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穹面采光頂鋼結(jié)構(gòu)（詞條“鋼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）幕墻設(shè)計時要考慮恒載、活荷載、風壓等荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供）對采光頂鋼結(jié)構(gòu)的作用與影響。SAP2000結(jié)構(gòu)分析中風壓荷載施加往往要通過計算陣風系數(shù)（詞條“陣風系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）、風壓高度變化系數(shù)、局部風壓體型系數(shù)和基本風壓后，再換算成線荷載施加在采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻桿件上，才可以計算其結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力與撓度。本文通過風壓系數(shù)直接導入風荷載方法，則可以更加方便地施加較為復雜的采光頂面的自動風荷載。
1.工程設(shè)計條件
長沙某商業(yè)廣場穹面采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻，建筑物類別：B類;抗震設(shè)防烈度:6度(0.05g);采光頂計算標高：31.46m、圓形采光頂矢高為7645mm、弦長為27440mm圓形采光頂直徑為27594mm，見圖1-1采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻尺寸圖所示。
圖1-1采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻尺寸圖
1.1風荷載基本參數(shù)
(1)局部風壓體型系數(shù)
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)：按圖1-2圓形采光頂體型系數(shù)規(guī)定采用，局部體型系數(shù)μs，可取+0.6;另外在計算圍護構(gòu)件及其連接的風荷載時，可按規(guī)定體型系數(shù)的1.25倍取值。
圖1-2圓形采光頂體型系數(shù)表
按圖所示分別對應(yīng)為正風壓體形系數(shù)為：μs+=0.8×1.25=1.0(風壓力);μs+=0.6×1.25= 0.75(風壓力);負風壓體形系數(shù)：μs-=-0.8×1.25=-1.0(風吸力);μs-=-0.5×1.25=-0.625(風吸力)。
(2)基本風壓值
長沙地區(qū)取0.35(kN/m2)。
2.建立分析模型
采光頂經(jīng)向分別由鋼方通BOX300×150×8、BOX200×100×8間隔設(shè)置組成主鋼結(jié)構(gòu)桿系、緯向由鋼方通BOX80×80×4、BOX60×60×4組成橫梁與支撐桿件;經(jīng)向鋼方通分為大小不一的8×2=16格、采光頂?shù)撞堪?153mm分為大小相同的20×2=40格。
2.1創(chuàng)建模型
(1)定義穹面采光頂
①計算穹面采光頂相關(guān)參數(shù)
穹面采光頂相關(guān)參數(shù)，見圖1-3定義穹面采光頂相關(guān)參數(shù)所示。
穹面采光頂半徑:R=27594/2=13797mm;環(huán)向分段數(shù)為:n div=40;Z向分段數(shù)為:z =8。
②計算穹面球頂半環(huán)向角
參照圖1-3定義穹面球頂?shù)南嚓P(guān)參數(shù)所示，穹面采光頂半環(huán)向角T為：
arctan T=(27440/2)/(13797-7645)=2.2302;T=65.85°
圖1-3定義穹面采光頂相關(guān)參數(shù)
(2)繪制模型圖
命令路徑：在初始化模型所示，在“選擇模板”上點擊【殼】彈出“殼”對話框，在“殼類型”中，選擇“Spherical Dome(穹面球頂)”，“穹面球頂”半徑R輸入“13797”、環(huán)向分段數(shù)輸入“40”、Z向分段數(shù)輸入“8”、半環(huán)向角T輸入“65.85°”，“截面屬性”按面“Default”(缺省)設(shè)置，點擊【確定】，程序在自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計完成采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻三維模型，見圖1-4采光頂幕墻三維模型圖所示。
2.2定義采光頂框架截面
定義采光頂鋼結(jié)構(gòu)(Q235B)框架截面：采光頂經(jīng)向采用鋼方通BOX300×150×8截面與BOX200×100×8截面、緯向采用鋼方通采用BOX80×80×4截面及支撐BOX60×60×4截面、基座立柱（詞條“立柱”由行業(yè)大百科提供）由鋼方通BOX250×150×8組成。
2.3建立導荷“虛面”
計算鋼框架結(jié)構(gòu)受力時，可以選擇指定已建模型中的框架及用于導荷載的所建立的“None(虛面)”。
2.4節(jié)點支座（詞條“支座”由行業(yè)大百科提供）約束
在采光頂幕墻模型中，基座立柱在結(jié)構(gòu)梁上可以按固接形式考慮。
圖1-4采光頂幕墻三維模型圖
圖1-5 Chinese 2012-自動風荷載
2.5構(gòu)件連接釋放
本例采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻僅釋放斜向支撐桿件(二力桿)即可。
3.定義荷載模式與工況數(shù)據(jù)
(1)定義荷載模式
①定義風荷載標準值
在“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“wk”為風荷載wk標準值，“類型”欄選“Wind”，“自重乘數(shù)選”欄選“0”，點擊【添加荷載模式】，完成風荷載定義;在“自動側(cè)向荷載”欄中，選“Chinese 2012(中國規(guī)范)”，點擊【修改荷載模式】，再點擊“修改自動側(cè)向荷載”，彈出“Chinese 2012-自動風荷載”對話框：
a.在“作用對象”欄中，選擇“面對象”選項，這樣可以為不同的區(qū)域的面單元(或“虛面”)指定不同的風荷載體形系數(shù)。
b.在“風荷載體形系數(shù)”欄中，“基本風壓”0.35(kN/m2)、地面粗糙度：選“B”類。
c.在“幾何參數(shù)系數(shù)”欄中，按程序默認的參數(shù)。
d.在“迎風高度”欄中，選擇“程序計算”。
e.在“基本周期T1”欄中，可以按程序“模態(tài)分析”計算得到。
f.在“振型系數(shù)”欄中，可以選擇“模態(tài)分析”計算得到振型系數(shù)。
g.在“其他參數(shù)”欄中，本例選擇按默認。再點擊【確定】，完成了修改自動側(cè)向荷載，見圖1-5 Chinese 2012-自動風荷載所示。
②定義其他恒載、活荷載標準值、施工檢修荷載、豎向地震作用(略);見圖1-6定義荷載模式所示。
圖1-6定義荷載模式
(2)定義荷載工況
如圖1-7定義荷載工況所示，穹面采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻定義荷載工況如下：
圖1-7定義荷載工況
4.施加荷載
當計算采光頂鋼結(jié)構(gòu)幕墻框架受力時，用鼠標左鍵直接點擊分別選定的采光頂幕墻面板(虛面)，點擊界面上工具條中【指定A】➩【面荷載】➩【導荷至框架的均布面荷載(殼)】彈出“指定導荷至框架的均布面荷載”對話框，分別施加恒載DL、活荷載LL、施工檢修以及吊掛集中荷載SL;至于采光頂風壓荷載wk、豎向地震作用SE，由于已按“Chinese- 2012”中國規(guī)范定義了自動側(cè)向荷載，則為程序自動施加計算。
(1)施加重力荷載與施加活荷載(略)
(2)施加風荷載
中國規(guī)范給出的是體形系數(shù)，而SAP2000中需要定義風壓系數(shù)，為了計算方便將其換算成參考點位置在圓形采光頂頂點的風壓系數(shù)，那么根據(jù)風工程學理論換算關(guān)系為：
Cp i= us i(z/H0)2α
上述公式中，us i為各測點的體型系數(shù);z為各測點的相對地面高度;H0為整個采光頂屋面的高度;α為地面粗糙度指數(shù)，對應(yīng)B類場地地面粗糙度，可取0.15;本例取各體型系數(shù)區(qū)域測點位置最高處(在模型中測量)計算。
根據(jù)采光頂面的局部3軸方向，可以確定風壓系數(shù)的正負。體型系數(shù)正負與坐標軸方向無關(guān)，也非數(shù)學上量的正負值，它分別表示為風壓力與風吸力，在體型系數(shù)值區(qū)域中風壓系數(shù)值的正負與局部3軸方向有關(guān)，輸入正值時風荷載的方向與該面對象的局部3軸正方向一致，輸入負值則與局部3軸方向相反。見圖1-8顯示面對象上局部軸所示，面對象上藍色坐標軸為局部3 軸，均垂直于采光頂面單元。
圖1-8顯示面對象上局部軸
那么，本例如按圖1-2圓形采光頂體型系數(shù)所示的對應(yīng)的風壓系數(shù)分別約(如要精確值，需要按工程實際標高計算比值)為：
a.當體形系數(shù)區(qū)域us i= -1.0(風吸力)時：此處面對象上局部3 軸藍色坐標軸向上，風壓系數(shù)換算為Cp i = +1.0，與局部3 軸方向一致;
b.當體形系數(shù)區(qū)域us i=+0.75(風壓力)時：此處面對象上局部3 軸藍色坐標軸與風壓方向相向，風壓系數(shù)換算為Cp i=-0.6375(計算圖1-1中，切線60°處高度與矢高的比值)，與局部3 軸方向反向;
c.當體形系數(shù)區(qū)域us i=+1.0時：此處面對象上局部3 軸藍色坐標軸與風壓方向相向，風壓系數(shù)換算為Cp i=-0.6082(計算圖1-1中，切線60°處高度與矢高的比值)，與局部3 軸方向反向;
d.當體形系數(shù)區(qū)域us i=-0.625時：此處面對象上局部3 軸藍色坐標軸同向，風壓系數(shù)換算為Cp i=+0.53125(計算圖1-1中，切線60°處高度與矢高的比值)，與局部3 軸方向一致。
①在體形系數(shù)us i= -1.0時施加風荷載
命令路徑：用鼠標左鍵直接點擊選定采光頂中部橫梁節(jié)點為“122、121、123、...159、160”以上的體形系數(shù)區(qū)域(共5圈)，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(shù)(殼)】，彈出的“指定風壓系數(shù)”對話框中，“荷載模式”選定wk、“風壓類型”選“迎風面(隨高度變化)”、“風壓系數(shù)Cp”輸入“+1.0”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現(xiàn)有荷載”，點擊【應(yīng)用】→【確定】，完成風荷載施加，見圖1-9體形系數(shù)us i= -1.0時施加風荷載所示。
圖1-9體形系數(shù)us i= -1.0時施加風荷載
②在體形系數(shù)us i=+0.75時施加風荷載
命令路徑：用鼠標左鍵直接點擊選定如圖所示的體形系數(shù)區(qū)域，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(shù)(殼)】，彈出的“指定風壓系數(shù)”對話框中，“荷載模式”選定wk、“風壓類型”選“迎風面(隨高度變化)”、“風壓系數(shù)Cp”輸入“-0.6375”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現(xiàn)有荷載”，點擊【應(yīng)用】→【確定】完成風荷載施加，見圖1-10體形系數(shù)us i=+0.75時施加風荷載所示。
圖1-10體形系數(shù)us i=+0.75時施加風荷載
③在體形系數(shù)us i=-0.625時施加風荷載
命令路徑：用鼠標左鍵直接點擊選定如圖所示的體形系數(shù)區(qū)域，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(shù)(殼)】，彈出的“指定風壓系數(shù)”對話框中，“荷載模式”選定wk、“風壓類型”選“迎風面(隨高度變化)”、“風壓系數(shù)Cp”輸入“+0.5312”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現(xiàn)有荷載”，點擊【應(yīng)用】→【確定】完成風荷載施加，見圖1-11體形系數(shù)us i= -0.625時施加風荷載所示。
圖1-11體形系數(shù)us i= -0.625時施加風荷載
④在體形系數(shù)us i=+1.0時施加風荷載
命令路徑：用鼠標左鍵直接點擊選定如圖所示的體形系數(shù)區(qū)域，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(shù)(殼)】，彈出的“指定風壓系數(shù)”對話框中，“荷載模式”選定wk、“風壓類型”選“迎風面(隨高度變化)”、“風壓系數(shù)Cp”輸入“-0.6082”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現(xiàn)有荷載”，點擊【應(yīng)用】→【確定】完成風荷載施加，見圖1-12體形系數(shù)us i=+1.0時施加風荷載所示。
圖1-12體形系數(shù)us i=+1.0時施加風荷載
5.分析結(jié)果
經(jīng)過上述利用風壓系數(shù)直接導入風荷載方法與指定施加的計算結(jié)果比較(略)，我們得知：得到的位移未變化、但桿件所受的應(yīng)力略為增加。
作者單位：港湘建設(shè)有限公司
