雪荷載對輕鋼結構的影響及提高措施

1 概述

隨著我國工業的迅速發展，鋼結構廠房也經歷著跨越式的發展，而鋼結構的設計中需要考慮各種荷載如恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、地震荷載等等，本文將著重闡述雪荷載對輕鋼結構的影響。眾所周知，2007年3月，遼寧地區遭受罕見的暴風雪災，多處廠房坍塌，造成了巨大的經濟損失，以沈陽和鞍山最為嚴重，雪災過后，沈陽地區提出了對雪荷載考慮的嚴格要求，按GB 50009-2001建筑結構荷載規范中給出的100年一遇雪壓采用，同時屋面積雪分布系數GB 50009-2001建筑結構荷載規范中提高1．5倍采用等特殊要求。隨后2008年初南方遭遇了大雪的侵害，加上低溫的影響，加大了雪的密度，使得鋼結構廠房又經歷了一次嚴峻的考驗。雪荷載作為一種大自然給予的荷載，我們如何考慮其取值才能達到更加經濟和安全的效果，本文將著重闡述。

2 雪荷載的取值及影響

雪荷載在考慮基本雪壓的同時，在高低跨，女兒墻及氣樓等位置還需考慮雪堆積，超過了設計荷載建筑結構就會發生不同程度的破壞。

2．1 基本雪壓

根據我國GB 50009-2001建筑結構荷載規范，雪荷載標準值計算公式:Sk=urS0。其中，ur為屋面積雪分布系數(參見規范中表 6．2．1);S0為基本雪壓。

美國規范ASCE中屋面雪荷載為:屋面坡度小于5°:pf=0．7CeCtIpg。屋面坡度大于5°:ps=Cspf。其中，pf為屋面雪荷載;Ce為暴露系數(參見ASCE表7-2);Ct為溫度系數(參見ASCE表7-2);I為重要性系數(參見ASCE表7-2);pg為地面雪荷載;Cs為坡度系數(參見ASCE表7-2)。對于雙坡屋面坡度小于2．38°和21．3/w+0．5中的較大值，或多坡屋面小于15°和弧形屋面中檐口和拱頂的豎向夾角小于10°時屋面雪荷載不能小于如下數值:當地面雪荷載不大于0．96 kN/m2時，pf=Ipg;當地面雪荷載大于0．96 kN/m2時，pf=0．96I。

2．2 雪堆積

在此僅討論高低跨位置的雪堆積。雪堆積的實際情況及中美規范中規定的雪堆積取值參見圖1。

1)中國規范規定。中國規范按照積雪長度為2倍高差，且不小于4 m，不大于8 m，此部分雪荷載的不均勻分布系數按2．0選取。

2)美國規范規定。美國規范中高低跨位置的屋面雪堆積取迎風和背風屋面中的較大值為設計值。背風堆積是指從較高屋面吹向較低屋面的堆積值hd，hd直接從圖2獲得，迎風值hc見圖3。其中，lu等于較高屋面長度或全寬，如果低屋面靠近邊墻，lu等于框架跨度(寬度)，如果低屋面靠近山墻，lu等于建筑長度。迎風屋面lu取較低的屋面長度，迎風堆積荷載值取0．75×hd。堆積設計值hd取迎風值和背風值中的較大值，但是小于hc。如圖4所示堆積寬度w=4hd，或w=4hd2/hc，堆積荷載值(在最高位置)pd=hdγ(γ =0．426pg+2．2 ＜4．7 kN/m3)。

圖1 雪堆積取值示意圖

圖2 低屋面上的雪堆積形式

圖3 地面雪荷載與堆積高度關系曲線

如果hd＞hc，則pd=hcγ。如果w大于較低屋面長度，雪堆積在屋面邊緣為梯形，而不再是三角形。根據ASCE的規定，雪堆積用于相鄰建筑的距離在6．1 m范圍內，且堆積高度hd可以根據相鄰建筑之間的距離進行折減，折減系數為(6．1－s)/6．1，s為相鄰建筑的距離，堆積寬度將根據折減后的hd值重新計算，同時hc/hd＜0．2時，堆積荷載不需考慮。同時在計算荷載組合時除基本雪壓之外，加上堆積雪荷載，滑移雪荷載及考慮雨作用下的雪荷載增大值三者中的較大值。

2．3 破壞形式

當實際產生的雪荷載超過設計荷載時建筑就會發生不同形式的破壞，主要有檁條平面外失穩，主梁平面外失穩，梁柱節點彎扭失穩，屋面局部塌陷，結構整體垮塌等。

圖4 屋面雪荷載堆積圖

3 提高設計安全性的措施

雪荷載對建筑產生了不同形式的破壞，我們在設計時就不得不考慮加強措施，主要有以下幾方面:1)荷載取值要偏于安全。對于雪荷載比較大及頻繁的地區且結構對雪荷載比較敏感的建筑應特別注意雪荷載的影響，取值要按偏于安全考慮，像沈陽、威海等地區均按百年一遇雪荷載考慮。2)設置檁間支撐，阻止平面外失穩。建筑受雪的影響而遭到破壞，大部分由于平面外失穩，而增加檁間支撐是減少檁條平面外失穩的有效途徑，檁條不被破壞，從而降低了梁平面外失穩的幾率。3)設置縱向支撐。增加縱向支撐可以提高建筑的整體穩定性，大大降低平面外失穩的可能性。4)不要過度優化。理論上應力比小于1．0即可，但是在實際的設計中梁的應力比最好小于0．95。5)進行定期檢測，及時發現不安全部位，施工過程中要嚴格按照設計圖紙，且由具有相應資質的施工單位進行施工。

4 工程實例

1)設計資料:某項目建筑長度150．4 m，寬度60 m，高度19．54 m，在山墻位置附有一長34 m，寬60 m，高6．14 m的低跨建筑一，邊墻位置附有一長45 m，寬9．5 m，高4．74 m的毗屋，在此定義為建筑二，屋面坡度均為6%，項目位于新疆，雪荷載為0．8 kN/m2，地面粗糙度為B類。2)設計分析:該項目在邊墻及山墻位置的低矮建筑由于建筑物之間的距離為0 m，故而低矮建筑均需考慮雪堆積。按中國規范，堆積寬度為2倍高差，且不小于4 m，不大于8 m，由于2倍高差為28 m，大于8 m，故而取8 m，此區域雪荷載為2倍雪荷載，即1．6 kN/m2。按照美國ASCE規范計算均hc/hd＞0．2，且相鄰建筑間距小于6．1 m，故而也需要考慮雪堆積，經計算屋面雪荷載之外的堆積荷載寬度建筑一和建筑二分別為 7．6 m，5．1 m，堆積荷載最大值分別為 4．82 kN/m2，3．24 kN/m2呈三角形分布，將其作用于檁條和梁上，按ASCE計算出的荷載堆積比中國荷載規范計算出的荷載堆積更不利一些，故而選用較大值。

5 結語

雪荷載作為結構設計不容忽視的一種荷載，在設計的過程中要始終做到安全、經濟、適用原則，綜合考慮以上提高安全性的措施，尤其在有雪堆積的部位更應著重考慮，最好能按照中美規范中的最不利情況考慮。

［1］鋼結構設計手冊編輯委員會．鋼結構設計手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2004．

［2］CECS 102:2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］．

［3］GB 50009-2001，建筑結構荷載規范［S］．

［4］梁 棟．淺談輕鋼結構的設計與發展［J］．山西建筑，2010，36(7):62-63．