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穹面采光頂鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）幕墻設計時要考慮恒載、活荷載、風壓等荷載（詞條“荷載”由行業大百科提供）對采光頂鋼結構的作用與影響。SAP2000結構分析中風壓荷載施加往往要通過計算陣風系數（詞條“陣風系數”由行業大百科提供）、風壓高度變化系數、局部風壓體型系數和基本風壓后，再換算成線荷載施加在采光頂鋼結構幕墻桿件上，才可以計算其結構所受的應力與撓度。本文通過風壓系數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.工程設計條件
長沙某商業廣場穹面采光頂鋼結構幕墻，建筑物類別：B類;抗震設防烈度: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采光頂鋼結構幕墻尺寸圖所示。
圖1-1采光頂鋼結構幕墻尺寸圖
1.1風荷載基本參數
(1)局部風壓體型系數
根據《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)：按圖1-2圓形采光頂體型系數規定采用，局部體型系數μs，可取+0.6;另外在計算圍護構件及其連接的風荷載時，可按規定體型系數的1.25倍取值。
圖1-2圓形采光頂體型系數表
按圖所示分別對應為正風壓體形系數為：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：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
長沙地區取0.35(kN/m2)。
2.建立分析模型
采光頂經向分別由鋼方通BOX300×150×8、BOX200×100×8間隔設置組成主鋼結構桿系、緯向由鋼方通BOX80×80×4、BOX60×60×4組成橫梁與支撐桿件;經向鋼方通分為大小不一的8×2=16格、采光頂底部按2153mm分為大小相同的20×2=40格。
2.1創建模型
(1)定義穹面采光頂
①計算穹面采光頂相關參數
穹面采光頂相關參數，見圖1-3定義穹面采光頂相關參數所示。
穹面采光頂半徑:R=27594/2=13797mm;環向分段數為:n div=40;Z向分段數為:z =8。
②計算穹面球頂半環向角
參照圖1-3定義穹面球頂的相關參數所示，穹面采光頂半環向角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參數
(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”、環向分段數輸入“40”、Z向分段數輸入“8”、半環向角T輸入“65.85°”，“截面屬性”按面“Default”(缺省)設置，點擊【確定】，程序在自動調整相關參數、優化設計完成采光頂鋼結構幕墻三維模型，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
定義采光頂鋼結構(Q235B)框架截面：采光頂經向采用鋼方通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”
計算鋼框架結構受力時，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節點支座（詞條“支座”由行業大百科提供）約束
在采光頂幕墻模型中，基座立柱在結構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構件連接釋放
本例采光頂鋼結構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據
(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”，“自重乘數選”欄選“0”，點擊【添加荷載模式】，完成風荷載定義;在“自動側向荷載”欄中，選“Chinese 2012(中國規范)”，點擊【修改荷載模式】，再點擊“修改自動側向荷載”，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域的面單元(或“虛面”)指定不同的風荷載體形系數。
b.在“風荷載體形系數”欄中，“基本風壓”0.35(kN/m2)、地面粗糙度：選“B”類。
c.在“幾何參數系數”欄中，按程序默認的參數。
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“模態分析”計算得到。
f.在“振型系數”欄中，可以選擇“模態分析”計算得到振型系數。
g.在“其他參數”欄中，本例選擇按默認。再點擊【確定】，完成了修改自動側向荷載，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，穹面采光頂鋼結構幕墻定義荷載工況如下：
圖1-7定義荷載工況
4.施加荷載
當計算采光頂鋼結構幕墻框架受力時，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”中國規范定義了自動側向荷載，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
中國規范給出的是體形系數，而SAP2000中需要定義風壓系數，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，那么根據風工程學理論換算關系為：
Cp i= us i(z/H0)2α
上述公式中，us i為各測點的體型系數;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，對應B類場地地面粗糙度，可取0.15;本例取各體型系數區域測點位置最高處(在模型中測量)計算。
根據采光頂面的局部3軸方向，可以確定風壓系數的正負。體型系數正負與坐標軸方向無關，也非數學上量的正負值，它分別表示為風壓力與風吸力，在體型系數值區域中風壓系數值的正負與局部3軸方向有關，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所示的對應的風壓系數分別約(如要精確值，需要按工程實際標高計算比值)為：
a.當體形系數區域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，風壓系數換算為Cp i = +1.0，與局部3 軸方向一致;
b.當體形系數區域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.當體形系數區域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.當體形系數區域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點為“122、121、123、...159、160”以上的體形系數區域(共5圈)，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(殼)】，彈出的“指定風壓系數”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Cp”輸入“+1.0”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現有荷載”，點擊【應用】→【確定】，完成風荷載施加，見圖1-9體形系數us i= -1.0時施加風荷載所示。
圖1-9體形系數us i= -1.0時施加風荷載
②在體形系數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區域，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(殼)】，彈出的“指定風壓系數”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Cp”輸入“-0.6375”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現有荷載”，點擊【應用】→【確定】完成風荷載施加，見圖1-10體形系數us i=+0.75時施加風荷載所示。
圖1-10體形系數us i=+0.75時施加風荷載
③在體形系數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區域，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(殼)】，彈出的“指定風壓系數”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Cp”輸入“+0.5312”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現有荷載”，點擊【應用】→【確定】完成風荷載施加，見圖1-11體形系數us i= -0.625時施加風荷載所示。
圖1-11體形系數us i= -0.625時施加風荷載
④在體形系數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區域，再點擊界面上【指定A】→【面荷載】→【風壓系數(殼)】，彈出的“指定風壓系數”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Cp”輸入“-0.6082”，“Load Distribution”選定“To Frames-Two-Way”，“選項”為“替換現有荷載”，點擊【應用】→【確定】完成風荷載施加，見圖1-12體形系數us i=+1.0時施加風荷載所示。
圖1-12體形系數us i=+1.0時施加風荷載
5.分析結果
經過上述利用風壓系數直接導入風荷載方法與指定施加的計算結果比較(略)，我們得知：得到的位移未變化、但桿件所受的應力略為增加。
作者單位：港湘建設有限公司
