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002021

Alex Bacon, EIT

2026-01-15

RFEM 6 中根据 ASCE 7-22 计算风荷载工况 2 和 4

根据ASCE 7-22在RFEM 6中考虑风荷载工况2和4

1. 介绍:

风荷载是设计任何结构的关键组成部分，特别是对于主要抗风系统 (MWFRS)。ASCE 7-22 [1] 标准概述了几种负载情况，以说明风向和建筑抗扭影响的变化。

历史上，RFEM 6 的风荷载向导允许根据 ASCE 7 自动生成风荷载，适用于传统的 情况 1 和 3，它们代表风直接作用在结构主面上的典型负载场景。

随着最新更新，RFEM 6 现在支持 情况 2 和 4，其中考虑了 由于膜片中不均匀风压造成的扭转载荷效应。这一增强功能允许用户基于 ASCE 7-22 生成更现实的风荷载效应，特别是针对不规则或柔性膜片结构。

2. 理解 ASCE 7-22 风荷载情况

根据 ASCE 7-22 的第 27 章，MWFRS 的风荷载情况定义如下：

情况 1: 迎风墙和背风墙同时承受负载，无扭转（正内部压力）。
情况 2: 与情况 1 相同，但包括由于风对建筑物偏心产生的扭转载荷（正内部压力）。
情况 3: 情况 1 的逆向（负内部压力）。
情况 4: 情况 2 的逆向（带扭转的负内部压力）。

情况 1 和 3 代表对称压力分布，而情况 2 和 4 对结构施加扭矩以模拟建筑物宽度上的风压变化。

3. 在 RFEM 6 中的实现

3.1 自动膜片检测

RFEM 6 的风荷载向导现在可以自动检测结构模型中的定义膜片。这可以通过两种方式实现：

通过 建筑模型附加功能，在每个楼层自动定义膜片。
通过在模型中使用刚性连接工具手动定义 刚性连接膜片。

一旦检测到膜片，风荷载向导将评估横跨膜片的风压偏心，以确定需要根据 ASCE 7 情况 2 和 4 施加的扭矩。

3.2 负载情况生成

根据 ASCE 7-22 生成风荷载时，RFEM 6 将自动创建以下负载情况：

情况 1: 风在方向 A-B（例如，180°）— 标准压力分布。
情况 2: 风在方向 A-B，伴随扭曲偏心。
情况 3: 风在方向 B-A — 逆向压力分布。
情况 4: 风在方向 B-A，伴随扭曲偏心。

每种情况应用相应的外部压力系数 (C_p) 和内部压力系数 (GC_pi)，遵循第 26 和 27 章说明，同时将情况 2 和 4 的扭矩直接施加到检测到的膜片平面。

案例 2 - 扭矩

案例 4 - 扭矩

在下一部分的验证示例中，某些方向和负载情况已被禁用，以简化示例和模型。

4. 验证示例

为了验证这一新的功能，一个带有山墙屋顶（如下面所示）的简单矩形建筑在 RFEM 6 中进行了建模，并与按 ASCE 7-22 第 26 和 27 章进行的手工计算进行了比较。

模型参数
参数	符号	值
建筑宽度	B	32 英尺
建筑长度	L	40 英尺
檐口高度	h_e	20 英尺
屋脊高度	h_r	30 英尺
平均屋顶高度	h_m = (h_e + h_r)/2	25英尺
屋顶坡度	θ	≈33°

4.1 确定设计风压参数

依据 ASCE 7-22 第 26.10 节：

q_{z} = 0.00256 K_{z} K_{z t} K_{e} V^{2}

设计风压参数：迎风面

q_{z} = 0.00256 K_{h} K_{z t} K_{e} V^{2}

设计风压参数：背风面、山墙、屋面

在此示例中，风向墙为 q_z

风险类别 III
V=107 英里/小时
K_z = 0.57（暴露 B，0 到 15 英尺）
K_z = 0.62（暴露 B，20 英尺）
K_h = 0.66（暴露 B，25 英尺）
K_zt = 1.0
k_d = 0.85
K_e = 1.0
G = 0.85

q_{z, (0 - 15)} = 0.00256 (0.57) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 16.71 p s f

q_{z, (20)} = 0.00256 (0.62) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 18.17 p s f

q_{h, (25)} = 0.00256 (0.66) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 19.34 p s f

设计风压参数

4.2 外压系数

从 ASCE 7-22 图 27.3-1（山墙屋顶，18° 坡）：

表面	Cp
迎风墙	+0.8
背风墙	-0.5
侧墙	-0.7
屋顶（迎风）	-0.12
屋顶（背风）	-0.6

4.3 设计压力

p_{w i n d w a r d} = q_{z} K G C_{p} - q_{h} K_{d} (G C_{p i})

压力 - 迎风面

p = q_{h} (K_{d} G C_{p} - K_{d} (G C_{p i}))

静压 - 背风面

假设内部压力系数 GC_pi = +/- 0.18

表面	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
迎风墙 (0-15 ft)	+0.8	+-0.18	6.70	12.62
迎风墙 (20 ft)	+0.8	+-0.18	7.54	13.423
背风墙	-0.5	+-0.18	-9.92	-4.00
侧墙	-0.7	+-0.18	-12.82	-6.91
屋顶迎风	-0.23	+-0.18	-6.25	-0.25
屋顶背风	-0.6	+-0.18	-11.34	-5.42

4.4 设计扭矩

绕 Z 轴的扭矩 (+GC_pi)

情况 2:

M_{z, 2} = 0.75 (p_{w, x} + p_{l, x}) (B_{x}) (e_{x})

= 0.75 (6.7 psf (15 ft) + 7.54 psf (5 ft) + 9.92 psf (20 ft)) (40 ft) (6 ft)

M_{z, 2} = 63.25 kip - ft

扭矩 - 案例 2

情况 4:

M_{z, 4} = 0.563 (p_{w, x} + p_{l, x}) (B_{x}) (e_{x}) + 0.563 (p_{w, y} + p_{l, y}) (B_{y}) (e_{y})

= 0.563 (6.7 psf (15 ft) + 7.54 psf (5 ft) + 9.92 psf (20 ft)) (40 ft) (6 ft) + 0.563 ((2) (12.82 psf) (20 ft)) (32 ft) (4.8 ft)

M_{z, 4} = 89.82 kip - ft

扭矩 - 情况 4

5. 与 RFEM 6 风荷载向导的比较

在 RFEM 6 中，使用 ASCE 7-22 和相同参数的 风荷载向导：

程序会根据平均屋顶高度和墙高自动计算 q_z 和 q_h。
C_p 值根据墙和屋顶的方向和坡度分配给每个表面。
对于 情况 1 和 3，生成了对称压力。
对于 情况 2 和 4，检测到膜片偏心，并根据 ASCE 7-22 27.3-8 施加了额外的扭矩。

RFEM 6 产生的压力和负载分布与手工计算值非常接近，证实了实现的准确性。微小的差异（≤ 5%）可以归因于程序在表面高度和压力区的几何采样上的更高精度。

手工计算与 RFEM 6 的结果比较:

5.1 RFEM 6 的设计压力

以下值取自 RFEM 6，具体为情况 1 和正/负内部压力。将与本文第 4 节中的手工计算的分析值进行比较。模型文件可以在页面底部单独比较：

风险类别 III
V = 107 英里/小时
K_z = 0.57（暴露 B，0 到 15 英尺）
K_z = 0.62（暴露 B，20 英尺）
K_h = 0.6565（暴露 B，25 英尺）
K_zt = 1.0
k_d = 0.85
K_e = 1.0
G = 0.85

* q_{z, (0 - 15)} = 0.00256 (0.57) (1.0) (1.0) (107)^{2} = N / A

q_{z, (20)} = 0.00256 (0.62) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 18.130 p s f

q_{h, (25)} = 0.00256 (0.66) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 19.242 p s f

计算风压参数

注： q_z 未在风荷载向导中显示

p_{w i n d w a r d} = q_{z} K G C_{p} - q_{h} K_{d} (G C_{p i})

压力 - 迎风面

p = q_{h} (K_{d} G C_{p} - K_{d} (G C_{p i}))

静压 - 背风面

假设内部压力系数 GC_pi = +/- 0.18

表面	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
迎风墙 (0-15 ft)	+0.8	+-0.18	6.761	12.649
迎风墙 (20 ft)	+0.8	+-0.18	7.535	13.460
背风墙	-0.5	+-0.18	-9.895	-4.007
侧墙	-0.7	+-0.18	-12.675	-6.787
屋顶迎风	-0.23	+-0.18	-6.193	-0.305
屋顶背风	-0.6	+-0.18	-11.285	-5.397

5.3 RFEM 6 设计扭矩

绕 Z 轴的扭矩 (+GC_pi)

在 RFEM 6，扭矩是内部计算的，不显示参数。原因是进行这种计算所需的过程复杂，在对话框中显示比较困难。

下面的图像显示了 RFEM 6 进行计算的小例子：

扭矩计算 - RFEM 6

扭矩

M = 7.54 * A1 * 0.15 * b1 + 9.92 * A2 * 0.15 * b2
A1 ... 迎风侧膜片上的负载面积
A2 ... 背风侧膜片上的负载面积
b1 ... 迎风侧建筑宽度
b2 ... 背风侧建筑宽度

以下是 RFEM 6 为情况 2 和 4 计算的力矩：

情况 2:

M_z,2 = 60.66 kip-ft

情况 4:

M_z,4 = 80.84 kip-ft

6. 结论与结果比较

在 RFEM 6 中添加 情况 2 和 4，代表了根据 ASCE 7-22 的自动风荷载生成的重大进步。通过自动检测膜片并施加扭力效应，工程师现在可以：

捕捉到完整的 MWFRS 负载情况范围（1-4），无需手动输入。
确保符合 ASCE 7-22 第 26 和 27 章。
提高建模效率和设计可靠性。

这一验证示例证明，RFEM 6 的风荷载向导生成的结果与手工 ASCE 7-22 计算一致，为用户在精准性和自动化方面提供了信心。可以在下表中看到这一点，该表比较了手工计算的值与在 RFEM 6 中找到的值：

注：手工计算中诸如 K_h 和 C_p 这样的值是四舍五入的，造成了一定的差异。RFEM 6 使用精确值。

正内部压力 (+GC_pi)

表面	分析压力 (psf)	RFEM 6 压力 (psf)	RFEM/分析
迎风墙 (0-15 ft)	6.70	6.761	1.01
迎风墙 (20 ft)	7.54	7.54	1.00
背风墙	-9.92	-9.895	1.00
侧墙	-12.82	-12.675	0.99
屋顶 (迎风)	-6.25	-6.193	0.99
屋顶 (背风)	-11.34	-11.285	1.00

负内部压力 (-GC_pi)

表面	分析压力 (psf)	RFEM 6 压力 (psf)	RFEM/分析
迎风墙 (0-15 ft)	12.62	13.423	1.00
迎风墙 (20 ft)	10.50	12.649	1.00
背风墙	-4.00	-4.01	1.00
侧墙	-6.91	-6.787	0.98
屋顶 (迎风)	-0.33	-0.305	0.92
屋顶 (背风)	-5.42	-5.397	1.00

设计扭矩 (+GC_pi)

情况	分析扭矩 (kip-ft)	RFEM 6 扭矩 (kip-ft))	RFEM/分析
2	63.25	60.66	0.96
4	89.82	80.84	0.90

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根据 ASCE 7-22 在 RFEM 6 中考虑风荷载工况 2 和 4

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ASCE 7 - 22 风荷载向导 - 工况 2 和 4

作者

Alex 负责北美市场的客户培训、技术支持和持续的程序开发。

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