中、美、加、歐屋面雪荷載規(guī)范對(duì)比

范 峰，莫華美，洪漢平

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱，gordonmo@163.com;2.加拿大西安大略大學(xué)土木與環(huán)境工程系，N6A 5B9 安大略倫敦）

中、美、加、歐屋面雪荷載規(guī)范對(duì)比

范 峰1，莫華美1，洪漢平2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱，gordonmo@163.com;2.加拿大西安大略大學(xué)土木與環(huán)境工程系，N6A 5B9 安大略倫敦）

陳述了我國(guó)規(guī)范與美國(guó)、加拿大和歐盟規(guī)范在雪荷載取值方面的差異.結(jié)果表明:我國(guó)規(guī)范的雪荷載計(jì)算公式過(guò)于簡(jiǎn)單，不能充分考慮各種相關(guān)因素對(duì)雪荷載的影響;我國(guó)規(guī)范規(guī)定的屋面雪荷載臨界坡度在4本規(guī)范中最小;在雙坡、拱形和高低屋面中，我國(guó)規(guī)范的雪荷載剖面與國(guó)外規(guī)范差異較大;最后給出對(duì)我國(guó)規(guī)范雪荷載取值規(guī)定的一些初步修改建議，為我國(guó)雪荷載規(guī)范的修訂和完善提供思路和參考.

雪荷載;規(guī)范對(duì)比;修改建議

工程實(shí)踐表明，雪荷載取值對(duì)結(jié)構(gòu)安全有重要意義.我國(guó)GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［1］(簡(jiǎn)稱我國(guó)規(guī)范)對(duì)雪荷載取值進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定.但是，隨著時(shí)間的推移和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些取值規(guī)定的合理性與適用性需要重新審視.尤其是近年來(lái)冰雪災(zāi)害頻發(fā)，因積雪造成的結(jié)構(gòu)坍塌事故時(shí)有發(fā)生.

與歐美加等發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)的規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，可以吸收他們的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn).為此，本文選取美國(guó) ASCE 規(guī)范［2］(ASCE/SEI 7 －05)，加拿大國(guó)家建筑規(guī)范［3－4］(NBC 規(guī)范)和 EU 規(guī)范［5］，與我國(guó)規(guī)范的雪荷載取值規(guī)定進(jìn)行對(duì)比，為我國(guó)荷載規(guī)范的修訂提供參考.

1 基本計(jì)算公式

對(duì)荷載規(guī)范來(lái)說(shuō)，基本計(jì)算公式全面反映其思想和內(nèi)涵.基本計(jì)算式的結(jié)構(gòu)、參數(shù)類(lèi)型和數(shù)量等，是讀者了解規(guī)范核心思想的重要門(mén)戶.

我國(guó)規(guī)范、ASCE規(guī)范、NBC規(guī)范和EU規(guī)范的雪荷載基本計(jì)算式分別為

式中:Sk，Ps，S 分別為屋面雪荷載;S0，Pg，Ss，Su分別為基本雪壓;μr為雪荷載分布系數(shù);Cs為傾斜系數(shù)，反映屋面坡度的影響;Ce為遮擋系數(shù)，反映周?chē)h(huán)境對(duì)建筑的遮擋效應(yīng);Ct為熱力系數(shù)，反映建筑采暖情況的影響;I，Is為建筑重要性系數(shù);Cb為屋面雪荷載基本系數(shù)，除大跨度屋面有特殊規(guī)定外，一般情況下均取0.8;Cw為風(fēng)力系數(shù);Ca，μi為屋面形狀系數(shù);Sr為關(guān)聯(lián)雨水荷載，其值不大于Ss(CbCwCsCa).

4本規(guī)范基本計(jì)算式的結(jié)構(gòu)形式基本一樣，即屋面雪荷載等于基本雪壓乘以一系列相關(guān)系數(shù).但很明顯，我國(guó)規(guī)范的計(jì)算公式最簡(jiǎn)略，只包含一個(gè)系數(shù)(該系數(shù)主要反映屋面坡度的影響，與其他規(guī)范里的傾斜系數(shù)相當(dāng)).而其他3本規(guī)范所考慮的因素均較全面.以ASCE規(guī)范為例，其根據(jù)建筑物發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞時(shí)所造成后果的嚴(yán)重程度，將建筑物劃分為Ⅰ～Ⅳ4個(gè)等級(jí)(其劃分標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)《建筑抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》中的丁～甲類(lèi)似)，分別賦予0.8～1.2不等的重要性系數(shù).其次，根據(jù)建筑物所處環(huán)境的空曠程度不同，賦予0.7～1.2不等的遮擋系數(shù).另外，建筑物的采暖情況，在其計(jì)算公式中也有所體現(xiàn)，對(duì)不同的建筑物，其采暖系數(shù)取值0.85～1.2不等.從生活出發(fā)，讀者不難理解這些系數(shù)的意義所在.反觀我國(guó)規(guī)范，由于缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)研究工作，其雪荷載基本公式還停留在比較粗糙的階段.調(diào)研采暖措施、環(huán)境空曠度等因素對(duì)屋面雪荷載的影響，應(yīng)成為荷載規(guī)范修訂工作的一個(gè)努力方向.

2 主要屋面形式的參數(shù)對(duì)比

2.1 單坡屋面

對(duì)于坡度為α的單坡屋面，4本規(guī)范均只考慮均勻荷載作用，而不考慮非均勻荷載.表1～4是4本規(guī)范中主要參數(shù)的取值規(guī)定［1－5］.ASCE規(guī)范和NBC規(guī)范把屋面分光滑和非光滑2種，此處給出的只是對(duì)非光滑屋面的規(guī)定.

不失普遍性，若ASCE規(guī)范中的Ce、Ct與I，NBC規(guī)范中的Is、Cw，EU規(guī)范中的Ce、Ct均假設(shè)為1.0，NBC規(guī)范中的Cb取0.8，考慮屋面雪荷載與基本雪荷載的比值可以看到，我國(guó)規(guī)范在α≤30°時(shí)要明顯大于、而在α≥30°時(shí)小于另外3本規(guī)范.另外，我國(guó)規(guī)范認(rèn)為在屋面坡度≥50°時(shí)，屋面雪荷載為0，EU規(guī)范認(rèn)為這個(gè)臨界坡度是60°，ASCE規(guī)范和NBC規(guī)范則認(rèn)為是70°.可見(jiàn)，在坡度多大時(shí)屋面可以免于雪荷載的問(wèn)題上，ASCE規(guī)范與NBC規(guī)范更為保守，EU規(guī)范次之，而我國(guó)規(guī)范最為樂(lè)觀.目前，相關(guān)試驗(yàn)正在進(jìn)行，以研究是否能將該臨界坡度提高到60°或70°.

表1 我國(guó)規(guī)范中μr與屋面坡度α的關(guān)系

表2 ASCE規(guī)范中Cs與α的關(guān)系(Ct≤1.0時(shí))

表3 NBC規(guī)范中Cs、Ca與α的關(guān)系

表4 EU規(guī)范中μi與α的關(guān)系

2.2 雙坡屋面

對(duì)于雙坡屋面，4本規(guī)范均要求考慮非均勻荷載.而均勻荷載的計(jì)算方法與單坡屋面相同，故本小節(jié)只討論非均勻荷載.以后各小節(jié)也將專(zhuān)注于非均勻荷載的對(duì)比.

我國(guó)規(guī)范在迎風(fēng)面取 0.75 μr，背風(fēng)面取1.25μr.EU 規(guī)范與此相似，迎風(fēng)面取 0.5 μ1，背風(fēng)面取μ1.而NBC規(guī)范則規(guī)定迎風(fēng)面為0，背風(fēng)面取(1.0～1.25)倍均勻荷載，見(jiàn)表5.

ASCE規(guī)范根據(jù)屋面平面尺寸的大小，將屋面分為W≤6.1 m(20 ft(英尺))和W ＞6.1 m 2種.取值規(guī)定見(jiàn)圖1［2］，其中 L為屋面升高1個(gè)單位時(shí)對(duì)應(yīng)的水平方向上的長(zhǎng)度，hd為堆雪高度(ft)，γ為積雪密度(pcf，磅每立方英尺).

對(duì)于雙坡屋面的非均勻分布積雪荷載，盡管4本規(guī)范的主要思想一致，均認(rèn)為迎風(fēng)面積雪荷載有所減小，而背風(fēng)面則有所增加.但是，在具體到有多少積雪從迎風(fēng)面轉(zhuǎn)移到背風(fēng)面及在背風(fēng)面如何重分布的問(wèn)題上，4本規(guī)范卻不盡相同.我國(guó)規(guī)范認(rèn)為在風(fēng)的作用下，迎風(fēng)面上積雪的侵蝕量為25%，ASCE規(guī)范、NBC規(guī)范和EU規(guī)范分別認(rèn)為是70%、100%和50%.顯然，我國(guó)規(guī)范對(duì)風(fēng)的作用的估計(jì)最小.在背風(fēng)面上，除ASCE規(guī)范認(rèn)為部分積雪集中在距屋檐一定距離的矩形范圍內(nèi)之外，其他3本規(guī)范都認(rèn)為積雪是均勻分布的.

表5 NBC規(guī)范中非均勻分布荷載的形狀系數(shù)

圖1 ASCE規(guī)范中雙坡屋面的雪荷載取值

O'Rourke等［6］針對(duì)積雪漂移所做的研究表明，ASCE 7－05對(duì)雙坡屋面的規(guī)定在大多數(shù)情況下過(guò)于保守，只有在屋面寬度處于7.6～15.2 m(25～50 ft)時(shí)才勉強(qiáng)可以接受.類(lèi)似的工作也需盡快在我國(guó)開(kāi)展，以確定更合理的屋面雪荷載.

2.3 拱形屋面

對(duì)于拱形屋面，我國(guó)規(guī)范只考慮均勻分布的情況，雪荷載分布系數(shù) μr=l/8 f且0.4≤μr≤1.0.與坡型屋面一樣，當(dāng)屋面切線角達(dá)到50°時(shí)雪荷載為0.

ASCE規(guī)范根據(jù)屋檐處切線角不同，分為3種情況，若以αe表示屋檐處的切線角，則這3種情況分別為 αe＜30°，30°≤ αe≤70°和 αe＞70°.圖2［2］給出了 αe＞70°時(shí)的取值情況.可以看到，ASCE認(rèn)為堆雪荷載在屋面切線角等于30°時(shí)取最大值，其峰值為2 PfC/Ce，其中 C是指屋面切線角為30°時(shí)對(duì)應(yīng)的傾斜系數(shù).此峰值約為平屋面雪荷載的2倍.

NBC規(guī)范把拱形屋面也分為光滑和非光滑2種.如前所述，只討論更具廣泛性的非光滑屋面的規(guī)定.同ASCE規(guī)范一樣，NBC規(guī)范也認(rèn)為雪荷載在屋面切線角等于30°時(shí)取得最大值，其值見(jiàn)圖3［3－4］.其中情況(Ⅱ)直接給定了峰值的具體數(shù)值，情況(Ⅲ)的峰值為地面雪荷載的2倍.

EU規(guī)范的取值見(jiàn)圖4［5］，2個(gè)三角形的荷載峰值分別為0.5 μ3和 μ3，其中 μ3計(jì)算式為

當(dāng) β ＞60°時(shí)，μ3=0;

當(dāng) β ≤60°時(shí)，μ3=0.2+10 h/b，且 μ3≤2.0.式中:β為屋面切線角，h為矢高，b為跨度.按常見(jiàn)矢跨比1/8～1/5計(jì)算，雪荷載峰值為1.45～2倍的基本雪壓.

圖2 ASCE規(guī)范中拱形屋面的雪荷載取值

圖3 NBC規(guī)范拱形屋面非均勻雪荷載取值

圖4 EU規(guī)范拱形屋面非均勻雪荷載取值

我國(guó)規(guī)范明顯不同于另外3本規(guī)范的地方:沒(méi)有考慮非均勻分布的工況.ASCE規(guī)范、NBC規(guī)范和EU規(guī)范對(duì)此的規(guī)定也不盡相同.ASCE規(guī)范認(rèn)為迎風(fēng)面上雪荷載為0，背風(fēng)面荷載峰值出現(xiàn)在屋面切線角等于30°的地方.NBC規(guī)范與之類(lèi)似.而EU規(guī)范則認(rèn)為迎風(fēng)面和背風(fēng)面都有三角形荷載，峰值出現(xiàn)在屋脊兩側(cè)各自中點(diǎn)處，迎風(fēng)面的峰值是背風(fēng)面峰值的50%.另外一個(gè)區(qū)別，正如前面所提，我國(guó)規(guī)范認(rèn)為屋面切線角達(dá)到50°時(shí)雪荷載為0，ASCE規(guī)范與 NBC規(guī)范認(rèn)為是70°，而 EU 規(guī)范認(rèn)為是60°.

Hochstenbach等［8］的研究表明，對(duì)于矢跨比大于1/8的拱形屋面，計(jì)算所得的屋面非均勻荷載視地區(qū)不同或小于或大于ASCE和NBC規(guī)范的規(guī)定，相應(yīng)的規(guī)范條文總體來(lái)說(shuō)可以接受.該研究同時(shí)表明，即使是矢跨比小于1/8的拱形屋面，也存在非均勻分布的雪荷載，因此把矢跨比小于1/8的拱形屋面看成平屋面而不設(shè)計(jì)非均勻分布雪荷載，將是危險(xiǎn)的.文獻(xiàn)［9－10］也顯示，拱形屋面上的非均勻荷載確是存在.如此看來(lái)，對(duì)我國(guó)規(guī)范的這一規(guī)定持懷疑態(tài)度，是不無(wú)道理的.

2.4 高低屋面

我國(guó)規(guī)范在高低屋面中考慮了堆雪效應(yīng)的影響，并假定堆雪荷載為矩形，高度為2.0 S0，長(zhǎng)度為a=2 h(且4 m≤a≤8 m)，其中h為屋面高差.在此范圍之外，雪荷載分布系數(shù)均為1.0.這些分布系數(shù)均與高屋面的尺寸和形狀無(wú)關(guān)，之后將會(huì)看到，這是我國(guó)規(guī)范有別于其他3本規(guī)范的地方之一.

ASCE規(guī)范認(rèn)為不論低屋面處于上風(fēng)向還是下風(fēng)向，屋面雪荷載均受堆雪效應(yīng)的影響，并假設(shè)堆雪荷載為三角形.當(dāng)?shù)臀菝嫣幱谙嘛L(fēng)向時(shí)，有

式中:hd為堆雪高度(ft)，lu為高屋面的寬度(ft)，當(dāng) lu＜25 ft時(shí)取lu=25 ft，當(dāng)?shù)臀菝嫣幱谟L(fēng)面時(shí)，堆雪高度取上式的3/4，或?qū)⒌臀菝娴膶挾却嫔鲜降膌u進(jìn)行計(jì)算(取兩者中的較大值).

對(duì)于堆雪長(zhǎng)度W有:當(dāng)hd≤hc時(shí)，W=4hd;當(dāng) hd＞ hc時(shí)，W=4hd2/hc，且堆雪高度取hc.并且任何情況下均應(yīng)滿足W≤8hc，其中hc為屋面高差(ft).

NBC規(guī)范根據(jù)高屋面的結(jié)構(gòu)形式，分為2種情況，2種情況下堆雪荷載均為三角形.當(dāng)高屋面是平屋面時(shí)，峰值處的形狀系數(shù)為Ca(0)，并線性減小至1.0.傾斜系數(shù)Cs仍按表3進(jìn)行計(jì)算.峰值Ca(0)與堆雪長(zhǎng)度Xd的計(jì)算方法為

式中:h為屋面高差，hp為高屋面的女兒墻高度，lc=2 w－w2/l為高屋面的特征長(zhǎng)度，w為高屋面寬度，l為高屋面長(zhǎng)度.

當(dāng)高屋面是坡屋面時(shí)，堆雪荷載在上述規(guī)定的基礎(chǔ)上，還應(yīng)增加一部分由于積雪滑落所引起的荷載.對(duì)于這部分荷載，NBC規(guī)范規(guī)定取高屋面朝向低屋面一側(cè)積雪總量的一半，按照三角形分布在低屋面上的堆雪范圍內(nèi).

EU規(guī)范規(guī)定，高低屋面中高屋面的雪荷載，根據(jù)屋面形式，按照相應(yīng)計(jì)算方法計(jì)算.而對(duì)于低屋面，其雪荷載形狀系數(shù)在原有μ1的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮堆雪效應(yīng)的影響，EU規(guī)范假定堆雪形狀為三角形，長(zhǎng)度為ls=2 h(5 m≤ls≤15 m).峰值處雪荷載形狀系數(shù)為μ2=μs+μw，其中μs為考慮高屋面積雪滑落的形狀系數(shù)，μw為考慮風(fēng)作用的形狀系數(shù).

μs的取值:當(dāng) α ≤15°時(shí)，μs=0;當(dāng) α ＞ 15°時(shí)，μs等于高屋面形狀系數(shù)的一半.

μw的取值:μw=(b1+b2)/2 h≤ γh/Su，γ可以取2 kN/m3.

對(duì)于高低屋面，4本規(guī)范中只有我國(guó)規(guī)范對(duì)堆雪荷載取矩形，其他3本都是取三角形.而且我國(guó)規(guī)范中堆雪荷載的分布系數(shù)要求取2.0，而沒(méi)有考慮高屋面的大小、坡度等因素，其他3本規(guī)范則都考慮了高屋面的影響;其中，NBC和EU規(guī)范都將堆雪荷載分為風(fēng)力所致和滑落所致兩部分.

2010年3月進(jìn)行的實(shí)地測(cè)量(圖5)顯示，在屋面發(fā)生高度變化的區(qū)域附近，積雪深度的分布更趨于三角形.Cocca等［7］的數(shù)值模擬表明，對(duì)于寬為15.2～45.7 m(50～150 ft)的階梯型高低屋面，ASCE的規(guī)定基本能讓人接受.當(dāng)屋面尺寸大于此范圍時(shí)，這些規(guī)定則顯得過(guò)于保守.O'Rourke等［11］和 Taylor［12］分別針對(duì)ASCE 規(guī)范和 NBC 規(guī)范階梯型屋面堆雪荷載所做的調(diào)查研究也表明，現(xiàn)實(shí)中觀測(cè)到的堆雪荷載剖面，確實(shí)多為三角形.

圖5 哈工大校內(nèi)某帶女兒墻屋面的積雪深度分布

3 結(jié) 論

我國(guó)規(guī)范與ASCE、NBC、EU規(guī)范在雪荷載取值方面主要差異:

1)基本計(jì)算式的參數(shù)過(guò)于簡(jiǎn)單.其他3本規(guī)范在確定屋面雪荷載時(shí)考慮了諸如環(huán)境遮擋、建筑采暖和建筑物的重要性程度等因素.

2)考慮屋面雪荷載與基本雪荷載的比值可見(jiàn)，屋面坡度＜30°時(shí)，我國(guó)規(guī)范要明顯大于另外3本規(guī)范，而在坡度＞30°時(shí)小于它們.我國(guó)規(guī)范認(rèn)為屋面坡度＜30°時(shí)，屋面上的雪荷載等于當(dāng)?shù)氐幕狙?但由于受到風(fēng)和其他相關(guān)因素的作用，即使是平屋面，其上的雪壓也要比地面上的小［9，13］.但如果想更改這方面的條款，還需要對(duì)我國(guó)建筑上的雪壓做大量實(shí)地測(cè)量與統(tǒng)計(jì)分析.

3)我國(guó)規(guī)范認(rèn)為屋面坡度達(dá)到50°時(shí)，即可不用考慮雪荷載的作用.相比之下，EU規(guī)范認(rèn)為是60°，而ASCE規(guī)范和NBC規(guī)范則認(rèn)為是70°，我國(guó)規(guī)范在這方面取值偏向不安全.初步建議將這一臨界值提高到60°.

4)對(duì)于雙坡屋面，我國(guó)規(guī)范在迎風(fēng)面上的取值是最大的.鑒于4本規(guī)范對(duì)該屋面形式下的雪荷載取值規(guī)定差異較大，應(yīng)開(kāi)展相應(yīng)的調(diào)查研究與模擬計(jì)算，以確定適合我國(guó)實(shí)際情況的取值規(guī)定.

5)4本規(guī)范中，只有我國(guó)規(guī)范沒(méi)有考慮拱形屋面的非均勻分布荷載.從直觀上講，這是十分危險(xiǎn)的.文獻(xiàn)［8－10］顯示，拱形屋面上的堆雪效應(yīng)不可忽略.因此我國(guó)規(guī)范的這一條款需要修訂，需要開(kāi)展具體的研究工作.

6)對(duì)于高低屋面，我國(guó)規(guī)范假設(shè)堆雪荷載為矩形，其峰值為一確定的數(shù)值，而與高屋面的尺寸、形狀無(wú)關(guān).這些假設(shè)均有別于其他3本規(guī)范.因此可以考慮將我國(guó)規(guī)范的堆雪荷載形狀也修改成三角形荷載，并適當(dāng)考慮高屋面的影響.

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

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Comparison of snow load requirements in design codes used in China，USA，Canada and EU

FAN Feng1，MO Hua－mei1，HONG Han－ping2

(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，gordonmo@163.com;2.Department of Civil and Environmental Engineering，The University of Western Ontario，ON N6A 5B9 London，Canada)

This study compares the snow load provisions recommended in design codes used in China，USA，Canada and the EU.It shows that the basic snow load requirements in Chinese standard are too simplistic to cope with major factors that control the complex roof snow load patterns.The recommended critical roof slope in Chinese standard is the lowest among the considered four design codes.Furthermore，the recommended snow loads for the gable，arched and step roofs in Chinese standard differ from the other three design codes in terms of the snow load pattern.The comparison allowed us to suggest some preliminary modifications to snow load requirements in Chinese standard，although a detailed probability－based calibration is needed to confirm the recommended changes.

snow load provisions;comparison;modifications suggestions

TU312+.1

A

0367－6234(2011)12－0018－05

2010－11－22.

“十一五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目:“高性能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2006BAJ01B02).

范 峰(1971—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)