暴雪后对轻钢结构设计的启示

于洪雨　唐学红　张晓峰

摘 要：轻钢结构遭遇罕见的暴雪后，如何从设计角度合理的构造上减少损失，最大限度的保证结构的安全。

关键词：轻钢结构构造保证 暴雪后荷载取值 钢结构破坏分析

中图分类号：TU39215 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0065-01

2007年正月十五，沈阳地区下了一场罕见的大雪，沈阳轻钢结构的厂房有了很大程度的破坏，当时正在一个钢结构公司任职，有机会深入雪灾现场，对钢结构的破坏有一定的感性的认识，根据钢结构的破坏情况的总结，认为轻钢结构的设计需要做一些构造上的修正。

1 輕钢结构的特点

⑴施工周期短；⑵综合经济效益好；⑶抗震性能好；⑷宜于拆卸搬迁。

2 认知误区

所谓轻型钢结构（以下简称轻钢），大部分人认为就是“门钢”其实，这是个理解的误区，CECS 102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》1.0.2有很明确的定位，“本规程适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的 A1～A5工作级另晰式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装。”轻钢是门钢里的一部分而已。

轻钢用的材料较薄，多采用冷弯薄壁型钢结构、热轧轻型钢结构、焊接或高频焊接轻型钢结构、轻型钢管结构、板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。整体结构较轻，由门式刚架、檩条及围护系统组成了一个轻钢系统，各部分协调分工，共同承担结构以外传来的荷载。而不是由某部分单独承担。所以很多刚入门的钢结构设计员以为学会了STS就会钢结构设计了，这是个大大的认识上的的错误。为什么美国VP的企业内部规范可以独立于国家规范之外使用？就是因为他的设计已经形成了一个完善的保护体系，在各个细部都对整个系统形成了保护，围护系统通过繁多的转接件，完美的与主结构结合到了一起。

3 钢结构破坏分析

这次暴雪后轻钢结构的损坏，大部分是因为积雪的分布不均匀引起的，面积较大的屋面，因为设计的坡度比较小（1/8～1/20）而沈阳取1/15的工程比较多，坡度较缓，容易积雪。在风荷载的作用下发生迁移，沈阳这次暴雪，风由北向南吹，根据气象资料市区降雪量为490mm，平均积雪厚度为360mm，平均风力6～7级，最大阵风达到了9～10级。很多房屋的北坡的雪被吹到南坡，造成厂房南半跨大量的积雪。最大的积雪深度达到了1.5～2m，雪的含水量较高，大大的超过了设计值，造成了破坏。

根据观察，这次雪灾破坏，并不是因为主结构（钢架）的承载力不足引起，而是因为因为局部雪荷载过大，造成檩条失稳，失稳后檩条的强度急剧下降，而把整个结构“拉跨”积雪后，屋面板变形，产生了缝隙，积雪从板缝进入玻璃丝棉，室内外温差比较大，积雪迅速融化，融水大量的被玻璃丝棉吸收，造成变形进一步加大，最终造成檩条失稳，檩条扭曲下落，把两侧的钢架“扯”坏，因为梁突然受扭，也局部失稳，从而造成单面的钢架也跟随破坏了。

因为积雪深度比较大，雪的含水量比较高，荷载达到了2.0～3.0kN/m2，根据沈阳建筑大学的教授对积雪的实测结果是180kg/m3，而沈阳市的50年一遇的雪荷载取值为0.50kN/m2，实际的荷载远远的大于设计荷载。

从受损的情况看，最轻的是檩条弯曲变形，屋面板起落，但钢架未倒。较严重的是屋面板和檩条塌落，连带把钢架拉到。设计时屋面板的蒙皮效应以及他和檩条连接造成的整体刚度，对刚架起到了有力的侧向支撑作用，为此省去了上弦平面的支撑，但雪灾时他们帮了倒忙。因为面板和檩条超载，首先是面板受损，失去了面板对檩条上翼缘的约束，檩条迅速变形，随后坠落，进而把钢架的斜梁拉坍。蔡益燕老师认为斜梁坍塌的特点是在变截面处折弯，由于平面外的刚度也较小（仅用L50的角钢保证），引起了向侧面的扭折，所以建议钢结构设计者在对截面进行优化的时候变截面梁的最小截面不宜过小，优化时要留有余地。隅撑在抗倒塌方面起不到任何的作用。

4 解决办法

这次雪灾后沈阳发布了地方标准（沈建发﹝2007﹞40号），雪荷载按100年取值，还要乘1.5的系数，对于这个规定很多人不是能接受，毕竟现在轻钢市场粥少僧多，业主要控制投资，如果雪载这么取值那么用钢量会成倍的提高，这样的设计会缺少竞争力，而我认为通过有效的构造布置可以减少同样情况下的损失程度。

（1）方案一：增加坡度。

有效的增加坡度。屋面坡度影响积雪的分布，美国、日本等国家规定当屋面坡度>60°时，屋面积雪很小，可不考虑雪荷载。我国的这一规定是50o，对于轻钢规范的坡度限制，只是对小于1/20的坡度要求进行校核结构变形后雨水顺利排泄的能力。如果不愿意增大坡度超出规范的范围，那么取其中的较大值，应该在同等条件下，应该比坡度小的情况好一点。

（2）方案二：在斜梁中部进行檩条加密。

在斜梁的中部的檩条加密，在可能的最大的积雪的位置进行檩条的加密，并采用刚性拉条或者交叉拉条，可以有效的提高刚度和稳定性（如图1所示）。在斜梁的中间位置或在挠度最大点，进行檩条加密。

（3）方案三：增加系杆。

因为钢架的损坏，大部分是因为檩条失稳以后被“拉”坏的，那么，这个方案就是针对“拉”做一个撑杆，在斜梁的中心或者挠度最大点，纵向通长增加系杆，这样即使屋面破坏了檩条和屋面板破坏、损落，但整体刚架依然保持不变，可以把损失降低。

另外，在檩条的计算时，适当的增加集中力的影响，在构造上采取有效的保证檩条失稳的措施，不仅仅考虑风吸力对檩条产生的失稳，也要考虑堆积荷载过大时产生的失稳等等，都能有效的减少突发的荷载变化对结构的影响。经济、合理、有效、可靠的设计才是一个完整的设计，在合理的范围内利用有效的构造措施对轻钢结构的不足进行有效的补充，比盲目的增加构件的截面更可取。

参考文献

[1] 曹勇，李丹丹.某大跨度门式刚架结构设计[J].辽宁建材，2011.

[2] 王洁.轻钢结构设计中常见问题的探讨[J].山西建筑，2011.

[3] 宋延勇，李元齐.浅谈轻钢龙骨结构住宅体系[J].山西建筑，2010.