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低層輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計荷載分析

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    劉承宗 潘紅曉
    摘 要 本文討論了北美低層鋼骨結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載問題,包括各類荷載的取值和計算方法,以及荷載組合模式,并提出了在我國相關(guān)規(guī)范沒有出臺前,在國內(nèi)進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)該注意的一些問題。

    關(guān)鍵詞 鋼骨結(jié)構(gòu)住宅 設(shè)計荷載 荷載分析 荷載組合
    0 概述

    本文討論的低層住宅[1-2]是一種輕型鋼骨結(jié)構(gòu)體系房屋,其墻體和屋面按400mm-600mm間距布置冷彎型鋼,鋼骨間布置有各種支撐體系,在兩側(cè)安裝上結(jié)構(gòu)板材或飾面板之后,形成了非常可靠的“板肋結(jié)構(gòu)體系”,有著很強(qiáng)的抵抗地震和風(fēng)等水平荷載以及建筑物自重等各種豎向荷載的作用。

    這種體系,作為一種新的住宅建造技術(shù),在北美地區(qū)已有較多的應(yīng)用。在國內(nèi)雖已起步,但還缺乏相關(guān)的研究,設(shè)計理論還不完善。由于結(jié)構(gòu)的特殊性,其承受的荷載和作用,以及結(jié)構(gòu)傳力路徑的設(shè)計也有其特殊性。本文結(jié)合我們編制“北美低層鋼骨結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計手冊”的研究工作,較詳細(xì)地討論了比較關(guān)鍵的設(shè)計荷載問題,可資在國內(nèi)開展相關(guān)設(shè)計工作參考。

    本文討論的房屋限定為基礎(chǔ)或底下室以上1-3層(可設(shè)置閣樓),屋脊高12米以內(nèi)的單個或2個家庭居住的連體或獨立式住宅;文中未涉及的條件,應(yīng)按相關(guān)國家、地方或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或工程經(jīng)驗確定。本文的目的是提供一種簡明實用的設(shè)計荷載分析方法,并不排除按經(jīng)驗建造或采用其它設(shè)計方法的可能性。

    1 結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則與方法

    建筑物以及其各個構(gòu)件應(yīng)設(shè)計為能安全地抵抗各種荷載組合作用的影響并留有合理余量。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中不應(yīng)存在太薄弱的環(huán)節(jié),確保局部結(jié)構(gòu)件的失效不會快速擴(kuò)散而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞,因而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和節(jié)點應(yīng)形成一個連續(xù)的傳力途徑,以便將設(shè)計荷載連續(xù)地傳遞到地面。此即的結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和整體性準(zhǔn)則。

    結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還應(yīng)提供適當(dāng)?shù)膭偠却_保建筑物或構(gòu)件在正常條件下或荷載作用下能發(fā)揮其功能,這是適用性問題。當(dāng)然,所有的設(shè)計指標(biāo)是在確定的材料、設(shè)計、安裝和維護(hù)條件下,在確定的時間段內(nèi)考慮的,這是建筑物的使用壽命問題。

    對設(shè)計目標(biāo)的評估有多種方法。其一是理論分析法,例如安全性準(zhǔn)則可以表述為各種設(shè)計公式,如美國的ASD,LRFD,我國的極限設(shè)計法等。但確定可接受的安全性水平指標(biāo)多少是一件主觀問題,嚴(yán)重依賴于對于以往成功和失敗的設(shè)計和建設(shè)實踐的解釋,住宅設(shè)計的結(jié)構(gòu)安全性大體上是一個有待工程界研究的領(lǐng)域。

    其二是實驗測試方法,由于實驗主要是針對一些獨立的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件(如簡支梁、柱等),有關(guān)結(jié)構(gòu)組合件或系統(tǒng)的信息很缺乏,或不能反映最終的使用條件和結(jié)構(gòu)實際承載力和剛度,實驗方法實際上有很大的局限性。但當(dāng)當(dāng)前的實踐、有關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)不能提供有效的、精確的和完整的設(shè)計依據(jù)時,實驗是唯一可以依賴的方法。

    關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的低層鋼骨結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)住宅,我們已按相關(guān)經(jīng)驗和有關(guān)分析編制了說明性建造手冊。這些手冊實際上是一些預(yù)先設(shè)計的或被認(rèn)定為可靠的房屋設(shè)計數(shù)據(jù)和規(guī)定的集合。在一些限制范圍內(nèi),他們與相關(guān)規(guī)范是統(tǒng)一的。這是經(jīng)驗法。當(dāng)然,三種方法在很多情況下可以綜合應(yīng)用。


    2 低層鋼骨結(jié)構(gòu)住宅荷載
    2.1 恒載(D)
    恒載系指永久的房屋材料如屋面、樓面、墻體基礎(chǔ)系統(tǒng)以及面飾材料以及固定設(shè)備的重量。根據(jù)房屋實際應(yīng)用的材料確定,或從常用材料重量表中查取。由于鋼結(jié)構(gòu)住宅所用材料的品種和來源的多樣性,設(shè)計師選用的恒載必須能反映房屋的實際建造狀況。表2.1為輕型鋼骨結(jié)構(gòu)住宅各系統(tǒng)材料總重量。

    2.2 活載(L)
    2.2.1活荷載標(biāo)準(zhǔn)值
    不同區(qū)間的活荷載可參照表2.2選取,這是根據(jù)實際工作情況總結(jié)而得來的。當(dāng)然,在不同的國家或地區(qū),按相應(yīng)地方建筑標(biāo)準(zhǔn),取值會有變化。我們建議在實際設(shè)計中,取規(guī)范和表2.2中之值的較大者。

    對于閣樓,通常有三種用途:①空置,取0.48KN/m2的活載,僅用于設(shè)計天花板托梁,以考慮安裝,維護(hù)以及相關(guān)活動引起的荷載作用,不參與其它構(gòu)件設(shè)計時的荷載組合。②作為儲物間;③作為書房或臥室或是其它功能空間,則應(yīng)將天花板按樓板設(shè)計,相應(yīng)的活荷載按樓面取值。關(guān)于陽臺或露臺,當(dāng)離地面不超過1.2m時,活載也可按樓面取1.92KN/m2,實踐表明,露臺和陽臺的破壞,往往是由于其它主體結(jié)構(gòu)間的連接點設(shè)計不合理導(dǎo)致的,而不是由于活載取值不合適引起的。
    集中活載作用在相應(yīng)區(qū)域最不利的一小塊面積上,使之產(chǎn)生最大的影響.以考慮實際可能出現(xiàn)的情況,集中活載不與均布活載同時考慮。

    對于房屋中特別用途的空間,或其活荷載在表2.2中未列出的,應(yīng)另行按實際考慮活荷載取值,包括住房中不常有的重型儲物間、辦公空間、書庫等,一些特殊的設(shè)備荷載如浴盆,水床,健身器材等也要按實際情況另行考慮。

    2.2.2 活載折減
    表2.2中的數(shù)據(jù)是基于18.6m2的樓面確定的,對于超過這一面積的房間,出現(xiàn)同一水平的均布活載的可能性降低了。固而當(dāng)某一層的構(gòu)件支撐的樓面從屬面積大于18.6m2時,可以采用折減后的樓面均布活載設(shè)計相應(yīng)的構(gòu)件?;钶d折減公式為:
    L=L0(0.25+10.6/AT1/2)≥0.75
    其中,從屬面積AT≥18.6m2,L0為從表2.2中查得的活荷載。以上針對的是低層住宅,顯然不同于商業(yè)建筑的折減。

    在荷載組合中考慮多個樓層房屋樓面、屋面和閣樓活載時,活載總值應(yīng)按如下統(tǒng)計:
    L=L1+0.7(L2+L3+…..)

    其中L1,L2,L3,…..是各活載分量,L1是其中的最值,見圖2。當(dāng)然,各相應(yīng)從屬面積大于18.6m2時,要按前文將 L2,L3,…預(yù)先折減后,再代入上式。
    2.3 土側(cè)壓力(H)及特別的作用

    對于排水通暢、輕微壓緊的土壤,等效流體密度記為q,對于沙礫,淤積砂泥,淤積泥土以及粘土質(zhì)土壤,q值分別取5,5.9,7.5和10 KN/m3;對于浸透土壤,q一般取值為13.4KN/m3。相應(yīng)地,基礎(chǔ)或擋土墻承受的側(cè)壓力按三角形分布,合力為H=qh2/2,其中h為基礎(chǔ)埋深。

      對于水中建筑或洪泛區(qū)建筑,尚需考慮水的動力和靜力作用。在膨脹土壤地區(qū),要么設(shè)計基礎(chǔ)時考慮土的體積變化作用,要么在構(gòu)造上避免土壤對結(jié)構(gòu)性作用。在凍土地區(qū),則應(yīng)將基礎(chǔ)設(shè)計在凍土層以下。


    2.4風(fēng)載(W)
    2.4.1基本風(fēng)速、暴露條件及基本風(fēng)壓
    風(fēng)載的確定基于基本風(fēng)速的統(tǒng)計,本文引用的風(fēng)速為3秒鐘陣風(fēng)速度,其于過去采用的最大英里風(fēng)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系見表2.成3秒種陣風(fēng)速度,見表2.3。

    根據(jù)場地環(huán)境情況,風(fēng)場暴露類別(也即地面粗糙度)可分為3個類別來考慮:
    A敞開區(qū):指平原鄉(xiāng)村,草地或海岸區(qū),場地開闊,只有少量不超9m的障礙物。
    B郊區(qū):城區(qū),郊區(qū),有樹的地區(qū),或有較多的房屋大小或更大的障礙物,有分散的敞開區(qū)。
    C受保護(hù)區(qū):密林地區(qū),房屋高度不超過周圍樹木或房屋的障礙物的平均高度,且設(shè)計風(fēng)速低于210km/小時。

    場地暴露類別是非常重要的影響風(fēng)載的因素,同時也是最難于合理定義的一個參數(shù)。在很多情況下,場地類型介于兩種類型之間,另外周圍的房屋和樹木的高度和疏密也會變化,這需要設(shè)計師進(jìn)行判斷,取某一種值,或分析后取“平均值”。基本風(fēng)壓根據(jù)基本風(fēng)速計算,這在各國是統(tǒng)一的。

    2.4.2房屋主體側(cè)向風(fēng)荷載和屋面風(fēng)吸力
    鋼骨結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計有明確的主抗風(fēng)系統(tǒng):水平膈板(樓板和屋面)以及抗剪力墻體。作用在主體結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載,按屋面和墻面的水平和垂直投影面積分別施加,水平風(fēng)荷載分別作用在房屋的橫向和縱向,屋面風(fēng)吸力作用在屋面的水平投影面積上,方向向上,見圖3。相應(yīng)風(fēng)荷載取表2.4基本風(fēng)壓乘表2.5之主體結(jié)構(gòu)風(fēng)壓體型系數(shù)即可,這是一種簡單實用的方法。需要注意的是,風(fēng)向可能相反。對于單坡屋面,其在垂直方向的投影面積上的側(cè)向風(fēng)載的方向也可能相反。
    側(cè)向風(fēng)荷載可以按從屬面積法向抗剪墻體以及水平膈板上分配,更精確的方法是假設(shè)膈板在平面內(nèi)是剛性的,按抗剪墻體的相對剛度分配。當(dāng)然,用板來模擬膈板和墻體,采用空間有限元的方法計算也是比較精確的,但比較繁瑣,必要性不大。

    2.4.2作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件及維護(hù)材料的風(fēng)荷載
    作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件及維護(hù)材料的風(fēng)荷載體型系數(shù)見下表2.6,也是根據(jù)ASCE 7-98和結(jié)構(gòu)特點確定。

    2.4.3特別問題
    基于安全考慮,可以根據(jù)地方或相關(guān)規(guī)定,在強(qiáng)風(fēng)(風(fēng)速≥120mph)地區(qū),對可能隨風(fēng)飄離的面層或維護(hù)材料(如臨時性或永久性遮陽板等)設(shè)置保護(hù)或限制措施,以免撞損房屋或造成其他事故。

    2.4 雪載(S)

    由于風(fēng)和坡屋面因素,地面積雪厚度與屋面并不相同。在屋面水平投影面積上的均布雪載按下式確定:
    p = CeCspg
    其中Ce為地面粗糙度系數(shù),對于A,B,C類場地,分別取0.8,1.0,和1.2;Cs為屋面坡度系數(shù),對于不同坡度分別取1.0(≤6:12),0.9(= 7:12)和0.8(≥ 8:12);pg為地面雪載。這與我國的雪載統(tǒng)計法有所不同,但可能更合理。

    考慮雪載的不平衡分布必須考慮,方法是在雙坡屋面的一面施加0.8p的均布雪載,在另一面施加1.2p的均布雪載。


    2.6地震力(E)
    2.6.1水平地震作用力

    簡單的方法是采用底部剪力法計算水平地震作用,各層的頂部的水平地震力按下式計算:
    E = 0.8[(Ss)(Fa)/R]Wg
    Ss為場地設(shè)計地面運動加速度,F(xiàn)a為場地放大系數(shù),R為地震反應(yīng)修正系數(shù),參見下表2.7,表2.8取值。Wg為房屋重力代表值,包括該層及上部各層分布的恒載,以及永久性設(shè)備重量。不計活載,當(dāng)雪載大于1.35KN/m2時,計入20%的雪載。

    2.6.2水平地震力的分配
    作用在各層頂部的地震水平剪力由抗剪墻體承擔(dān),設(shè)計時要避免出現(xiàn)嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)作用,同時,也要避免因局部墻體剛度過大而出現(xiàn)部分墻體“超載”的現(xiàn)象。層間地震水平剪力向各面抗剪墻體分配時,比較實用的方法是按各墻體的從屬地震反應(yīng)重力代表值的比例分配,當(dāng)然,也可以有如前文分配風(fēng)載一樣,按墻體剛度比例分配。需要注意的是,水平地震應(yīng)分別作用在房屋結(jié)構(gòu)的不同主軸方向。

    2.6.3豎向地震作用
    輕型房屋很少因豎向地震作用而引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)問題,因而,一般不考慮豎向地震作用。只有當(dāng)豎向承力體系支承的活載小于恒載的1/2時,才需要計算豎向地震作用,此時豎向承力體系雖然能抵抗恒載和活載的組合作用,但可能承擔(dān)不了恒載和豎向地震力的組合作用,這在本文討論的結(jié)構(gòu)體系中一般不回出現(xiàn)。


    3 荷載組合

    設(shè)計荷載組合見表2.1。需要說明的是其中SAD和LRFD中的風(fēng)荷載是根據(jù)陣風(fēng)風(fēng)速確定的,而非最大風(fēng)速確定的,雪載為屋面雪壓;極限狀態(tài)設(shè)計法的風(fēng)荷載按50年重現(xiàn)期10秒平均最大風(fēng)速確定,雪壓按中國規(guī)范取值。

    4 總結(jié)

    本文提供的數(shù)據(jù)和方法可以方便地用于鋼骨結(jié)構(gòu)低層住宅的設(shè)計。事實上,中美兩國的設(shè)計規(guī)范在原理上是相通的,只是在一些表述形式和有關(guān)的荷載和構(gòu)造規(guī)定方面有所差異,相應(yīng)地安全度水平有所不同。在目前情況下,我們承建的鋼骨結(jié)構(gòu)低層住宅工程基本上是按美國規(guī)范設(shè)計,再按中國規(guī)范校核,我們發(fā)現(xiàn),按不同規(guī)范設(shè)計的結(jié)果是比較接近的。本文針對荷載作比較詳盡的描述,是希望對在國內(nèi)完全按照中國標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一些參考,筆者將另文論述完全按我國規(guī)范設(shè)計時有關(guān)的設(shè)計荷載分析問題。
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