雪荷载对轻钢结构的影响及提高措施

2011-05-23

山西建筑 2011年27期

1 概述

随着我国工业的迅速发展，钢结构厂房也经历着跨越式的发展，而钢结构的设计中需要考虑各种荷载如恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载等等，本文将着重阐述雪荷载对轻钢结构的影响。众所周知，2007年3月，辽宁地区遭受罕见的暴风雪灾，多处厂房坍塌，造成了巨大的经济损失，以沈阳和鞍山最为严重，雪灾过后，沈阳地区提出了对雪荷载考虑的严格要求，按GB 50009-2001建筑结构荷载规范中给出的100年一遇雪压采用，同时屋面积雪分布系数GB 50009-2001建筑结构荷载规范中提高1．5倍采用等特殊要求。随后2008年初南方遭遇了大雪的侵害，加上低温的影响，加大了雪的密度，使得钢结构厂房又经历了一次严峻的考验。雪荷载作为一种大自然给予的荷载，我们如何考虑其取值才能达到更加经济和安全的效果，本文将着重阐述。

2 雪荷载的取值及影响

雪荷载在考虑基本雪压的同时，在高低跨，女儿墙及气楼等位置还需考虑雪堆积，超过了设计荷载建筑结构就会发生不同程度的破坏。

2．1 基本雪压

根据我国GB 50009-2001建筑结构荷载规范，雪荷载标准值计算公式:Sk=urS0。其中，ur为屋面积雪分布系数(参见规范中表 6．2．1);S0为基本雪压。

美国规范ASCE中屋面雪荷载为:屋面坡度小于5°:pf=0．7CeCtIpg。屋面坡度大于5°:ps=Cspf。其中，pf为屋面雪荷载;Ce为暴露系数(参见ASCE表7-2);Ct为温度系数(参见ASCE表7-2);I为重要性系数(参见ASCE表7-2);pg为地面雪荷载;Cs为坡度系数(参见ASCE表7-2)。对于双坡屋面坡度小于2．38°和21．3/w+0．5中的较大值，或多坡屋面小于15°和弧形屋面中檐口和拱顶的竖向夹角小于10°时屋面雪荷载不能小于如下数值:当地面雪荷载不大于0．96 kN/m2时，pf=Ipg;当地面雪荷载大于0．96 kN/m2时，pf=0．96I。

2．2 雪堆积

在此仅讨论高低跨位置的雪堆积。雪堆积的实际情况及中美规范中规定的雪堆积取值参见图1。

1)中国规范规定。中国规范按照积雪长度为2倍高差，且不小于4 m，不大于8 m，此部分雪荷载的不均匀分布系数按2．0选取。

2)美国规范规定。美国规范中高低跨位置的屋面雪堆积取迎风和背风屋面中的较大值为设计值。背风堆积是指从较高屋面吹向较低屋面的堆积值hd，hd直接从图2获得，迎风值hc见图3。其中，lu等于较高屋面长度或全宽，如果低屋面靠近边墙，lu等于框架跨度(宽度)，如果低屋面靠近山墙，lu等于建筑长度。迎风屋面lu取较低的屋面长度，迎风堆积荷载值取0．75×hd。堆积设计值hd取迎风值和背风值中的较大值，但是小于hc。如图4所示堆积宽度w=4hd，或w=4hd2/hc，堆积荷载值(在最高位置)pd=hdγ(γ =0．426pg+2．2 ＜4．7 kN/m3)。

图1 雪堆积取值示意图

图2 低屋面上的雪堆积形式

图3 地面雪荷载与堆积高度关系曲线

如果hd＞hc，则pd=hcγ。如果w大于较低屋面长度，雪堆积在屋面边缘为梯形，而不再是三角形。根据ASCE的规定，雪堆积用于相邻建筑的距离在6．1 m范围内，且堆积高度hd可以根据相邻建筑之间的距离进行折减，折减系数为(6．1－s)/6．1，s为相邻建筑的距离，堆积宽度将根据折减后的hd值重新计算，同时hc/hd＜0．2时，堆积荷载不需考虑。同时在计算荷载组合时除基本雪压之外，加上堆积雪荷载，滑移雪荷载及考虑雨作用下的雪荷载增大值三者中的较大值。

2．3 破坏形式

当实际产生的雪荷载超过设计荷载时建筑就会发生不同形式的破坏，主要有檩条平面外失稳，主梁平面外失稳，梁柱节点弯扭失稳，屋面局部塌陷，结构整体垮塌等。

图4 屋面雪荷载堆积图

3 提高设计安全性的措施

雪荷载对建筑产生了不同形式的破坏，我们在设计时就不得不考虑加强措施，主要有以下几方面:1)荷载取值要偏于安全。对于雪荷载比较大及频繁的地区且结构对雪荷载比较敏感的建筑应特别注意雪荷载的影响，取值要按偏于安全考虑，像沈阳、威海等地区均按百年一遇雪荷载考虑。2)设置檩间支撑，阻止平面外失稳。建筑受雪的影响而遭到破坏，大部分由于平面外失稳，而增加檩间支撑是减少檩条平面外失稳的有效途径，檩条不被破坏，从而降低了梁平面外失稳的几率。3)设置纵向支撑。增加纵向支撑可以提高建筑的整体稳定性，大大降低平面外失稳的可能性。4)不要过度优化。理论上应力比小于1．0即可，但是在实际的设计中梁的应力比最好小于0．95。5)进行定期检测，及时发现不安全部位，施工过程中要严格按照设计图纸，且由具有相应资质的施工单位进行施工。

4 工程实例

1)设计资料:某项目建筑长度150．4 m，宽度60 m，高度19．54 m，在山墙位置附有一长34 m，宽60 m，高6．14 m的低跨建筑一，边墙位置附有一长45 m，宽9．5 m，高4．74 m的毗屋，在此定义为建筑二，屋面坡度均为6%，项目位于新疆，雪荷载为0．8 kN/m2，地面粗糙度为B类。2)设计分析:该项目在边墙及山墙位置的低矮建筑由于建筑物之间的距离为0 m，故而低矮建筑均需考虑雪堆积。按中国规范，堆积宽度为2倍高差，且不小于4 m，不大于8 m，由于2倍高差为28 m，大于8 m，故而取8 m，此区域雪荷载为2倍雪荷载，即1．6 kN/m2。按照美国ASCE规范计算均hc/hd＞0．2，且相邻建筑间距小于6．1 m，故而也需要考虑雪堆积，经计算屋面雪荷载之外的堆积荷载宽度建筑一和建筑二分别为 7．6 m，5．1 m，堆积荷载最大值分别为 4．82 kN/m2，3．24 kN/m2呈三角形分布，将其作用于檩条和梁上，按ASCE计算出的荷载堆积比中国荷载规范计算出的荷载堆积更不利一些，故而选用较大值。