轻型门刚设计中风荷体型系数取值的适用标准讨论.docx

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CECS102［1］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Ns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CECS102［1］与荷载规范GB50009［2］两个标准中同一部位体型系数Ns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背风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一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1-54［6］和结规1-58［7］、第一本我国自主完成的TJ9-74［8］、基于概率极限设计的先进标准GBJ9-87［9］及GB50009-2001［2］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迎风迎风背风背风标准编号、、墙面屋面屋面墙面结规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］对原名^规1-58［7］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硅设计规范试设计效果，将原结规1［7］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Ns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硅结构，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Rs实际上是某面积范围内的平均体型系数，对维护结构而言Rs是在一定保证率下的最大值，而对主体结构而言Ns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楝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Jensed12］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（fullscale）实测资料的对比，其结果表明对不同的粗糙度系数h/z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13~170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20~30m,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。