48.5万间,因雪灾直接经济损失高达1500多亿元[3]；2018年年初的暴雪导致5省近200间房屋倒塌，400余间不同程度损坏，直接经济损失5.1亿元，位于安徽省六安市金安区皖西大道的一家超市仓库因积雪过多，导致1400多平米仓储用房坍塌。总之，暴风雪带来的经济损失巨大，我国是制造业大国且大部分制造业集聚在东南沿海地区，因此有必要进行轻钢厂房风雪荷载作用下的动力响应分析。

近年来，关于轻型钢结构厂房风雪荷载作用下的动力响应分析，国内外学者已经取得了一定的研究成果。其中，Melysund等[4]通过对挪威的既有建筑在风雪荷载共同作用下进行了分析，提出了建筑的安全性指标。贾连光等[5]针对一轻钢厂房，保持风荷载不变，不断加大雪荷载，采用ANSYS模拟了门式刚架的位移情况。李勰等[6]采用精细的板壳有限元方法对一单层门式刚架工业厂房中的典型刚架在无初始缺陷和有初始缺陷两种情况下、风荷载或雪荷载单独作用下刚架的极限承载力进行非线性分析，获得刚架的抗雪安全系数以及极限状态的破坏模式。

本文以江苏无锡一现有双坡屋面的轻型钢结构厂房为研究对象，采用线性滤波法并结合规范中的风荷载体型系数模拟风荷载，逐步加大雪荷载，采用瞬态分析法得到厂房的动力响应。

一、结构模型

本文研究的厂房建筑平面为165m×30m，由23榀刚架组成，柱距为7.5m，屋面形式为单跨双坡屋面，坡度为1/18.52，屋脊高度13.46m，檐口高度12.65m。基于ANSYS软件，分别建立有无初始缺陷的有限元模型，梁柱选用beam188模拟，支撑选用link10模拟，屋面板和墙面板选用shell188模拟，结构有限元模型图如图1所示。

图1 结构有限元模型

二、风雪荷载模型

(一)风荷载模拟

在模拟厂房的风荷载时，采用线性滤波法中模拟出空间一点的脉动风速时程。基于Davenport功率谱采用AR法编制matlab程序对风速进行模拟，首先把脉动风部分看成是均值为零的高斯平稳过程，基于Davenport风功率谱考虑时间相关性求解风速谱密度函数，生成以时间为序列的脉动风速时程,然后将脉动风和平均风叠加得到风速时程。模拟的平均风速为30m/s，地貌类别选取B类，时间间隔取1s，总时长60s，得到的风速时程曲线如图2。

图2 风速时程曲线

得到这组风速后，根据风速和风压关系，得到这组风速的风压：

式中：r为单位体积的重力，取r=0.012018kN/m3

g重力加速度，取g=9.8m/s2。

结合规范中风载体型系数，计算得到横向风和纵向风分区风压。横、纵向风荷载体型系数分区见图3，图中a为厂房最小尺寸的10%或0.4h中的最大值。并采用线性插值法得到各分区的体型系数，结果见表1。由这组风压和体型系数得到横向、纵向各分区的风压。

图3 风载体型系数

表1 厂房风荷载体型系数

(二)雪荷载模拟

根据现行规范，单跨双坡屋面坡度在20o范围内，可以不考虑雪荷载的不均匀分布。本文分析的轻钢厂房的屋面坡度小于5o，可依据规范直接按均布雪荷载分析。假设屋面为均布雪荷载，保持风荷载不变，分别考虑屋面雪荷载为0、0.1kN/m2、0.2kN/m2、0.3kN/m2、0.4kN/m2、0.5kN/m2和0.6kN/m2等七种工况。

三、数值模拟分析

结构的动力响应取决于结构自身的特性以及输入的风荷载和雪荷载，在结构有限元模型上分别施加横向风和纵向风两种雪荷载和7组不同大小的雪荷载组合工况，对结构进行动力时程分析。选取左柱柱顶、右柱柱顶以及跨中三个位置节点的竖向位移来反映结构的位移响应。

图4 不同风向作用下各刚架最大位移曲线

图5 不同雪荷载作用下最大位移

图4给出了不同风向角作用下刚架柱各方向节点最大位移曲线。由图4可知：结构在不同风向角作用下各刚架均产生较为明显的变形，各节点位移均表现为中间大两端小的趋势，两端位移响应约为中间端的三分之一。横向风作用下左端所处的体型分区2E和3E的体型系数较大，所以横向风作用下左端位移响应稍大于右端。

刚架最大位移出现在10至13号刚架，所以选择12号刚架来反应结构在有无初始缺陷、不同雪荷载作用下的动力响应。图5给出了结构在不同雪荷载作用下最大位移变化曲线。由图5可知：除纵向风右柱外，结构的位移响应均为雪荷载的增加而近似线性增大；考虑初始缺陷情况下，横向风和纵向风作用下结构的位移响应均有一定程度的增加；受风载体型系数影响，叠加雪荷载后，纵向风作用下右柱位移响应随雪荷载作用下先减小后增大。

四、结语

本文以一轻钢厂房为研究对象，对其进行风雪荷载作用下的动力响应分析，主要结论有：

(1)纵向风较横向风更为不利，在抗风设计时可依据盛行风向选择结构合适的朝向；

(2)引入初始缺陷后，结构动力响应约增加10%，因此可以判断该轻钢厂房为缺陷不敏感性结构，但在结构设计时仍需引起重视；

(3)该轻钢厂房在风荷载作用下有较好的抗风性，但在较大雪荷载和风荷载同时作用下抗风性能一般，在抗风雪设计时应引起足够的重视。