结构设计中钢结构风吸力布置及实例探讨

笔记简介

本系列是作者在结构设计过程中发现的问题（包括但不限于软件使用过程中发现的问题）以及设计的总结，作为作者的学习笔记，方便在后续的项目中参考。笔记内容是作者自学相关资料后形成的总结，文中的链接为同行进行的相关研究。

在这个问题上

问题介绍1

在一些工程项目中，除了主体建筑等常规混凝土结构外，还存在门、雨棚等支撑钢结构。这些钢结构占比不大，但一旦存在，就需要与主体结构分离，单独设计。对于常见的该类钢结构，满足竖向荷载下的承载力就足够了，但有时还需要考虑水平地震和风吸力（大跨度悬挑钢雨棚）等荷载的影响。

本文将重点介绍如何在设计软件中布置风吸力，并简单探讨风吸力作用下结构内力情况。需要说明的是，所列举的例子均为简单力学结构，不具有工程代表性，且截面尺寸为随机选取值。

普通钢架示例2

新型单跨钢框架，基本信息如下：

①框架柱截面为□300×300×12×12，框架梁截面为H250×150×8×12，层高4m，柱跨度如图1所示。

图1 钢框架柱跨度示意图（局部）

②考虑钢结构大门或钢结构雨棚的面层一般不采用混凝土，而是采用铝板或玻璃等轻质材料，恒载一般不大，地面一般不踩人，以本工程为例，恒载为1.00kN/m²，活载为0.50kN/m²，如图2所示，基本风压为0.8kN/m²，地面粗糙度为B级。

图2 钢框架恒活载示意图

为了方便比较，同时建立了两个模型，一个基础模型（不考虑风吸力），一个对比模型（考虑风吸力）。

荷载布置及计算分析3

1.在YJK软件中，风吸力是按蒙皮载荷传导来布置的。

（1）布局步骤

①在通用建模模块中搭建好框架并设置好基本参数后，选择“空间结构”模块，点击“参考楼层”按钮，引用需要加载的楼层。本例只有一层，因此直接将起始和终止楼层号都设置为1以供参考，如图3所示。

图3 步骤1.①

②选择“蒙皮”按钮下的“杆件生成”，调整模型视图为垂直面，选择需要生成蒙皮（需要荷载传递）的杆件，弹出的蒙皮方向根据实际情况选择。示例中，风吸力作用于屋面，方向向上且与模型Z轴平行，因此可以选择“-Z”（“+Z”或者“-Z”都可以，具体方向根据后面的荷载传递结果确定），如图4所示。

图4 步骤1.②

③检查蒙皮是否生成正确，无遗漏。软件以阴影区域显示。如有遗漏，可手动选择遗漏周围的杆重新生成。选择“Skin Normal”可查看当前生成的蒙皮法线。如需修改，选择“Skin Reverse”。一般检查同一面内的法线是否一致，避免后续施加载荷时出现错误，如图5所示。

图5 步骤1.③

④ 选择“荷载布置”按钮，添加风荷载条件。根据对话框中的选项，可以定义荷载为“+X”、“-X”、“+Y”、“-Y”条件进行组合。风荷载可以按照自己计算的荷载输入，也可以输入体系数由程序自动计算。设置好参数后，选择蒙皮进行布置，如图6所示。

图6 步骤1.④

⑤ 选择“蒙皮荷载传递”按钮，程序会以“双向荷载传递到节点”模式将蒙皮荷载凝聚到节点上。荷载传递完成后，可以通过3D视图检查荷载方向是否正确。若不正确，可以使用前述的“蒙皮反向”或在“荷载排列”中将荷载值或体系系数乘以-1，变成相反数，然后重新传递荷载，如图7所示。

图7 步骤1.⑤

以下根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012第8.1.1条对缩减荷载的“双向荷载传导至节点”方法进行解释：

为计算方便，这里不考虑风振系数（前处理参数中不检查顺风向风振的考虑），即βz=1.0；

根据第8.2.1条的表格，z=4m

根据8.3.1条规定，检查表8.3.1第27项：

总之

在角柱位置，承重面积为板的1/4。

在边柱位置处，承重面积为板的1/2。

中间柱位置，承重面积为一块板。

（2）计算结果

通过程序计算发现，不施加风吸力时，风荷载与普通结构一样作用在水平方向；施加风吸力时，框架梁在恒载作用下呈现的弯曲矩形状态与弯曲矩形状态相反，可以准确施加风吸力（如图8所示）。但对于施加风吸力的模型，程序似乎忽略了相同工况下的水平风荷载，因此当有挡土墙且挡土墙与结构相连时，仍需手动施加水平风荷载。

图8 风吸条件下梁弯矩（左：无风吸，右：有风吸）

2、在YJK软件中自定义安排吸风。

（1）布局步骤

①在通用建模模块中搭建好框架并设置好基本参数后，选择“自定义工况”模块，点击“工况设置”按钮，添加“+X风”荷载（可根据实际需要添加“-X风”、“+Y风”、“-Y风”，如图9所示）。使用程序中内置的荷载类型，可免去手动输入分项系数。

图9 步骤2.①

②设置好参数后，根据规范计算风荷载标准值，并在自定义荷载下通过楼板布置荷载，如图10所示。

图10 步骤2.②

③在前处理中，选择“载荷组合”下的“自定义工况组合”，对添加的自定义工况进行“叠加”组合、“包络”组合或两者组合，如图11所示。

图11 步骤2.③

（2）计算结果

通过程序计算，自定义荷载也能准确施加风吸力，如图12所示，但计算结果与之前的方法不同，主要原因是楼面荷载是双向引导的，荷载作用在钢梁上时是分散的而不是凝聚的。钢结构不同于混凝土结构，钢结构一般采用铝板或玻璃作为面板，通过连接键与主体结构连接，因此考虑荷载凝聚比考虑均布荷载更符合实际情况。

图 12 自定义载荷下的梁弯矩

通过柱底部内力对比可知，当采用自定义方式施加风吸力时，不忽略风荷载的水平作用；而当采用蒙皮荷载传导方式施加风荷载时，则忽略风荷载的水平作用。这主要体现在有风条件下，结构总的水平剪力为0，如图13所示。

图 13 风吸条件下柱底部内力（左：自定义方法，中：未施加风吸，右：蒙皮荷载传递方法）

钢结构雨棚结构4

除了钢框架之外，还有一种必须考虑风吸力的结构——钢雨棚。下面分别采用YJK和3d3s程序进行计算，分析比较计算结果的异同。

YJK新建一座悬挑钢结构雨棚，框架柱截面为□300×300×12×12，框架梁截面为H250×150×8×12，层高为4m，柱跨度如图14所示。

图14 钢雨棚柱跨度示意图（局部）

钢雨棚板恒载为1.00kN/m2，活载为0.50kN/m2，基本风压为0.8kN/m2，地面粗糙度为B级，蒙皮传导荷载后，风吸效应如图15所示。

图15 钢结构雨棚风吸示意图

根据建筑结构荷载规范GB 50009-2012第8.1.1条规定，对风吸力荷载值解释如下：

为计算方便，这里不考虑阵风系数（前处理参数中不校对顺风向风振的考虑），即βgz=1.0（若考虑，按8.6.1条规定，βgz=1.7）；

根据第8.2.1条的表格，z=4m

来自第8.3.3条第2款：

总之

钢柱角部处，受力面积为板的1/4。

在钢柱边柱处，荷载面积为板的1/2。

在边跨水平位置处，承载面积为两板各占1/2。

跨中次梁位置处，受力面积为两块板。

同样，悬臂梁端部的集中载荷分别为2.4kN和4.8kN。

YJK的计算结果如图16至图19所示：

图16 YJK计算结果示意图（左：施加风吸力，右：未施加风吸力）

图17 YJK计算结果恒荷载作用下梁弯矩图（左：施加风吸力，右：未施加风吸力）

图 18 YJK计算的活载作用下梁的弯矩图（左：施加风吸力，右：未施加风吸力）

图19 YJK计算结果风吸力作用下梁弯矩图（左：施加风吸力，右：未施加风吸力）

从计算结果可以看出，在正向荷载组合的工作状态下，钢梁正向应力值和整体稳定应力值均超过了钢材强度设计值，说明钢梁截面太小。除了增大钢梁截面外，还可以增设斜撑来降低悬臂梁的应力。下面我们每隔一个钢柱增加一个斜撑（截面H250×150×8×12）并重新计算。建模模型如图20所示，计算结果如图21所示。悬臂梁正向应力值和整体稳定应力值均小于钢材强度设计值。通过对比图22至图24可以看出，通过增设斜撑，可以有效降低悬臂梁（斜撑处或非斜撑处）在各种荷载状态下的应力值。

图20 添加斜撑及风吸布置后的模型

图21 添加斜撑后计算结果（左：蒙皮模型，中：基础模型，右：斜撑模型）

图22 添加斜撑后恒载作用下梁的弯矩图（左：蒙皮模型，中：基本模型，右：斜撑模型）

图23 添加斜撑后梁在活载作用下的弯矩图（左：蒙皮模型，中：基本模型，右：斜撑模型）

图24 添加斜撑后风吸力作用下梁弯矩图（左：蒙皮模型，中：基本模型，右：斜撑模型）

接下来使用3d3s进行建模和施加荷载（如图25所示）。荷载传递结果与YJK一致。

图25 3D3S模型、风吸力荷载传递参数及荷载传递图

在风吸力作用下，3d3s计算的各构件内力与YJK的计算结果对比如图26至图28所示。经对比可知，两种程序计算的各构件最大内力值偏差在5%左右，计算结果准确可靠。

图26 3d3s M3与YJK梁弯矩对比（左：3d3s 右：YJK）

图27 3d3s M3与YJK柱弯矩对比（左：3d3s 右：YJK）

图28 3d3s M3与YJK支撑轴力对比（左：3d3s，右：YJK）

以上为本节示例，本节计算风吸力时，为计算方便，不考虑阵风系数。若YJK中需考虑阵风系数，则前处理时需保留顺风向风振的考虑不勾选。蒙皮布置载荷时，先手工计算表面载荷，再输入载荷。本例中考虑阵风系数的风荷载标准值为

蒙皮荷载传递结果与3d3s自动计算的结果一致，如图29所示。

图29 考虑阵风系数的荷载传递示意图（左：YJK，中：3d3s参数设置，右：3d3s）

设计摘要5

1.对于自重轻、风压大、悬臂长度长等需要考虑风吸力的钢结构，可以采用蒙皮荷载传导和自定义荷载的方式施加风吸力。

2、蒙皮荷载为手动施加荷载，其猜测优先级高于程序自动布置。在某一工况布置蒙皮荷载时，原本应由程序自动考虑的荷载将被忽略，需要设计人员手动施加。一般工程情况下，需要考虑风吸力的钢结构都是通透、无遮挡或轻微遮挡的，只需根据实际情况布置水平风荷载即可。

3、自定义荷载的荷载传导原理与其他楼板荷载传导方式一致，均为双向荷载传导，与实际过程有些差别，需要设计人员判断是否适用或增加材料冗余度以保证设计安全。

4、在同等条件下，YJK计算结果与3d3s计算结果相差不大，偏差在5%左右，该类型结构可采用YJK计算进行设计，且结果可靠。

以上就是本篇笔记的内容，内容是作者查阅相关资料以及自学后形成的总结，文中引用的文章如有侵权请联系我们删除，看完之后如果有不同意见欢迎留言或者私信讨论。

结尾