2025年钢结构风荷载设计.pdf

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博观而约取，厚积而薄发。——苏轼
风载评价一体化分析钢框架柱损失的不成比例倒塌
关键词：风荷载 横向荷载 强度 (robustness) 不成比例的崩溃 备用路径的方法 损坏的
钢框架 柱流失 (column loss)
摘要：通常情况下， 钢结构设计主要取决于所规定的风荷载水平。 钢结构作为一种质量轻的
韧性系统， 细微差别的风荷载对其也会产生强烈的影响。 基于这一事实， 风荷载被用于钢结
构的结构析中。 过去几十年中， 对钢结构的不对称的倒塌分析成为热点， 主要因为越来越多
的破坏都是这种形式的。 在产生的人们已普遍接受的准则和分析方法中， 最具主导作用的是
美国国防部及其设定的设施标准。美国国防部以及其他的标准中都建议将柱流失作为建模场
景，柱流失是结构系统保持稳定所必须承受的。然而，迄今为止所有的准则谈及的都只是重
力荷载下的柱流失而未考虑风荷载下的柱流失现象。本文介绍了不同风荷载水平下的钢结构
动态历史时间不对称的崩溃分析。通过对 5 种不同尺寸的抗弯框架的参数分析展开讨论。
1. 前言
过去几十年不对称或者延性破坏作为一种结构破坏的形式越来越普遍， 其出现在很多重大的
事故当中。例如 1968 年发生在罗南点的一座 22 层建筑的失稳倒塌以及 2001 年纽约世界贸
易中心的坍塌（美国土木工程师协会， 2009 ）。不对称倒塌的主要的特点是不能类推出来的
一触发事件所带来后果的严重程度。 常常，这会限制对结构构件的选择甚至对于社会、经济、
环境以及别的其他领域也会产生影响。
迄今为止，所有的钢结构设计都是依据规范、 准则进行， 而这些规范仅仅考虑了常规荷载对
于结构的作用，这也是为什么对于结构在不对称倒塌中的承载力计算的研究变得枯燥乏味。
因为其和非正常荷载条件下及其突发事件息息相关。 这些突发事件迄今为止研究者们定义为
气体爆炸、恐怖袭击、飞行事故、不可预料的火灾、强风等等。 （国家技术与标准研究所，
2007 ；Deodatis,1997;Papadopoulos and Deodatis,2006; Baker 等，2008 年 ; ellingwood 等，2007
年； Ellingwood 和 Leyendecker ，1978 年; ellingwood和 Dusenberry ，2005 年; Izzuddin等
2007 年; starossek ，2009 年 ; Gerasimidis 等，2008 年，2009 年; Dubina 等，2010 年。frangopol
和柯利，1987 ;克瓦希涅夫斯基， 2010 年；弗利等， 2007;Kim and Kim ，2009 ; Gerasimidis
和 Baniotopoulos,2011 ; Gerasimidis ,2011 ） 。这类突发事件相关的不确定性显然很重要，这
使得相关的加载模拟很难进行。 更难的是，规范中所描述的正常荷载之间的组合， 其谈及的
非正常荷载也很模糊。所以至今研究者也仅仅描述出概率极限状态设计。
在这个方向，关于研究可以导致不对称坍塌的相对异常事件的荷载组合有一个非常全面的文
件，由 Ellingwood 发表。其中描述了符合国家级标准的可能的设计策略， 比较了 ASCE 7（ASCE
7,2007），欧洲规范 1(EN 欧洲规范 1,2006)以及加拿大国家建筑规范 （加拿大国家研究协会，
1995 ）。上述所有的规范都在荷载组合中都提及恒载、活荷载以及雪、风荷载，并且应用到
了设计中的不对称倒塌分析。 在同一文件中， 特别强调了结构作为一个系统的作用而并非仅
仅是构件的设计。
近日，美国国防部统一设施标准[统一设施标准（ UFC ），2009]可能是迄今为止不对称倒塌分
析研究中最具指导性的文件（与美国总务管理局） 。其引进了直接的备用荷载路径分析法在
设计不成比例倒塌的建筑物中， 其备用路径法主要有三种分析方法组成：静态线性法， 非线
性静态法和线性动态分析方法。 尽管三种方法有着本质上的区别，但是所有的分析对于荷载
组合的定义不尽相同，主要有恒荷载，活荷载及雪荷载。设计中不考虑风荷载，仅仅在分析
中作为结构缺陷合并影响的一个很小的侧向荷载。 然而，对于钢结构， 风荷载是主要的设计
参数，因为其质量轻，韧性结构以及横向荷载会对其产生强烈影响（ （Stathopoulos 和
Baniotopoulos ，2007; Glanville and Kwok ，1995 年;Das Nirmal 和詹姆斯· 麦克唐纳，1990
年; Petrov Albert ，1998; Ballio 和 Mazzolani ，1983; Stathopoulos 等 2008 年）。 : .
老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。——唐·王勃
采用备用路径分析法调整结构， 为的是主要构件符合特定规范的结构在发生局部损坏时备用
荷载路径发生作用。 结构的破坏是由于没有移除了结构的特殊构件所引起的； 就钢框架而言，
这些构件就是柱子； 尽管工程上移除柱子是很不现实的做法， 但是在却是模拟结构局部损坏
的一个有用的方法。
本文对 5 种高度的钢框架结构去除一层两个角柱后的相关参数进行分析研究。作用在结构
上的荷载最初是美国国防部规定的荷载组成 [统一设施标准 （UFC ）,2009]，其中包括恒载，
活荷载、雪荷载以及由于结构的缺陷产生的小范围的侧向荷载。 在这些研究的基础上，保持
加载在结构上的恒载，活荷载以及雪荷载不变，将 6 种不同等级的风荷载作为设计的一部
分。本文的主要目的是研究和论证风对于已经发生柱流失现象的结构的影响，这一方面目前
在用的准则几乎没有说明。在这种情况下仅仅用到参照准则中当柱移除后位移偏移或者外力
带来的弹性最大瞬时值。通过不同的方面进行讨论，得出文章最后的结论。


针对本项研究的目的，选取 5 种不同参照类型的钢框架进行风荷载下的不对称倒塌分析。
框架是垂直的平面，楼层高 3 米，间距宽 5 米。如图 1 所示，第一个是 3 层高的钢框架，
第二个为 6 层高，第三个 9 层高，第四个 12 层高，第五个 15 层高， 5 个框架都有 4 个间
隔总宽 20 米。选取高度上变化的钢框架是为了研究风荷载在结构高度方面的可能差异。图
1 为三个框架的几何尺寸。
框架的设计依据欧洲规范进行（ EN Eurocode 1,2002,2006 ）结合计算机辅助分析。材料的
屈服强度固定为 235Mpa. 结构设计中使用的荷载总结如下。除过屋顶所有楼层施加的恒载
为 28k/m2, 活荷载为14kN/m2. 对于屋顶，恒载为 28Kn/m2, 活荷载为5kN/m2, 雪荷载为
. 设计中使用的风荷载在下面的部分具体介绍。
设计的框架部分是标准的欧洲商业性钢结构，具体数据总结如表 1 所示。
IBC2006 （国际规范委员会， 2006 ）计算过程得出的，其
也被应用在 ASCE7 的第 6 章（ ASCE7,2007 ），建筑风荷载的计算分析过程。在整个过程
中需要注意的是框架 1 和框架 2 分别是 3 层和 6 层高（分别为 9m 和 18m ），它们被认为是
低矮建筑， 然而框架 3,4,5 分别总高 27m,36m 和 45m 不被归于低矮建筑的范畴。 这个区别
影响着几个参数的计算。
基本风速和风向系数
决定设计荷载的基本风速 V 被定义为 49m/s, 建筑的风向系数 Kd 定义为 .
重要性系数
5 种框架被假定为进入一般入住第三类如 IBC2006 中所描述的那样。所以，其重要性系数
设为 .
表面类型
假定结构暴露类型为 B 类地表面条件。 对于结构 1 和 2，由于它们被定义为低层建筑， 所以
参数 GCpf 如表 2 所示。同样假定所讨论的框架也代表中间框架，所以根据 IBC2006 相应
的建筑表面为 1,2,3,和 4.
对于 5 种结构，风荷载暴露系数 Kz 都设置为 。
地形系数
假定 Kzt=1
阵风影响系数
5 种建筑的基本频率如表 3 所示，都大于 1Hz 。所以阵风影响系数 G 设为 .
外壳分类
5 种框架被归为封闭建筑。 : .
英雄者，胸怀大志，腹有良策，有包藏宇宙之机，吞吐天地之志者也。——《三国演义》
内部压力系数
作为封闭式建筑内部压力系数 GCpi 设定为 和- 分别针对朝向和远离表面
外部压力系数
对于框架 1 和 2 见表 3，4 和 5，墙体的外部压力系数迎风面设为 Cp= ，背
风面 Cp=-. 对于屋顶，假定 Cp=-.
风压
风压 qz 计算如下：
设计风荷载
最终
框架 1 和 2 的设计风荷载 p 计算如下：
框架 3,4 和 5 的设计风荷载计算如下：
结果见表 4 和 5.

基础
作为评价结构系统的抗不对称倒塌能力的一个常见的工程依据， 其包括结构设计规定了两个
主要方面。 第一个方面是特定部分的承载力， 第二是其备用分析法。 后者已经被结构工程部
接受并作为最接近的工程直觉，这也是为什么越来越多的研究致力于这方面。
这个方法是建立在构件移除的的工程原理上，作为一种模拟引发不对称倒塌的现象的工具。
尽管不是很现实，因为一个构件是不可能完全破坏的，而且如果发生非正常事件，别的一系
列构件也会相继发生部分损坏。针对结构在局部损坏下的行为，构件移除分析在概念上提供
了非常有用结论。这个方法针对钢结构而言，就是依次一个一个移除结构的柱子， 然后相应
的检验结构对于这种局部破坏的承受能力。
对于这 5 个构件而言，就是将一层的两个角柱依次一个一个移除。值得注意的是（ Foley 等
2007; Kim and Kim, 2009)一个构件的角柱分析不对称倒塌现象最关键的部位。所以对于 5 种
框架，现在的研究是首先移除一层迎风面的角柱， 然后将一层背风面的角柱移除作为另一种
不同的情形。
动态时间历史分析方法
结构分析如国家统一设备规范（ UFC）(2009)那样包括多种方法，其中分析一个结构的不对
称倒塌有三种不同的方法。第一，简化的静态线性分析方法。第二，非线性静态分析方法。
第三种就是即将介绍的动态分析方法。 值得注意的是在不对称倒塌的大部分事件中， 结构最
初是一种动态的模式进行破坏—短暂但是荷载很大。 所以这种动态分析法被研究者们认为是
最精确的分析方法。
历史时间函数表示柱移除的如图 2 所示。 首先， 将构件从模型中移除， 被移除构件作用在余
下结构的上的力变成相反的方向。 这些力可以用函数 ac（t）描述。 而余下的荷载用函数 av(t)
描述。在图 2 中，首先加载在结构上的荷载到 t1 秒，然后从 t1 时刻开始移除柱子持续△
Toff( 定义为每个柱溢出的时间间隔 )。对于△ Toff 研究者意见各异， DOD将其设定为结构在
柱移除模式下的寿命的十分之一。对于这 5 种框架，移除角柱的反应模式及其时间如图 3
所示。
计算机计算分析方法
为了达到动态分析的目的，从众多可用的分析方法中我们选择 Newmark 法。为了不影响研
究结构对完全移除柱子后短时间内出现的侧向偏移和外力的瞬时最大反应， 分析过程中不考
虑数值阻尼。侧向偏移和外力是此次研究的主要对象。 （这种方法更详细的介绍见
Gerasimidis and Baniotopoulos, 2011).
Gerasimidis and Baniotopoulos 在 Gerasimidis and Baniotopoulos, （ 2011 ）提出，尽管在动态 : .
志不强者智不达，言不信者行不果。——墨翟
分析中采用了计算机计算分析， 但是采用的时间进度尺寸必须足够的小以便符合特有的现象。
一个适当的时间尺寸值取为△ Toff/300 ，这里的△ Toff 指的是柱子移除的时间间隔。
荷载组合—考虑风荷载
根据统一设施标准（ UFC）（2009 ），渐进式倒塌的荷载组成有三种不同类型的荷载组成：永
久荷载，活荷载和雪荷载。除此之外，考虑结构自身的缺陷性，在每一层上再施加一个很小