關于門剛計算中雪荷載分布系數的討論

李 丹，鄭 月

（國家林業和草原局產業發展規劃院，北京 100010）

引言

門式剛架輕型房屋鋼結構作為現代化快節奏生產中的一種較為常見的房屋結構形式，其具有施工速度快、空間布置靈活優點、主體材料輕、變形能力強和可回收再利用性等優點。所以門式剛架輕型房屋鋼結構在現代工業生產、物流儲存等領域應用廣泛。

1 門剛結構的設計

1.1 門剛的結構形式和布置

門式剛架有很多種布置，按跨度可以分為單跨、雙跨及多跨，按屋面可以分為單坡屋面、雙坡屋面及多坡屋面（即多個雙坡或雙坡與單坡組合的屋面形式），另外還有帶毗屋的鋼架形式或是內部帶輔房或夾層的鋼架形式。

1.2 門式剛架的受力特點

一般的門剛廠房設計中所受的荷載包括永久荷載（包含屋面圍護結構自重、各設備及消防管線自重）、豎向可變荷載（其中活荷載與雪荷載為互斥荷載，兩者取大值）、風荷載、地震作用及溫度作用，另按照2015年發布，2016年實施的《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB50009-2012）（以下簡稱門剛規范）給出的輕型門剛規范適用范圍中，鋼結構房屋可以布置無橋式吊車或有起重量不大于20 t 的A1~A5工作級別橋式吊車或3 t懸掛式起重機［1］。其中永久荷載及吊車荷載在房屋方案設計時即可得到準確的荷載值，但風荷載與雪荷載會受到自然天氣影響，誤差較大。因此，門式剛架是一種對雪荷載及風荷載較為敏感的結構形式。

1.3 門式剛架與災害性天氣

全國范圍內曾發生過多起暴雪災害性天氣，很多門剛結構房屋廠房被雪壓垮，造成了嚴重的經濟損失及人員傷亡。如果只是單純的降雪，在結構設計中依據《建筑結構荷載規范》（GB5009-2012）（以下簡稱荷載規范）給出的基本雪壓重現期為50 年，及2012 年規范更新之后將對雪荷載敏感的結構在設計時的基本雪壓重現期調整為100 年［2］，那么設計時只采用基本雪壓進行設計即可，但是在風的作用下，雪會發生飄移，使得整體鋼架雪荷載分布并不均勻，會出現實際雪荷載超出設計荷載取值的情況，另外在南方地區，由于早晚溫差大，如發生凍融情況也會增加雪的密度，那么按照基本雪壓進行設計，便無法包絡住實際的最不利工況。

按照《門剛規范》4.3.1 條，雪荷載標準值為屋面積雪分布系數和基本雪壓的乘積，即應按式：Sk=μrS0進行計算［1］，其中S0為基本雪壓，荷載規范的相關規定選取，按對雪荷載敏感的結構，采用的100 年重現期的雪壓；μr為屋面積雪分布系數，且4.3.2 條文解釋中給出，《門剛規范》選擇了3 種典型的屋面形式，按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009 的規定給出了屋面積雪分布系數。

但是，值得注意的是，在《荷載規范》表7.2.1屋面積雪分布系數的注1中規定：單跨雙坡屋面，僅在當坡度α在20°~30°范圍時，可采用不均勻分布情況［2］，即其他屋面坡度時可以只采用雪荷載均勻分布的荷載工況，不進行0.75μr及1.25μr的不均勻分布情況的工況組合來進行設計。由于荷載規范在給出雪荷載不均勻分布系數的表格中，雙坡屋面的結構形式只給出了單坡單跨一種，而實際工程中，雙坡屋面的結構形式還有雙跨雙坡和多跨雙坡，一般的處理方案為雙跨雙坡及多跨雙坡的雪荷載，屋面積雪分布系數均按單跨單坡選取，包括其他屋面形式也并沒有特別標注出鋼架的跨數。所以在多數情況下，我們認為規范給出的建筑形態描述，只與建筑外形有關，那么針對表7.2.1注：1的理解，是否也是只要是雙坡屋面，不論是單跨雙坡還是雙跨或多跨雙坡結構，均僅在規定坡度范圍內才可以采用雪荷載不均勻分布。對此，筆者有不同的理解，下面以某工程實例，說明對此條注釋的不同理解及理由。

2 工程案例

2019 年，江西某生產項目中某生產車間廠房，項目所在地區基本風壓為0.3 KN/m2（50 年重現期），基本雪壓為0.45 KN/m2（100 年重現期），地震設防烈度為6度（0.05 g），設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類；廠房布置為7 跨雙坡，單跨24 m，單坡長度為84 m，檐口高度為10.6 m，屋面坡度4%，折合角度α=2.29°，無天窗，無女兒墻，無高低跨，單就雪荷載取值不會有雪堆積工況產生；柱網平面布置圖及標準品布置圖詳見下圖1、圖2。

圖1 柱網平面布置圖

圖2 標準品布置圖

如果按照此廠房的建筑方案來看，雙坡屋面，屋面坡度4 %，參考荷載規范表7.2.1 的注1，那么此項目是不用考慮雪荷載不均勻分布的。

首先，例中這個項目設計時使用的軟件為PKPM，因此筆者分別建立了兩個計算模型，采用項目中的設計條件，及相同的設計條件分別考慮了雪荷載的均勻分布及不均勻分布，僅針對鋼架梁，得出以下結果，詳見表1。

表1 考慮積雪不均勻分布對比不考慮積雪不均勻分布應力增加的百分比

另外筆者參考此項目的設計條件，又分別建立了不同跨數情況下考慮均勻雪荷載及不均勻雪荷載的計算對比模型，分別考慮了6 跨雙坡、雙跨雙坡及單跨雙坡的情況，同樣僅對比了各跨鋼梁梁端、鋼梁跨中及鋼柱的強度、面外穩定及面內穩定的應力計算結果，結論詳見表2：

表2 考慮積雪不均勻分布對比不考慮積雪不均勻分布應力增加的百分比

從表中數值可以看出，在考慮了雪荷載的不均勻分布之后，梁的抗彎承載力還有穩定應力均有增加，在6、7 跨雙坡屋面結構形式中，更是增加了超過10%，特別是鋼梁的面外穩定應力增加到15%以上，只在單跨單坡屋面計算中影響較小。

另外從均布荷載作用下的兩端固接鋼梁受力分析中也不難得出此結論，單跨雙坡結構中單一考慮雪荷載工況，全跨1.0 μr 荷載工況，參考靜力計算手冊;半跨0.75 μr、半跨1.25 μr 荷載工況，查靜力計算手冊MA= -，其中2a2+a3),［3］包絡計算后得出的端彎矩及跨中彎矩相差不多，但是在多跨雙坡屋面中卻會出現全跨鋼梁1.25 μr的荷載工況。

據劉振清教授在《沈陽市輕鋼結構房屋倒塌原因分析》一文中指出，在門剛廠房屋面多個不同觀測位置測出的積雪厚度及密度均不相同，在風荷載作用下，積雪沿坡行屋面呈梯形分布［4］。雪災中發生破壞的廠房，基本都是正常工作生產過多年的結構，有的廠房也經歷過較大的降雪天氣，但是，在暴風雪天氣卻發生了破壞。因此，工程設計應選取最不利工況的包絡設計。

此外，表7.2.1 屋面積雪分布系數，第10 項，大跨度屋面也同樣會產生雪的不均勻分布，當設計的屋面總跨度在此項范圍內時（總跨度L＞100 m）應進行包絡設計。所以針對“注：1”重新解讀，筆者認為可以看作是僅在單跨雙坡是參考此條文。

3 相關計算中的規范理解

按現行規范《門式剛架》，門剛梁的面外計算長度取值取鋼梁側向支承點的間距，可以采用系桿作為側向支撐，同時檁條與隅撐及鋼梁形成的穩定結構也可以作為鋼梁的側向支承條件。在多個項目設計經驗中得出，當鋼梁側向支承點間距大于等于兩倍隅撐間距時，往往后者會在鋼梁的平面外穩定計算中起控制作用，所以檁條的計算選取，對結構的整體穩定起著關鍵作用，而《門剛規范》4.3.5 第一條指出，“屋面板和檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用”［1］，若在起始設計方案條件中采用均勻不考慮雪荷載不均勻分布的設計原則，那么檁條設計也會出現未采用最不利荷載工況的設計情況，一旦檁條發生破壞，那么門剛梁也會隨之發生失穩倒塌。所以筆者認為即使是單跨單坡的鋼架結構形式，在計算檁條時也依然應當采用最不利雪荷載工況及1.25 μr進行設計（有堆積雪荷載時另行考慮）。

4 結論

門式鋼架被廣泛地用于工業生產等領域，在追求經濟的基礎上還要保證結構的安全，災害性天氣的發生具有偶然性，一旦發生帶來的人身生命安全和財產損失是不可挽回的。在沒有吊車及其他外掛荷載的門式鋼架結構中，一般都是活荷載起控制作用，活荷載與雪荷載為互斥荷載不同時考慮，但是在對比兩荷載時，應注意雪荷載的分布系數，不能只是簡單的對比活荷載及基本雪壓數值來判斷控制荷載，這樣很容易忽略實際的最不利工況，尤其是在檁條等維護構件的計算中更容易被忽略，檁條的計算更是影響到結構的整體安全。門式剛架輕型房屋鋼結構因為其結構受力特性，所以穩定性計算便尤為重要，一旦單榀鋼架破壞很容易發生連續倒塌，所以在設計時一定要考慮全面。