暴雪后對輕鋼結構設計的啟示

于洪雨　唐學紅　張曉峰

摘 要：輕鋼結構遭遇罕見的暴雪后，如何從設計角度合理的構造上減少損失，最大限度的保證結構的安全。

關鍵詞：輕鋼結構構造保證 暴雪后荷載取值 鋼結構破壞分析

中圖分類號：TU39215 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0065-01

2007年正月十五，沈陽地區下了一場罕見的大雪，沈陽輕鋼結構的廠房有了很大程度的破壞，當時正在一個鋼結構公司任職，有機會深入雪災現場，對鋼結構的破壞有一定的感性的認識，根據鋼結構的破壞情況的總結，認為輕鋼結構的設計需要做一些構造上的修正。

1 輕鋼結構的特點

⑴施工周期短；⑵綜合經濟效益好；⑶抗震性能好；⑷宜于拆卸搬遷。

2 認知誤區

所謂輕型鋼結構（以下簡稱輕鋼），大部分人認為就是“門鋼”其實，這是個理解的誤區，CECS 102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》1.0.2有很明確的定位，“本規程適用于主要承重結構為單跨或多跨實腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20t的 A1～A5工作級另晰式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構的設計、制作和安裝。”輕鋼是門鋼里的一部分而已。

輕鋼用的材料較薄，多采用冷彎薄壁型鋼結構、熱軋輕型鋼結構、焊接或高頻焊接輕型鋼結構、輕型鋼管結構、板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構成的結構。整體結構較輕，由門式剛架、檁條及圍護系統組成了一個輕鋼系統，各部分協調分工，共同承擔結構以外傳來的荷載。而不是由某部分單獨承擔。所以很多剛入門的鋼結構設計員以為學會了STS就會鋼結構設計了，這是個大大的認識上的的錯誤。為什么美國VP的企業內部規范可以獨立于國家規范之外使用？就是因為他的設計已經形成了一個完善的保護體系，在各個細部都對整個系統形成了保護，圍護系統通過繁多的轉接件，完美的與主結構結合到了一起。

3 鋼結構破壞分析

這次暴雪后輕鋼結構的損壞，大部分是因為積雪的分布不均勻引起的，面積較大的屋面，因為設計的坡度比較小（1/8～1/20）而沈陽取1/15的工程比較多，坡度較緩，容易積雪。在風荷載的作用下發生遷移，沈陽這次暴雪，風由北向南吹，根據氣象資料市區降雪量為490mm，平均積雪厚度為360mm，平均風力6～7級，最大陣風達到了9～10級。很多房屋的北坡的雪被吹到南坡，造成廠房南半跨大量的積雪。最大的積雪深度達到了1.5～2m，雪的含水量較高，大大的超過了設計值，造成了破壞。

根據觀察，這次雪災破壞，并不是因為主結構（鋼架）的承載力不足引起，而是因為因為局部雪荷載過大，造成檁條失穩，失穩后檁條的強度急劇下降，而把整個結構“拉跨”積雪后，屋面板變形，產生了縫隙，積雪從板縫進入玻璃絲棉，室內外溫差比較大，積雪迅速融化，融水大量的被玻璃絲棉吸收，造成變形進一步加大，最終造成檁條失穩，檁條扭曲下落，把兩側的鋼架“扯”壞，因為梁突然受扭，也局部失穩，從而造成單面的鋼架也跟隨破壞了。

因為積雪深度比較大，雪的含水量比較高，荷載達到了2.0～3.0kN/m2，根據沈陽建筑大學的教授對積雪的實測結果是180kg/m3，而沈陽市的50年一遇的雪荷載取值為0.50kN/m2，實際的荷載遠遠的大于設計荷載。

從受損的情況看，最輕的是檁條彎曲變形，屋面板起落，但鋼架未倒。較嚴重的是屋面板和檁條塌落，連帶把鋼架拉到。設計時屋面板的蒙皮效應以及他和檁條連接造成的整體剛度，對剛架起到了有力的側向支撐作用，為此省去了上弦平面的支撐，但雪災時他們幫了倒忙。因為面板和檁條超載，首先是面板受損，失去了面板對檁條上翼緣的約束，檁條迅速變形，隨后墜落，進而把鋼架的斜梁拉坍。蔡益燕老師認為斜梁坍塌的特點是在變截面處折彎，由于平面外的剛度也較小（僅用L50的角鋼保證），引起了向側面的扭折，所以建議鋼結構設計者在對截面進行優化的時候變截面梁的最小截面不宜過小，優化時要留有余地。隅撐在抗倒塌方面起不到任何的作用。

4 解決辦法

這次雪災后沈陽發布了地方標準（沈建發﹝2007﹞40號），雪荷載按100年取值，還要乘1.5的系數，對于這個規定很多人不是能接受，畢竟現在輕鋼市場粥少僧多，業主要控制投資，如果雪載這么取值那么用鋼量會成倍的提高，這樣的設計會缺少競爭力，而我認為通過有效的構造布置可以減少同樣情況下的損失程度。

（1）方案一：增加坡度。

有效的增加坡度。屋面坡度影響積雪的分布，美國、日本等國家規定當屋面坡度>60°時，屋面積雪很小，可不考慮雪荷載。我國的這一規定是50o，對于輕鋼規范的坡度限制，只是對小于1/20的坡度要求進行校核結構變形后雨水順利排泄的能力。如果不愿意增大坡度超出規范的范圍，那么取其中的較大值，應該在同等條件下，應該比坡度小的情況好一點。

（2）方案二：在斜梁中部進行檁條加密。

在斜梁的中部的檁條加密，在可能的最大的積雪的位置進行檁條的加密，并采用剛性拉條或者交叉拉條，可以有效的提高剛度和穩定性（如圖1所示）。在斜梁的中間位置或在撓度最大點，進行檁條加密。

（3）方案三：增加系桿。

因為鋼架的損壞，大部分是因為檁條失穩以后被“拉”壞的，那么，這個方案就是針對“拉”做一個撐桿，在斜梁的中心或者撓度最大點，縱向通長增加系桿，這樣即使屋面破壞了檁條和屋面板破壞、損落，但整體剛架依然保持不變，可以把損失降低。

另外，在檁條的計算時，適當的增加集中力的影響，在構造上采取有效的保證檁條失穩的措施，不僅僅考慮風吸力對檁條產生的失穩，也要考慮堆積荷載過大時產生的失穩等等，都能有效的減少突發的荷載變化對結構的影響。經濟、合理、有效、可靠的設計才是一個完整的設計，在合理的范圍內利用有效的構造措施對輕鋼結構的不足進行有效的補充，比盲目的增加構件的截面更可取。

參考文獻

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