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穹面采光顶钢结构（词条“钢结构”由行业大百科提供）幕墙设计时要考虑恒载、活荷载、风压等荷载（词条“荷载”由行业大百科提供）对采光顶钢结构的作用与影响。SAP2000结构分析中风压荷载施加往往要通过计算阵风系数（词条“阵风系数”由行业大百科提供）、风压高度变化系数、局部风压体型系数和基本风压后，再换算成线荷载施加在采光顶钢结构幕墙杆件上，才可以计算其结构所受的应力与挠度。本文通过风压系数直接导入风荷载方法，则可以更加方便地施加较为复杂的采光顶面的自动风荷载。
1.工程设计条件
长沙某商业广场穹面采光顶钢结构幕墙，建筑物类别：B类;抗震设防烈度:6度(0.05g);采光顶计算标高：31.46m、圆形采光顶矢高为7645mm、弦长为27440mm圆形采光顶直径为27594mm，见图1-1采光顶钢结构幕墙尺寸图所示。
图1-1采光顶钢结构幕墙尺寸图
1.1风荷载基本参数
(1)局部风压体型系数
根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)：按图1-2圆形采光顶体型系数规定采用，局部体型系数μs，可取+0.6;另外在计算围护构件及其连接的风荷载时，可按规定体型系数的1.25倍取值。
图1-2圆形采光顶体型系数表
按图所示分别对应为正风压体形系数为：μs+=0.8×1.25=1.0(风压力);μs+=0.6×1.25= 0.75(风压力);负风压体形系数：μs-=-0.8×1.25=-1.0(风吸力);μs-=-0.5×1.25=-0.625(风吸力)。
(2)基本风压值
长沙地区取0.35(kN/m2)。
2.建立分析模型
采光顶经向分别由钢方通BOX300×150×8、BOX200×100×8间隔设置组成主钢结构杆系、纬向由钢方通BOX80×80×4、BOX60×60×4组成横梁与支撑杆件;经向钢方通分为大小不一的8×2=16格、采光顶底部按2153mm分为大小相同的20×2=40格。
2.1创建模型
(1)定义穹面采光顶
①计算穹面采光顶相关参数
穹面采光顶相关参数，见图1-3定义穹面采光顶相关参数所示。
穹面采光顶半径:R=27594/2=13797mm;环向分段数为:n div=40;Z向分段数为:z =8。
②计算穹面球顶半环向角
参照图1-3定义穹面球顶的相关参数所示，穹面采光顶半环向角T为：
arctan T=(27440/2)/(13797-7645)=2.2302;T=65.85°
图1-3定义穹面采光顶相关参数
(2)绘制模型图
命令路径：在初始化模型所示，在“选择模板”上点击【壳】弹出“壳”对话框，在“壳类型”中，选择“Spherical Dome(穹面球顶)”，“穹面球顶”半径R输入“13797”、环向分段数输入“40”、Z向分段数输入“8”、半环向角T输入“65.85°”，“截面属性”按面“Default”(缺省)设置，点击【确定】，程序在自动调整相关参数、优化设计完成采光顶钢结构幕墙三维模型，见图1-4采光顶幕墙三维模型图所示。
2.2定义采光顶框架截面
定义采光顶钢结构(Q235B)框架截面：采光顶经向采用钢方通BOX300×150×8截面与BOX200×100×8截面、纬向采用钢方通采用BOX80×80×4截面及支撑BOX60×60×4截面、基座立柱（词条“立柱”由行业大百科提供）由钢方通BOX250×150×8组成。
2.3建立导荷“虚面”
计算钢框架结构受力时，可以选择指定已建模型中的框架及用于导荷载的所建立的“None(虚面)”。
2.4节点支座（词条“支座”由行业大百科提供）约束
在采光顶幕墙模型中，基座立柱在结构梁上可以按固接形式考虑。
图1-4采光顶幕墙三维模型图
图1-5 Chinese 2012-自动风荷载
2.5构件连接释放
本例采光顶钢结构幕墙仅释放斜向支撑杆件(二力杆)即可。
3.定义荷载模式与工况数据
(1)定义荷载模式
①定义风荷载标准值
在“定义荷载模式”对话框中，“名称”栏输入“wk”为风荷载wk标准值，“类型”栏选“Wind”，“自重乘数选”栏选“0”，点击【添加荷载模式】，完成风荷载定义;在“自动侧向荷载”栏中，选“Chinese 2012(中国规范)”，点击【修改荷载模式】，再点击“修改自动侧向荷载”，弹出“Chinese 2012-自动风荷载”对话框：
a.在“作用对象”栏中，选择“面对象”选项，这样可以为不同的区域的面单元(或“虚面”)指定不同的风荷载体形系数。
b.在“风荷载体形系数”栏中，“基本风压”0.35(kN/m2)、地面粗糙度：选“B”类。
c.在“几何参数系数”栏中，按程序默认的参数。
d.在“迎风高度”栏中，选择“程序计算”。
e.在“基本周期T1”栏中，可以按程序“模态分析”计算得到。
f.在“振型系数”栏中，可以选择“模态分析”计算得到振型系数。
g.在“其他参数”栏中，本例选择按默认。再点击【确定】，完成了修改自动侧向荷载，见图1-5 Chinese 2012-自动风荷载所示。
②定义其他恒载、活荷载标准值、施工检修荷载、竖向地震作用(略);见图1-6定义荷载模式所示。
图1-6定义荷载模式
(2)定义荷载工况
如图1-7定义荷载工况所示，穹面采光顶钢结构幕墙定义荷载工况如下：
图1-7定义荷载工况
4.施加荷载
当计算采光顶钢结构幕墙框架受力时，用鼠标左键直接点击分别选定的采光顶幕墙面板(虚面)，点击界面上工具条中【指定A】➩【面荷载】➩【导荷至框架的均布面荷载(壳)】弹出“指定导荷至框架的均布面荷载”对话框，分别施加恒载DL、活荷载LL、施工检修以及吊挂集中荷载SL;至于采光顶风压荷载wk、竖向地震作用SE，由于已按“Chinese- 2012”中国规范定义了自动侧向荷载，则为程序自动施加计算。
(1)施加重力荷载与施加活荷载(略)
(2)施加风荷载
中国规范给出的是体形系数，而SAP2000中需要定义风压系数，为了计算方便将其换算成参考点位置在圆形采光顶顶点的风压系数，那么根据风工程学理论换算关系为：
Cp i= us i(z/H0)2α
上述公式中，us i为各测点的体型系数;z为各测点的相对地面高度;H0为整个采光顶屋面的高度;α为地面粗糙度指数，对应B类场地地面粗糙度，可取0.15;本例取各体型系数区域测点位置最高处(在模型中测量)计算。
根据采光顶面的局部3轴方向，可以确定风压系数的正负。体型系数正负与坐标轴方向无关，也非数学上量的正负值，它分别表示为风压力与风吸力，在体型系数值区域中风压系数值的正负与局部3轴方向有关，输入正值时风荷载的方向与该面对象的局部3轴正方向一致，输入负值则与局部3轴方向相反。见图1-8显示面对象上局部轴所示，面对象上蓝色坐标轴为局部3 轴，均垂直于采光顶面单元。
图1-8显示面对象上局部轴
那么，本例如按图1-2圆形采光顶体型系数所示的对应的风压系数分别约(如要精确值，需要按工程实际标高计算比值)为：
a.当体形系数区域us i= -1.0(风吸力)时：此处面对象上局部3 轴蓝色坐标轴向上，风压系数换算为Cp i = +1.0，与局部3 轴方向一致;
b.当体形系数区域us i=+0.75(风压力)时：此处面对象上局部3 轴蓝色坐标轴与风压方向相向，风压系数换算为Cp i=-0.6375(计算图1-1中，切线60°处高度与矢高的比值)，与局部3 轴方向反向;
c.当体形系数区域us i=+1.0时：此处面对象上局部3 轴蓝色坐标轴与风压方向相向，风压系数换算为Cp i=-0.6082(计算图1-1中，切线60°处高度与矢高的比值)，与局部3 轴方向反向;
d.当体形系数区域us i=-0.625时：此处面对象上局部3 轴蓝色坐标轴同向，风压系数换算为Cp i=+0.53125(计算图1-1中，切线60°处高度与矢高的比值)，与局部3 轴方向一致。
①在体形系数us i= -1.0时施加风荷载
命令路径：用鼠标左键直接点击选定采光顶中部横梁节点为“122、121、123、...159、160”以上的体形系数区域(共5圈)，再点击界面上【指定A】→【面荷载】→【风压系数(壳)】，弹出的“指定风压系数”对话框中，“荷载模式”选定wk、“风压类型”选“迎风面(随高度变化)”、“风压系数Cp”输入“+1.0”，“Load Distribution”选定“To Frames-Two-Way”，“选项”为“替换现有荷载”，点击【应用】→【确定】，完成风荷载施加，见图1-9体形系数us i= -1.0时施加风荷载所示。
图1-9体形系数us i= -1.0时施加风荷载
②在体形系数us i=+0.75时施加风荷载
命令路径：用鼠标左键直接点击选定如图所示的体形系数区域，再点击界面上【指定A】→【面荷载】→【风压系数(壳)】，弹出的“指定风压系数”对话框中，“荷载模式”选定wk、“风压类型”选“迎风面(随高度变化)”、“风压系数Cp”输入“-0.6375”，“Load Distribution”选定“To Frames-Two-Way”，“选项”为“替换现有荷载”，点击【应用】→【确定】完成风荷载施加，见图1-10体形系数us i=+0.75时施加风荷载所示。
图1-10体形系数us i=+0.75时施加风荷载
③在体形系数us i=-0.625时施加风荷载
命令路径：用鼠标左键直接点击选定如图所示的体形系数区域，再点击界面上【指定A】→【面荷载】→【风压系数(壳)】，弹出的“指定风压系数”对话框中，“荷载模式”选定wk、“风压类型”选“迎风面(随高度变化)”、“风压系数Cp”输入“+0.5312”，“Load Distribution”选定“To Frames-Two-Way”，“选项”为“替换现有荷载”，点击【应用】→【确定】完成风荷载施加，见图1-11体形系数us i= -0.625时施加风荷载所示。
图1-11体形系数us i= -0.625时施加风荷载
④在体形系数us i=+1.0时施加风荷载
命令路径：用鼠标左键直接点击选定如图所示的体形系数区域，再点击界面上【指定A】→【面荷载】→【风压系数(壳)】，弹出的“指定风压系数”对话框中，“荷载模式”选定wk、“风压类型”选“迎风面(随高度变化)”、“风压系数Cp”输入“-0.6082”，“Load Distribution”选定“To Frames-Two-Way”，“选项”为“替换现有荷载”，点击【应用】→【确定】完成风荷载施加，见图1-12体形系数us i=+1.0时施加风荷载所示。
图1-12体形系数us i=+1.0时施加风荷载
5.分析结果
经过上述利用风压系数直接导入风荷载方法与指定施加的计算结果比较(略)，我们得知：得到的位移未变化、但杆件所受的应力略为增加。
作者单位：港湘建设有限公司
