低層金屬建筑屋面雪荷載分析

1、=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 低層金屬建筑屋面雪荷載分析低層金屬建筑屋面雪荷載 分析1概述低層金屬建筑在國內(nèi)稱為輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋，是一種 較新的建筑結(jié)構(gòu)類型，相對于傳統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)形式有其自身特點。國內(nèi)對它的研究 不多，在編制相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程 CECS 102: 98，和修訂版 CECS 102: 20021時，在設(shè)計方法和計算理論上主 要參考了美國MBMA1996低層建筑系 統(tǒng)手冊2，EURO3-ENV1993 標準以及 AISC LRFD 1993/1996的有關(guān)規(guī) 定。對于特別關(guān)注的屋面雪荷載，CECS:102完全執(zhí)行 GB 500093的規(guī) 定。GB

2、 50009關(guān)于屋面雪荷載的規(guī)定比 較簡略，沒有考慮低層金屬建筑的特性， 沒有細化和深化相關(guān)規(guī)定，針對性和可 操作性都不強。 國內(nèi)金屬建筑的建設(shè)已有10多年的時間，部分結(jié)構(gòu)開 始經(jīng)歷接近于甚至超越設(shè)計極限荷載水=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 平的考驗。近幾年國內(nèi)發(fā)生的金屬建筑 雪災(zāi)破壞事件表明：在強降雪區(qū)，機械 地采用荷載規(guī)范關(guān)于雪荷載的相關(guān)規(guī)定 進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并不能完全保證結(jié)構(gòu)的 安全性。這是CECS:102有待于完善的一個方面。主要結(jié)合雪災(zāi)案例，分析了金屬建筑結(jié)構(gòu)的屋面雪荷載的特 性，詳細介紹了 MBMA有關(guān)金屬建筑屋 面雪荷載的有關(guān)規(guī)定，并比較了 GB

3、 50009和BS 6399、ASCE 7雪荷載規(guī)定 的差異，提出 了相關(guān)規(guī)范雪荷載條 文修訂的建議。 2.金屬建筑結(jié)構(gòu)雪 災(zāi)分析 雪災(zāi)案例介紹 2007年 3月初，沈陽地區(qū)遭遇56年來最大的暴 風雪4。當?shù)貧庀笈_資料降雪量49mm， 積雪深度達36cm，伴隨強烈東北風，平 均風力7-8級，最大陣風9-10級。雪災(zāi) 中大量輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋或輕型鋼結(jié)構(gòu)屋 面房屋受損或倒塌，但傳統(tǒng)的鋼筋混凝 土和磚混結(jié)構(gòu)房屋沒有關(guān)于破壞的報 道。調(diào)查表明，有 幾個現(xiàn)象值得重 視： 1）屋面局部積雪深，局部破=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 壞嚴重，相關(guān)區(qū)域主要為雨棚頂、女兒 墻內(nèi)側(cè)

4、、高低屋面的低屋面-墻面交接 處、南側(cè)有高墻處等等，局部積雪深達， 高低屋面處積雪最深甚至超過2m。局部 最大積 雪荷載應(yīng)不小于 2m*150kg/m3= kN/m2。2）積雪含水量大，雪密度大，實際測試的結(jié)果為 180kg/m3,大于東北地區(qū)平均雪密度值 150kg/m3。 平均雪荷載達/m2，已超 過沈陽100年一遇雪壓值。 3）觀 察到地面墻腳處積雪最大深度超過3m 的現(xiàn)象，該處積雪 會對墻面產(chǎn)生側(cè) 向壓力，破壞維護系統(tǒng)。 4）南半 坡屋面大量積雪。觀察到多跨房屋背風 半跨倒塌的現(xiàn)象。案例2：2007年3月3日，天津地區(qū)下了一天的 大雨，3日夜間至4日降下暴雪，地面積 雪深度約25cm。

5、部分鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面L 型角區(qū)低屋面積雪深約達，出現(xiàn)破壞現(xiàn) 象。部分如下：某鋼構(gòu)公司廠房，高差 約2m的低屋面檁條屈曲大幅度折線下 撓；某汽車公司廠房，無女兒墻，檐口=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 下約5m處雨棚坍塌；某紡織公司廠房， 四周有高出屋面約4m的房屋，角部屋面 局部坍塌。以上雪災(zāi)破壞現(xiàn)象，除局部構(gòu)件如雨棚、女兒墻，出屋面墻面 的破壞外，屋面系統(tǒng)破壞的嚴重程度基 本上可以用檁條系統(tǒng)的變化來描述：局 部檁條產(chǎn)生較大變形，雪荷載消減后回 彈；局部檁條屈曲折線下?lián)希谖菝嫔?形成“水坑”，伴隨屋面板起伏、開裂； 屋面系統(tǒng)局部坍塌；檁條屈曲，屋面系 統(tǒng)破壞帶

6、動屋面梁傾覆，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)坍塌。 從屋面均布雪荷載值來看，沈陽地區(qū)雪 壓超過了設(shè)計值/m2,局部雪荷載嚴重超 過設(shè)計值。天津地區(qū)屋面均布雪荷載值 只是接近設(shè)計值/m2,但局部雪荷載嚴重 超過了設(shè)計值。結(jié)構(gòu)安全儲備的概念有觀點認為：雪災(zāi)現(xiàn)象表明金屬建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全儲備 低，并認為安全儲備低是該類結(jié)構(gòu)的缺 點，從而把房屋雪災(zāi)倒塌歸咎于結(jié)構(gòu)體 系本身，進而否定金屬建筑結(jié)構(gòu)的安全 性，否定金屬建筑結(jié)構(gòu)存在的合理性。=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 認為其有失偏頗。結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則是安全、經(jīng)濟、合理。而安全和經(jīng)濟是 矛盾的兩個方面，從安全的角度來看， 結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全儲備越高越

7、好，從經(jīng)濟 的角度來看，安全儲備越高越不經(jīng)濟， 這需要找到平衡點，同時，我們不能用 安全儲備的高與低來評價結(jié)構(gòu)體系或結(jié) 構(gòu)設(shè)計的優(yōu)與劣。我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和規(guī)程都是依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠 度設(shè)計統(tǒng)一標準規(guī)定的原則編制，采 用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方 法，按分項系數(shù)表達式進行計算。滿足 y0SR即認為是安全的。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 規(guī)范根據(jù)建筑的重要性、結(jié)構(gòu)形式的差 異、構(gòu)件類別的差異，通過提高荷載水 平、采用不同構(gòu)造措施、采用不同的計 算理論等來體現(xiàn)對結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性 的不同要求和平衡。本質(zhì)上是通過調(diào)整 荷載水平或內(nèi)力水平來保證結(jié)構(gòu)的安全 性。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范并沒有“安全儲 備”的概念和要求?？?/p>

8、體上講，在充分考 慮了建筑物的功能要求和使用要求，確=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 定了荷載水平后，設(shè)計結(jié)果R越接近Y0S 越合理。但設(shè)計師在具體實施項目設(shè)計 時，基于自己主觀判斷，R相對Y0S多 少有一定的余量空間，這個空間就是通 常意義上的安全儲備。安全儲備和安全 性是不同的概念。結(jié)構(gòu)設(shè)計除了強度指標和穩(wěn)定性指標外，還有剛度指標， 輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大部分是剛度指標起控 制作用，這表明，即使超載作用達到了 Y0S=R，結(jié)構(gòu)在倒塌前仍然具備可觀的超 限承載力。一般的理解，即使出現(xiàn)較大幅度的超載現(xiàn)象，如30%以上，結(jié) 構(gòu)破壞也是一個概率問題，沈陽雪災(zāi)較 多地出現(xiàn)

9、倒塌現(xiàn)象多少有些費解。而對 于天津地區(qū)，只是局部超載，也出現(xiàn)了 屋面局部坍塌現(xiàn)象，同樣出乎意料。 排除了設(shè)計錯誤的影響后，就不關(guān)乎安 全儲備問題了。應(yīng)該從雪災(zāi)中表現(xiàn)出的 反?，F(xiàn)象入手，通過分析結(jié)構(gòu)本身的荷 載反應(yīng)特征來尋求解釋。 結(jié)構(gòu)反 應(yīng)分析 1）金屬建筑結(jié)構(gòu)的總體荷 載水平 首先，低層金屬建筑的顯著=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 特征是自重輕，通常檁條和屋面維護系 統(tǒng)自重約/m2,整個屋蓋系統(tǒng)自重約/m2。 其次，屋面活荷載小。對于不上人屋面， GB 50009規(guī)定屋面活荷載為/m2，對于 金屬建筑，在大部分情況下可以折減為 /m2，這比MBMA5和BS

10、 6399確定不 上人的值要低很多。MBMA規(guī)定不上人 屋面活荷載為/m2,在大部分情況下可以 折減為/m2； BS 63997，8規(guī)定為/m2， 在有雪荷載的情況下為/m2。雖然我國總體雪荷載不大，但對于金屬建筑 屋蓋系統(tǒng)塌陷問題，在大部分降雪區(qū)， 含雪荷載的荷載組合基本上起控制作 用。對于沈陽雪災(zāi)，實際雪壓大約為/m2，相對于設(shè)計雪壓/m2，超載值為 /m2,對于屋蓋倒坍塌問題，控制荷載組 合為(+)，整體荷載超載比例約為(*) /(*+*)=22%。非積雪區(qū)檁條和屋面板荷 載超載比例約為(*)/(*+*)=23%。可見，雪荷載超載值雖然很小，但荷載 超載比例卻很大?？梢?，于低層金屬建筑結(jié)

11、構(gòu)的總體荷載水平低，較小的=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 荷載值變化也會引起較大的應(yīng)力水平變 化，金屬建筑結(jié)構(gòu)對雪荷載反應(yīng)敏感。2）局部荷載分布形式的影響金屬建筑結(jié)構(gòu)屋面檁條的間距一般為，在檐 口、屋脊、高低屋面處以及端跨處可能 會更小。顯然局部堆積雪荷載對檁條的 安全性在很大程度上起控制作用。 參考GB50009規(guī)定和條文說明，假設(shè)堆 雪區(qū)檁條間距為1m，堆雪寬4m，結(jié)構(gòu) 設(shè)計時，高低屋面低屋面局部均勻堆雪 分布系數(shù)取。反推成接近于真實情況的 三角形分布，則最大分布系數(shù)應(yīng)取。該 區(qū)域?qū)?yīng)5根檁條，假設(shè)雪載均布，各 檁條的荷載水平都記為1，相應(yīng)地，在三 角形

12、分布條件下，從積雪最深處檁條開 始，各檁條的荷載水平依次約為，。 可見按局部雪載均布設(shè)計，有2根檁條 荷載值嚴重偏低；有兩根檁條荷載值嚴 重偏高。這表明，金屬建筑結(jié)構(gòu)對荷載分布的尺度也是很敏感的，對局部 荷載作等效分布處理一般不會影響主體 結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果，但會嚴重影響局部檁條=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 的安全性和經(jīng)濟性。3)局部堆雪模型 對于沈陽案例，按均布雪荷 載為/m2考慮，仍假定堆雪區(qū)檁條間距 為1m，堆雪寬4m，高低屋面低屋面局 部均勻堆雪分布系數(shù)取。堆積雪區(qū)邊區(qū) 第2根檁條的理論超載幅度為： (*2*)/(*+*2*)=25%(*)/(*+*)=

13、28%按實際觀察到的最大 局部積雪狀態(tài)計算堆積雪區(qū)邊區(qū)第2根 檁條實際超載幅度： *(*)/(*+*2*)=124%如果按GB50009條文說明，假定局部積雪為三 角形分布，最大分布系數(shù)取，堆積雪區(qū) 邊區(qū)第2根檁條的超載幅度為： *(*)/(*+*)=44%對于天津案例按均布雪荷載為/m2，理論上沒有超載。 積雪區(qū)檁條布置和積雪區(qū)寬度假定同前 問。按實際觀察到的最大局部積雪狀態(tài) 計算堆積雪區(qū)邊區(qū)第2根檁條實際超載 幅度： *(*)/(*+*2*)=84% 如 果按GB50009條文說明，假定局部積雪 為三角形分布，最大分布系數(shù)取，堆積=精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀

14、下載= 雪區(qū)邊區(qū)第2根檁條的超載幅度為： *(*)/(*+*)=22% 以上計算表 明：沈陽雪災(zāi)檁條嚴重超載達124%，天 津暴雪檁條嚴重超載達84%，沒有人會 提出檁條應(yīng)有接近一倍的安全儲備，所 以屋面坍塌應(yīng)解釋為因檁條嚴重超載所 致。如果設(shè)計時采用GB 50009條文說明 里提到的雪荷載三角形分布系數(shù)，則相 應(yīng)超載幅度降為44%和22%，此時，應(yīng) 該不會出現(xiàn)太多的屋蓋系統(tǒng)倒塌的現(xiàn) 象。于掌握的積雪現(xiàn)象資料有限，以上計算在定量方面不一定準確，但在 定性方面則有重要的參考意義?？梢?， 機械地采用GB 50009關(guān)于屋面局部堆 雪均布規(guī)定設(shè)計檁條系統(tǒng)是不不合適 的，即使按GB 50009條文說明

15、指出的三 角形堆雪考慮屋面積雪，最大分布系數(shù) 統(tǒng)一規(guī)定為4也是不合適的，實際上觀 察到了更嚴重的局部積雪現(xiàn)象。4)金屬建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性金屬建筑結(jié)構(gòu)只有形成一個整體才具備抵抗外 部荷載作用的能力，金屬維護面板事實 =精選公文范文，管理類，工作總結(jié)類，工作計劃類文檔，歡迎閱讀下載= 上為檁條提供一定的側(cè)向支撐，檁條系 統(tǒng)又為剛架系統(tǒng)構(gòu)件提供平面外支撐。一個構(gòu)件的破壞，會帶來連鎖反應(yīng)而導 致系統(tǒng)的破壞。前文雪災(zāi)案例中，都可以觀察到螺釘板的破壞，進而檁條 屈曲扭轉(zhuǎn)。如果面板系統(tǒng)完整，檁條和 屋面會象膜一樣下凹張緊，但不會坍塌。 當面板和拉條破壞，檁條失去平面外支 撐，檁條就會嚴重扭轉(zhuǎn)。當檁條非連續(xù) 布置時，檁條容易因螺栓連接處破壞而 坍塌。不利的是，局部積雪區(qū)大多對應(yīng) 于剛架屋面梁的負彎矩區(qū)，該區(qū)域隅撐 為梁的下翼緣提供平面外支撐，檁條的 大變形、屈曲、扭轉(zhuǎn)、坍塌都會使對應(yīng) 的隅撐失去應(yīng)有支撐作用，導致屋面梁 扭轉(zhuǎn)，離開平衡位置，喪失部分或全部 承載力，即使總體上沒有超載，結(jié)構(gòu)也 會坍塌。當采用連續(xù)檁條時，屋面系統(tǒng) 的整體性強，相對而言不容易坍塌。對 于沈陽雪載，屋面中間區(qū)域檁條系統(tǒng)和 主體結(jié)構(gòu)超載約23%，一般意義上講， 在這一幅度超載作用下，結(jié)構(gòu)不應(yīng)該