轻钢结构抗风研究的发展.docx
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轻钢结构抗风研究的发展
轻钢结构抗风研究的发展
蔡春
（上海大学土木系上海200072）
摘要：
自然灾害给人类带来了巨大的经济损失，而国内外统计资料表明，风灾造成的损失为各种自然灾害之首，特别是沿海地区。
历次风灾表明，轻钢低矮房屋在风灾中破坏尤为严重。
但是，对于低矮型建筑、轻钢结构的相关研究则相对较少。
鉴于上述情况，本文将针对低层轻钢结构抗风设计方法进行研究。
首先，本文对中国、美国和日本等国家规范中有关风荷载计算的表达式、基本风速、体型系数、风压高度变化系数等方面分别进行了比较，说明了各国规范在风荷载计算中的异同点。
阐述各国规范在风荷载设计上的优缺点，并对中国规范的抗风设计提出合理建议。
最后,对轻钢结构抗风的研究进行了展望。
关键词：
轻钢结构，抗风设计，风灾,基本风速，体型系数，风压高度变化系数，门式刚架
中图分类号：
TU311.3文献标识码：
A
DevelopmentofWind-ResistantResearchofLight-WeightSteelStructures
CaiChun
（DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072）
Abstract:
Naturaldamagehasbroughtenormouseconomiclossestomankind.Statisticalmaterialsindicatethatthelosscausedbywindisoneofthemostsevere,especiallyincoastalregions.Previouswinddisastersurveysindicatethatlow-riselight-weightedsteelbuildingssufferthemostseriousdamage.Buttherewerelittleworkdoneinlow-riselight-weightsteelstructures.Sosomeworkwasdonetodevelopthewind-resistantdesignoflow-riselight-weightsteelstructures.
First,thewindloadingcodesofChina,AmericaandJapanwerebrieflydescribedinthispaper,andsomeparametersinthesewindloadingcodesconcernedofwind-resistantdesignwerecompared,includingtheformulainwind-resistantdesign,basicwindvelocity,shapefactor,terraincoefficient,etc.Thenanalysisingtheadvantagesandshortcomingsofthewindcodesofdifferentcountriesandgivingsomereasonablesuggestionstowind-resistantdesignmethodsofChinesecodeonlow-riselight-weightsteelstructures.Finally,theresearchofwind-resistantoflight-weightsteelisprospected.
Keywords:
light-weightsteelstructures,wind-resistantdesign,disastercausedbywind,basicwindpressure,shapefactor,terrain/heightcoefficient,portalframe.
前言
轻钢结构是目前较广泛应用的一种建筑结构，随着生产的发展和科学技术的进步，将在越来越多的建筑工程中采用。
轻钢结构与其它形式的建筑结构比较，具有结构自重轻、材质均匀、应力计算准确可靠，加工制作简单、工业化程度高、运输安装方便、易取材、用料省等优点[1]。
并且随着近年来防火、防腐技术的不断完善，使得它在工业厂房以及民用建筑中获得了广泛的应用。
但是，当遭遇风灾时，轻钢结构较其它结构更容易破坏。
而且风灾发生频繁，持续时间长，产生的灾害大。
在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首。
例如1999年，全球发生严重自然灾害共造成800亿美元的经济损失，在被保险的损失中，飓风造成的损失占70%[2]。
2002年16号台风于2002年9月7日中午12时登陆，平阳县南麓岛出现了56.7m/s的大风，从9月7日凌晨到晚上11时，温州平均降雨量达到137.4mm。
金乡镇全镇有30多间房屋和两间厂房倒塌，初步估计损失超过3000万元，5人死亡[3]。
据德国1961至1980年二十年间对损失超过1亿美元的自然灾害统计结果显示[4]，风灾的次数占自然灾害总次数的51.4%，风灾造成的损失占总自然灾害损失的40.5%。
1989美国南加利福利亚遭受”ugo”咫风，实地调查结果表明[5]，49%建筑物受损的“软肋”是屋面，有些屋面局部覆盖物被吹走，有些屋面桁架被吹坏，有些甚至整个屋面结构被大风卷走[6]；如2004年14号强台风“云娜”，于2004年8月12日在浙江省温岭市石塘镇登陆，造成1800多万人受灾，183人死亡，9人失踪，直接经济损失181.28亿元。
全市工业企业厂房倒塌272.2万平方米，厂房破损756.2万平方米，其中绝大部分是轻钢厂房或轻钢围护厂房[7]。
由于全世界风灾引起的损失每年达100亿美元以上，我国又是风灾严重国家，我国自上世纪80年代初引进轻型门刚厂房结构以来，经过几十年的发展，现在门式刚架轻钢结构己经被广泛的应用于各类建筑中[8]。
由于这类结构重量轻、跨度大，其对风荷载比较敏感，不利于结构的抗风，风荷载是其最主要的破坏因素[9]。
而工程损伤和破坏又是风灾损失的重要成份，因而工程抗风设计计算合理和全面与否是工程安全的抗风防灾的重要因素。
在我国东南沿海地区，轻钢结构成为了风灾中的重灾户，因此，我们有必要对低矮建筑的风荷载及抗风设计方法进行深入的科学研究，揭示建筑物表面覆盖层的破坏机理，减轻风荷载对国民经济造成的损失。
进一步发展对低矮型建筑风荷载的科学研究，深入揭示屋面风致破坏机理具有相当重要的现实意义。
尤其是随着现代建筑科技和施工工艺的高速发展，大量形式新颖、质量轻、柔性高、跨度大的低矮型建筑结构不断涌现，给此类建筑物的风工程研究带来了更多新的课题。
应该给予特殊的重视。
1.轻钢结构及风灾的一些情况
轻钢结构是指用薄钢板经模压或冷弯而制成的薄壁型钢结构，其截面形状和尺寸可按合理方案设计。
薄壁型钢的壁厚一般为0.6~8mm，习惯上把壁厚不超过6mm的冷弯型钢称作冷弯薄壁型钢[10][11]。
风灾灾害等级一般可按表1.1划分为3级[12]。
表1.1风灾灾害等级分类
一般大风
相当6—8级大风
主要破坏农作物，对工程设施一般不会造成破坏
较强大风
相当9—11级大风
除破坏农作物、林木外，对工程设施可造成不同程
度的破坏
特强大风
相当于12级及以上大风
除破坏农作物、林木外，对工程设施和船舶、车辆
等可造成严重破坏，并严重威胁人员生命安全
风对结构的作用有以下几个方面：
1）、顺风向的风力作用，它包括平均风和脉动风。
其中脉动风要引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑；2）、结构物背后的漩涡引起结构物的横风向的振动；3）、风力对结构偏心作用的风力扭矩，以及该扭矩对结构产生扭转振动。
如表1.2[13]
表1.2风对结构的的作用
分类
作用形式和破坏现象
作用机制
静力作用
静风力引起的内力和变形
平均风的静风压产生的阻力、升力和力矩作用
静力不稳定
扭转发散
静力矩作用
横向屈曲
静阻力作用
动力作用
抖振（紊流风响应）
限幅振动
紊流风作用
自激振动
涡振
旋涡脱落引起的涡激力作用
驰振
单自由度
发散振动
自激力的气动负阻尼效应———阻尼驱动
扭转颤振
古典耦合颤振
双自由度
自激力的气动刚度驱动
2.抗风设计
2.1抗风设计基本概念
抗风设计参数[14]主要有以下几种：
1）、基本风速（风压）的定义
对于工程结构设计来说，风力作用的大小最好直接用风压来表示。
一般来说，作用在建筑物上的风压值很大程度上取决于风速的大小。
影响风速的因素很多，例如，风速会随作用高度而变化，高度越高，风速越大，又如建筑物周围环境不同，风速也会有变化。
为了比较不同地区风速或风压的大小，必须对不同地区的地貌、测量风速的高度等条件有所规定。
按规定地貌和高度所确定的风速或风压，称为基本风速或风压。
不同国家对于基本风速（风压）的规定标准各不相同[15]。
概括起来，基本风压大致根据以下6个条件来定义。
A、标准高度
风速随高度而变化，离地愈近，由于地表摩擦能量消耗较大，风速较小，离地愈高，能量消耗逐渐减少，风速则愈来愈大，因此必须规定一标准高度以便于换算和比较。
B、标准地貌
地表愈粗糙，地表摩擦能量消耗也较大，因而风能消耗也愈厉害，平均风速也就愈小。
反之，粗糙度愈小，平均风速也就越高。
粗糙度的不同，影响着平均风速或风压的取值，因此有必要为平均风速规定一个共同的地貌标准。
C、平均风速的时距
这里定义的是平均风速的取值方法。
平均风速的数值与时距的取值很有关系。
如果时距取得很短，则必定将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中，较低风速在平均风速中的作用难以得到反映，因而平均风速值很高。
如果取得很长，则必定将一天中大量的小风速平均进去，较高风速在该长时距中起不到显著作用，其值一般偏低。
因此，时距越短，测出的平均风速越大，时距越长，平均风速也就越小。
D、最大风速的样本
平均风速的数值还受着最大风速样本的取法的影响。
如果以日最大风速为样本，则‘年365个样本，平时小风速的日子的风速值占有很大的权，而最大风速那一天的风速只占1/365的权，因而最大风速的重要性大大降低了，统计出的平均风速必将大大偏低。
如果采用月最大风速，则每年最大风速在整个数列中也只占1/12的权，也降低了最大风速所起的重要性，所得结果也是偏低的。
对于工程结构应该能承受一年中任何日子的极大风速，因此一般采用年最大风速为一个样本。
E、最大风速重现期
以年最大风速作为样本，则各年的数据必然各不相同。
不能取各年最大风速的平均值作为设计依据，因为大于该平均值的年数必然很多，而应取大于平均值很多的某个值来进行设计。
该设计值选取的标准应是：
大于该值的设计风速并不是经常出现的，而是间隔一定的时期后出现，这个间隔时期就是重现期。
F、最大风速的线型
为了求出设计最大风速，必须确定重现期或保证率。
由于涉及概率计算，必须知道最大风速的统计曲线函数，即概率密度函数或概率分布函数。
这些函数所表达的线型式，常称为线型。
2）、风压（或风速）高度变化系数
利用任一地貌梯度风高度以上风速风压均应相同的关系，可以求出任一地貌任一高度处风压（或风速）与标准地貌标准高度基本风压（或风速）ω0的关系。
任一地貌任一高度处风压（或风速）值ωz可看成基本风压（或风速）ω0乘以一系数，此系数即为风压高度变化系数。
它体现的是风压或风速随高度变化的情况。
3）.风荷载体型系数（压力系数）
结构物体型不同，结构所受的实际风压同标准风压亦不相同，且各处分布也不均匀。
风在建筑物表面引起的实际压力或吸力与来流风压的比值，即为该处的风载体型系数。
2.2抗风设计要求：
a）.结构抗风设计要求必须满足强度设计要求。
结构构件在风荷载及其他荷载共同作用下，必须满足强度设计要求，确保结构不会产生倒塌、开裂和大的残余变形等破坏现象，以保证结构的安全；b）.结构抗风设计必须满足刚度设计要求。
结构的位移或相对位移应满足相关的规范要求；c）.结构抗风设计必须满足舒适度设计要求，以防止在风作用下引起的摆动造成居住者的不适；d）.为防止风对外墙、玻璃、女儿墙及其他装饰构件的局部损坏，也必须对这些构件进行合理设计；e）.结构抗风设计必须满足抗疲劳破坏要求。
2.3抗风设计的一般步骤
抗风设计的具体步骤[16]如下：
（1）确定设计标准;
（2）确定设计风速;
（3）假定适合建筑物形状、主体结构的模型;
（4）分析作用于结构上的风荷载;
（5）分析结构的响应和稳定性;
（6）当以“安全性”为设计目标时，应根据设计资料计算设计风荷载，然后根据规范中的公式计算结构、外部装饰材料等的内力、变形;当以“适用性与耐久性”为设计目的时，则分析响应的加速度等;
（7）与规范给出的界限值进行比较，如果满足设计要求，就可以按照一般模式进行详细设计，如果不满足，就要回到第（3）步，重新假定适合建筑物形状、主体结构的模型，直到可以满足规范的要求为止。
2.4抗风设计方法的发展
最早的抗风设计方法是根据过去发生最大暴风时的最大瞬时风速确定的速度压，再乘以抗力系数后所得的风荷载作用下，结构构件的应力强度不得超过容许应力强度。
但是，随着超高层建筑物、观光塔、空气膜结构、框架膜结构这些对风敏感的建筑物的增加，用这样的抗风设计方法就达不到设计要求，而需要可以充分考虑每个建筑物的力学性能和使用目的的设计方法。
建筑物抗风设计的目的就是为了要在建筑物的使用期间内，在可能发生的罕遇强风时要确保适当的安全性，针对发生频率很高的强风要保证适当的适用性和耐久性，从而对主体结构、外部装饰材料等进行设计。
从19世纪开始，建筑界和土木结构界开始真正的站在科学技术的角度来研究风，经过“损害一改良一新的损害一新的改良”循环反复过程，逐渐完善了抗风设计方法，建立了一套专门针对抗风设计的理论，这一发展过程主要经历了以下几个阶段[17]:
（1）19世纪末期，由于一些桥梁在暴风中损坏，欧洲工程师在建设桥梁和高层结构时开始注意到了风荷载的存在。
当时使用的是基于牛顿的“空气抗力理论”的表达式，认为风荷载是静力荷载，即以“平均风压”作用在结构上，1890年左右，世界各地开始建设风洞，于是，又在均匀风洞中用小尺寸的模型实验测得的“风压系数”。
（2）随着欧美关于飞行器的研究，利用风洞进行的气动力试验不断发展，于是，以空气动力学为基础的风压确定方法也日益完善。
但风洞试验方法是令某一速度的风作用在结构模型上，而实际风的风速会随着高度的增加而增加，风向也是变化的，这就导致了实测结果和试验结果间的差异。
该阶段仍然是建立在试验与经验的基础上的。
（3）由于1940年塔科马大桥的垮塌，研究者们除了对结构的静力响应外，也开始关注结构的动力响应。
1961年，Davenport在Liepmann（1952）提出的经典抖振理论的基础上提出了湍流风的模型，并于1967年提出了“阵风荷载因子法”（GustLoadingfactors，简称GLF法）[18][19]，用来估算高层建筑顺风向风致动态响应。
于是，风对结构的动力作用就成为了研究焦点，例如湍流结构及其对建筑物的影响，抗风设计方法也逐渐基于随机振动理论而建立起来。
（4）利用概率统计方法确定风荷载。
该方法也是基于DavenPort理论。
与此同时，对横风向的研究日益增多，基于随机振动理论，针对结构的横风向响应的抗风设计方法也逐渐建立起来，日本甚至已将其纳入规范。
其中，本征正交分解（ProperOrthogonalDecomPosition，POD）法[20-23]是一种在风工程领域及其它自然科学、人文科学领域中通用且有效的统计方法。
POD法可以用来分析所观测的特殊现象的最有效的广义坐标系[24-26]，它把一个随机过程描述成一个过程本身的协方差函数的正交特征向量的线性组合。
（5）从1947年可靠度概念被提出，直到1976年开始被各国设计规范采用，基于可靠度的方法也纳入到抗风设计方法当中。
目前，又出现了遗传学运算[27]等新方法。
3.轻钢结构抗风设计存在的问题
2004年“云娜”台风过后，台州市建设规划局通过调查和分析研究得出以下几个结论：
1）、彩钢板厚度和强度不足。
据调查，受损彩钢板屋盖大部分采用Ⅰ（Q235）级钢，板厚大多小于0.4毫米；2）、采用暗扣安装形式的屋盖，暗扣质量差，暗扣本身厚度和强度不足，暗扣数量偏少或漏设，在风力作用下，暗扣被拉直或拉脱；3）、采用螺栓（螺钉）安装形式的屋盖，螺栓（螺钉）数量偏少，螺帽下又未加设钢板垫片，彩钢板螺栓（螺钉）孔处在风载集中应力反复作用下，孔洞不断扩大，彩钢板产生疲劳破坏或撕裂[28]；4）、轻钢结构厂房的薄弱部位没有加强抗风处理，台风袭击过程中，往往这些薄弱部分先行破坏，导致整个厂房围护破坏。
纵观以上结论，可以看出根本问题就是围护系统的抗风能力不足，设计及施工存在缺陷[29]。
这种现象如得不到纠正，必定会对轻钢结构带来负面影响，阻碍整个行业的发展。
由于设计规范是指导工程设计的依据，也是将研究成果广泛应用于工程的重要文献，起着工程法律的作用，对工程设计者影响极大。
国内外重要的研究成果，经过检验认为是可靠的、有广泛应用价值的，都会收录在规范中[30][31]，所以规范是研究成果的重要表征地，能更好的体现出轻钢结构研究的发展状况。
我国规范主要采用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:
2002）[32][33],下面主要介绍一下国外规范及与我国规范的对比情况。
4.介绍一下几个国家的规范
4.1《低层房屋建筑系统手册》（LOWRISEBUILDINGSYSTEMSMANUAL）[34]
美国钢结构房屋制造商协会（METALBUILDINGMANUFACTUREASSOCIATION）编撰的《底层房屋建筑系统手册》（1996）版（LOWRISEBUILDINGSYSTEMSMANUAL）[35][36]反应了美国在低层钢结构房屋建筑系统方面几十年的研究成果和经验积累。
其关于低层建筑风荷载的取用和计算部分是该手册的精华所在[37]，使其成为轻钢结构设计最重要的参考资料之一。
自然界中的流体运动（风）存在两种不同的形式[38]：
一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的香烟头附近细细的烟流；另一种则显得杂乱无章，看上去毫无规则，例如烟囱里冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流[39]，也叫紊流。
一般说来，当设计对象为多、高层建筑时，应选用主要以层流边界层风洞实验为研究基础的规范[40][41]；当设计对象为低矮建筑时，应选用主要以紊流边界层风洞实验为研究基础的规范。
4.1.1低层房屋的定义
该手册中低层房屋——指屋面为平屋面、坡度小于30o的单坡屋面、双坡屋面，屋面平均高度小于60英尺（约18米）[42]，檐口高度不大于建筑物最小平面尺寸的已完工建筑物。
4.1.2设计风压
设计风压表达式：
P----设计风压（psf）；q-----速度风压（psf）；q=0.00256V2（H/33）2/7；IW------风荷载重要性系数；
风荷载重要性系数[43]
建筑物类别
一般建筑Ⅱ
重要建筑Ⅲ&Ⅳ
次要建筑
距海岸>100英里的内陆地区
1.00
1.15（1.072）
0.90（0.952）
有飓风的海岸线
1.1（1.052）
1.23（1.112）
1.00（1.052）
V------地面粗糙度C类，50年一遇的离地33英尺（约10米）高度处的里程风速（mph）,当里程风速小于70mph;H----屋面平均高度（feet）,对于屋面坡度€10。
的建筑物可取檐口高度，但不小于15英尺（约4.5米）。
GCp----主框架或构件的组合压力系数峰值。
公式中的V（里程风速）其物理意义与国内风速是不同的，国内风速测量时距为10分钟定值，而里程风速测量时距是长度为一英里的空气通过风速计所需要的时间。
中国规范[44]中规定:
基本风压是以当地空旷平坦的地面上、离地10m高度上经统计所得的50年一遇及10min平均年最大风速v。
（m/s）为标准，按
所确定的风压值，其中
，并且得到的基本风压不得小于0.3kg/m2。
其对应关系如下表：
中国基本风压与美国里程风速对应关系
中国基本风压（kn/m2）
0.4
0.45
0.5
0.55
美国里程风速（mph）
70
72
76
80
中国基本风压（kn/m2）
0.6
0.7
0.8
0.9
美国里程风速（mph）
83
91
98
104
风荷载的重要性系数反应的是，对不同重要性的建筑物须采用不同重现周期的风速，通过系数1.07和0.95分别将50年一遇里程风速调整为100年一遇及25年一遇的里程风速。
GCp是主框架或构件的组合压力系数峰值，其中G表示阵风反应系数，是一个考虑了风的紊流而取的放大系数；CpI内部压力系数，CpE外部压力系数，Cp组合压力系数（相当于内部压力系数和外部压力系数组合后的系数）。
由于研究过程中进行了广泛的风洞实验，借助传感器“峰值系数”是可以监测到的，它就是GCp。
CpE外部压力系数在物理意义上相当于国内规范中的“风载体型系数”。
（H/33）2/7即地面粗糙度系数KZ，相当于国内规范中的“风压高度变化系数”。
我国规范[45]规定，对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数μ2应根据地面粗糙度类别确定。
我国规范将地面粗糙度分为A、B、C、D四类：
A一指近海海面和海岛、海岸及沙漠地区;
B一指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区;
C一指有密集建筑群的城市市区;
D一指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
按不同的地面粗糙度以及计算高度，风压高度变化系数μz按下表计算:
高度地面粗糙度
A
B
C
D
1.17
1.00
0.74
0.62
3.12
3.12
3.12
3.12
我国规范规定，ZGa=300m（A类），350m（B类），400m（C类），450m（D类），并规定Zba=5m（A类），l0m（B类），15m（C类），30m（D类）。
美国规范中地面粗糙度类别定义如下：
A类：
大城市中心周围有超过50%的建筑物高度超过70英尺（约20米）；
B类：
市内或郊区，树木繁茂区或密集住宅及较大建筑物；
C类：
开阔地区或零星阻挡物；
D类：
平坦区域无阻挡物阻碍风吹过。
4.1.3风荷载大小的确定
4.1.3.1建筑物的类型
建筑物的内部压力是由所谓“鼓风效应”和“吸风效应”产生的。
迎风面墙上的开口使风吹入房屋内部，此时就如同吹气球一样，产生一个作用于所有屋面、墙角的内部压力。
当开口位于背对风（或侧对风）墙上时，由于该位置为风荷载的负压区，部分空气由室内流失，产生一个作用于所有屋面、墙面的内部吸力，由此可见开口与建筑物内部压力关系紧密。
这里说的开口（Opening）是指建筑物表面永久性的无有效遮蔽的，并且是根据设计要求留设的洞口。
该规程根据建筑物围护结构（屋面、墙面）上开口的面积率和分布情况不同，将建筑物分为以下三类：
封闭式建筑（EnclosedBuildings）——是指在其围护结构上无开口或开口分布相对均匀的建筑物，封闭式建筑的内部压力主要
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