圆顶结构风荷载按照 ASCE 7-22

按照 ASCE 7-22 确定风荷载

ASCE 7-22 [1] 中表 29.1-2 中给出了按照主要抗风能力体系 (MWFRS) 确定圆形水箱结构风荷载的必要步骤。

第 1 步： 风险类别根据建筑物的用途或居住者从表 1.5-1 [1] 中确定。 可以采用穹顶结构形式的仓库，该结构对人的生命安全的危险性相对较小。 另一方面，穹顶也用于体育场馆的设计，一旦发生倒塌，可能会对人的生命产生极大的影响。

第 2 步： 在步骤1中确定风险类别后，基本风速(V)可以在图2和4中找到。 26.5-1 和 26.5-2 [1]。 这些图显示了美国 3 秒阵风风速地图，这取决于结构的位置和风险类别。 用户可以在给定的等高线之间进行线性插值。

第 3 步： 在此步骤中需要输入多个风荷载参数，这些参数最终会影响风荷载压力。

表 26.6-1 [1] 中的风方向性系数(K_d )对于圆形穹顶和圆形水箱给出为1.0。

考虑到两个风向，暴露类别根据地形、植被和上风向暴露侧的其他结构设置。 暴露类别（即类别 D）越高，结构可能越暴露。

地形系数 (K_zt ) 考虑了山丘、山脊和悬坡的风加速度。 该值的计算方法见公式 26.8-1 [1]，使用系数 K₁ 、K₂和 K₃ ，见图 26.8-1 [1]。

K_zt = (1 + K₁ K₂ K₃ )²

图 26.8-1 [1] 中的系数 K 取决于地形，例如山的高度（ H ），山顶到建筑物位置的距离（ x ），离地面的高度（ z ）等。

表 26.9-1 [1] 给出了基于结构海拔高度的地面高程系数 (K_e )。 对于所有标高，该系数也可保守取 1.0。

“外壳分类”可以参见章节 26.2 [1]。 洞口会影响混凝土结构中的洞口分类。 对于仓库，在许多情况下，其外壳分类被认为是“封闭的”。 然而，对于体育场馆，这可能取决于结构的墙体洞口、活动屋顶等。

根据外壳分类，在表 26.13-1 [1] 中可以找到内压系数（gc_pi ），正值和负值，分别表示作用在和背离内表面的压力。

阵风影响系数 (G) 取决于第 26.2 节中结构的刚性或柔性刚度定义 [1]。 需考虑钢结构分类的基本固有频率。 使用 RFEM 6 中的模态分析模块可以计算结构的基本自振频率。 在章节 [1] 26.11 中给出了计算刚性或柔性结构 G 的相关公式。 或者只对刚性结构允许取 0.85。

第 4 步： 根据暴露类别，风速压力暴露系数K_z可在表26.10-1 [1]中找到。 在这里需要计算两个 K_z值，一个是圆顶区域墙体的平均高度，另一个是圆顶区域的平均屋顶高度。 线性插值可用于中间高度值。

第 5 步： 风速压力(q_h )由公式 26.10-1 确定 [1]。

q_h = 0.00256K_z K_zt K_e V²

公式中的所有变量都是在前面的步骤中确定的。 将计算两个 q_h值，以便在后面的步骤中使用。 第一个设置是墙体重心所在高度的 q_h ，第二个设置是基于平均圆顶高度，这取决于步骤 4 中的 K_z值。 下标符号 q_h和 q_z在公式 26.10-1 [1] 中可互换使用，具体取决于墙体和屋面的风速压力。

第 6 步： 在第 29.4.2.1 节 [1] 中，对于独立穹顶的墙体，力系数 (C_f ) 可设置为 0.63，其中 h_c/D 的范围在 0.25 到 4.0 之间，其中 h_c = 实心圆柱体高度，D =直径。 组合穹顶的墙体的 C_f在图29.4-6的基础上计算[1]。

第 7 步： 屋顶角度大于10°的圆顶屋顶的外部压力系数（C_p ）在图 27.3-2 [1]中确定。 根据计算的穹顶高度、距穹顶底部的高度和直径可以得出该图中 A、B 和 C 三个特定结构的 C_p值（图 01）。

圆底圆顶屋面的外部压力系数 Cp

使用这些不同的 C_p值沿周长和高度考虑两种风荷载工况：

情况 A： A 和 B 之间以及 B 和 C 之间的 C_p值应通过平行于风向的穹顶上的圆弧线性插值法确定。

情况 B： 对于 θ ≤ 25°，C_p是取值 A 的一个常数，并且通过从 25° 到 B 以及从 B 到 C 线性插值计算。

第 8 步： 墙体的风力(F)的计算方法为公式 29.4-1 [1]。

F = q_z K_d GC_f A_f

风力 (F) 除以风向投影面积 (A_f )，得出在 RFEM 中作为面荷载应用的墙面压力。 q_z是在步骤 5 中计算的风速、压力，但是要带一个下标，因为它们在墙的重心 A_f （墙的平均高度）处可以互换使用。

独立圆顶和成组圆顶的设计压力 (p) 可通过公式 29.4-4 找到 [1] 。

p = q_h K_d (G C_p - G C_pi )

第 5 步中的 q_h值是在平均圆顶高度处计算的。 在步骤7中可以确定G和G cmc_pi ，在步骤7中可以查到一个圆屋顶的C_p > 10°的情况。

RFEM 中墙体压力计算

风压是从步骤 8 中确定的。 风压应在迎风面和背风面两个方向上施加于投影面积上。 该投影荷载可以通过“插入” → “荷载” → “面荷载”很容易地施加在穹顶墙面上。 在出现的对话框中，选择墙面并定义其投影方向（图 02）。

投影方向面荷载对话框

要目视检查施加的荷载，请在分析后在结果导航器（见图 03）中勾选“荷载分布”复选框。 对相应的荷载工况迭代计算一次就足够了。 这比使用细化网格求解大型结构的所有荷载工况和组合节省时间。 默认荷载分布的精度取决于所划分的有限元网格。 网格越细，荷载分布的大小就显得越精确。

沿墙体的荷载分布

RFEM 中穹顶受压定义

如上面步骤 7 中所述，ASCE 7-22 中的图 27.3-2 指定了圆形基座穹顶的外部压力系数。 图27.3-2 [1]中的注释4表示外部风压系数沿任何垂直于风向的平面上是恒定的。 在步骤7中提到的图27.3-2 [1]显示了沿拱形屋顶的三个区域（A，B和C）的外部压力系数。 根据图 27.3-2 备注 1 中的进一步规定，应考虑两个荷载工况 [1] 。 这两种情况都需要通过线性插值法确定点 A、B 和 C 之间的位置。

外部压力系数对于 A 点是 -0.4，B 点是 -1.1，C 点是 -0.4（见图 01）。 根据公式 29.4-4 [1] 和上面的步骤 8，点 A 的风压结果为 -12.79 psf/-3.94 psf，点 B -27.43 psf/-18.573 psf，和 -12.79 psf/-3.94 psf点 C 分别为 +G C_pi和-G C_pi 。

这些荷载可以在 RFEM 中通过菜单栏“插入” → “荷载” → “自由矩形荷载”来定义。 除了定义投影平面和荷载方向外，还可以考虑通过在各个点（A、B和C）之间的插值来定义荷载分布的线性函数。 这样就定义了两个自由矩形荷载。 第一个用于 A 到 B 区（图 04），第二个用于 B 到 C 区（图 05）。

自由矩形荷载(面 A 到 B) 对话框

自由矩形荷载(面 B 到 C)对话框

前面提到的荷载分布功能位于结果导航器下，将显示施加在圆顶上的风荷载。 为了清楚地查看沿屋顶单个切割线的荷载效应，可以选择创建一个“结果”剖面（图 06）。

穹顶上的荷载分布和结果截面