轻型房屋钢结构维护结构设计风、雪荷载取值问

轻型房屋钢结构维护结构设计风、雪荷载取值问题探讨

1徐孟利 2张爽

摘要 在维护结构的设计中，《建筑结构荷载规范》对于风荷载和雪荷载的计算比较模糊，设计人员较难把握。现将现行相关规范规程进行比较，结合个人工程实践的体会，供设计人员共同探讨。

关键词 风荷载 风荷载体型系数 雪荷载 雪荷载不均匀分布

随着我国经济的快速发展，门式刚架轻型房屋钢结构得到广泛应用，设计，制作，安装各方对于主刚架的设计边界条件基本达成共识，各方基本遵循统一的设计限值，但是对于维护结构等次要构件的设计各方观点相差较大，由于规范规程不甚完善，导致设计人员在做具体工作时把握起来难度较大。本文仅对维护结构计算中的风荷载和雪荷载的取值谈一点工作体会。

1. 关于维护（檩条或墙梁）结构计算中的风荷载

风荷载体形系数是指风荷载作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。

《建筑结构荷载规范》GB50009表7.3.1风荷载体型系数中所列出的38项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数都是根据国内外的试验资料和外国规范中的建议性规定整理而成的。

在计算维护结构时 （式中 ----高处z处的阵风系数； ----局部风压体型系数。），同时在条文说明中指出“对于低矮房屋的维护结构，按本规范提供的阵风系数确定的风荷载，与某些国外规范专为低矮房屋制定的规范相比，有估计过高的可能。考虑到近地面湍流规律的复杂性，在取得更多资料以前，规范暂时不明确低矮房屋维护结构风荷载的具体规定，但容许设计者参照国外对低矮房屋的边界层风洞试验资料或有关规范的规定进行设计”。这里要说明的是低矮房屋与其他一般房屋受气流作用的机理不同，低矮房屋贴近地面，受地面粗糙度影响显著，气流多呈湍流，其风压分布一般需通过能反映湍流影响的边界层风洞试验测得；其他一般房屋随高度的增加而地面状态高度的影响逐渐转为平稳流，其风压分布一般是通过反映平稳流作用的航空风洞试验测得。美国金属房屋制造商协会MBMA的《Metal Building Systems Manual》关于风荷载的计算是依据前者的试验数据，我国的《建筑结构荷载规范》是依据后者的试验数据，因此《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》选择了更接近实际受力工况的MBMA的《低层房屋体系手册》的计算方法确定了现行规程的风荷载体型系数。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中也同时界定了低矮房屋的体型特点：

1. 门式刚架轻型房屋屋面坡度α不大于10°；

2. 屋面平均高度不大于18m；

3. 房屋高宽比不大于1；

4. 檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A给出垂直于建筑物表面的风荷载计算公式 （式中 ----基本风压，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定值乘以1.05采用； ----风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数，按A.0.2的规定采用），明确指出风荷载体型系数已“考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数”，因此不能与《建筑结构荷载规范》混用；对于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》“未作规定的建筑类型和体型，如风荷载体型系数采用GB50009的规定值，则基本风压和阵风系数也应配套的采用相应的规定值。”

CECS102:2002在条文说明中指出“在这种低矮房屋的屋盖上，风荷载的作用方向与其它竖向活荷载的作用方向相反。当房屋所受的活荷载以风荷载为主时，在刚架截面荷载效应的最不利组合中，不应考虑与风荷载效应符号相反的其它活荷载效应。同样，当房屋所受的活荷载以其它荷载为主时，与其它活荷载效应符号相反的风荷载效应不应进入截面荷载效应的最不利组合。”“这种房屋的屋面风吸力较大，檩条在风吸力的作用下有可能产生下翼缘失稳，在设计时应予注意。”常用PKPM软件，在计算简支檩条时荷载工况组合：

组合1： 1.2恒载+1.4(活载+0.9积灰)，

组合2 ：1.0恒载+1.4风载(吸力)组合；

在计算连续檩条时荷载工况组合：

组合1：1.2恒+ 1.4活+ 0.9*1.4*积灰+ 0.6*1.4*风压

组合2：1.2恒+ 0.7*1.4*活+1.4积灰+0.6*1.4*风压

组合3：1.2恒+ 0.7*1.4*活+0.9*1.4*积灰+1.4风压

组合4：1.35恒+ 0.7*1.4*活+0.9*1.4*积灰+0.6*1.4*风压

组合5：1.0恒+1.4风吸

组合6：1.0恒+1.0活+0.9*1.0*积灰+0.6*1.0*风压

从上述荷载组合中不难看出连续檩条计算缺少以活荷载为主的工况，设计人员应验算风荷载为零的工况。同样，屋面恒荷载应按实际荷载取值，通常选用的0.3KN/m2比实际荷载偏大。

2. 关于维护（檩条）结构计算中的雪荷载

《建筑结构荷载规范》中给出屋面水平投影面上的雪荷载标准值计算公式 (式中 ----屋面积雪分布系数， ----基本雪压)，GB50009对屋面积雪分布系数仅概括地给出了8种典型屋面积雪分布系数，对于双跨双坡屋面凹处范围内，局部堆雪影响和局部滑雪影响，在α≤25°时考虑等效均匀布置雪荷载；在高低屋面和有女儿墙的檐口处，仅在2倍高差和不小于4m和不大于8m范围内，考虑2倍雪荷载，这种等效荷载原理用于刚架计算是我们计算刚接计算时的常规方法，但是对于仅承担各自区域内的积雪荷载的檩条计算，与实际受力相差较大。原因在于檩条不能共同平均分担不均匀的积雪荷载，这种按简单的阶型分布计算模型计算的积雪荷载与按实际三角形分布计算出来的雪荷载相差悬殊。同时，GB50009第6.2.2条规定“设计建筑结构及屋面承重构件时，”“屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用”，但是GB50009所给出的屋面积雪分布中不包括实际积雪分布的具体形状及计算方法，导致作为设计人员只能套用用于刚架计算的积雪分布系数。

美国金属房屋制造商协会MBMA的《Metal Building Systems Manual》关于积雪荷载的计算，需考虑房屋的采暖保温类型、屋面坡度、建筑物的长宽比、积雪的堆积滑移等多种因素的影响，计算繁琐考虑因素复杂。

 

《门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义》中提供的计算方法是由外国规范归纳总结而来，设计人员应酌情选用。

3.结语

由于业主对于工程投资的控制越来越严格，钢结构制作安装企业对设计图纸进行优化设计在工程实践中已是普遍现象，在计算参数相同的条件下主刚架已难以做大幅度优化，因此他们把优化重点转移到了维护结构上。设计人员往往对于维护构件的重视不足，他们就在荷载上打擦边球，给建设工程留下安全隐患。设计人员在做设计时，应在保证安全的前提下尽量做到经济；在审查优化设计时，应对荷载取值给予足够重视。

参考文献

1. 建筑结构荷载规范（2006年版） GB50009-2001

2. 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102:2002

3. 建筑结构荷载设计手册(第2版).中国建筑工业出版社

4. Metal Building Systems Manual 2002

5. 陈友泉 魏潮文.门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义. 中国建筑工业出版社，2009