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抵抗風(fēng)災(zāi)雪災(zāi)的輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

作者:王賽寧 李文波 牟蘭 韓小紅 李祝元 郭啟勇    
時間:2011-12-01 17:19:58 [收藏]
本文著重介紹了美國MBMA96 和FM關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的風(fēng)荷載及雪荷載設(shè)計方法和規(guī)定,并與荷載規(guī)范GB5009-2001的相應(yīng)規(guī)定的差異進(jìn)行了比較,對國內(nèi)輕鋼房屋的風(fēng)荷載設(shè)計、雪堆積及分布提出一些建議。
    關(guān)鍵詞:低層房屋 設(shè)計風(fēng)壓 壓力系數(shù)

    前言
    20世紀(jì)90年代以來,我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速,特別是輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展更是,如火如荼。輕鋼結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)相比,具有本身自重輕,構(gòu)件薄,結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)少等特點(diǎn),故對風(fēng)吸力及雪荷載的漂移和堆積較為敏感,在這些方面,我國還缺乏理論研究和實踐認(rèn)知。不容回避的事實是,每當(dāng)各地有大的風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)發(fā)生時,就會造成輕鋼結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。仔細(xì)研讀美國規(guī)范(MBMA96)中有關(guān)風(fēng)、雪荷載設(shè)計的規(guī)定,不難發(fā)現(xiàn)我國目前的荷載規(guī)范,在這些方面的規(guī)定尚有待改進(jìn)和完善。希望借2007年3月4日沈陽地區(qū)的雪災(zāi)及2004年浙江臺州第14號 “云娜” 臺風(fēng)的影響,結(jié)合 MBMA96的相應(yīng)規(guī)定,得出符合我國國情的雪荷載堆積及分布的建議。
     
    1.低層房屋建筑系統(tǒng)手冊(LOW RISE BUILDING SYSTEMS MANUAL)
    《低層房屋建筑系統(tǒng)手冊》(1996)版(以下簡稱手冊)是由美國鋼結(jié)構(gòu)房屋制造商協(xié)會(METAL BUILDING MANUFACTURE ASSOCIATION)編纂的技術(shù)規(guī)程。它反映了美國在低層鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑系統(tǒng)方面幾十年的研究成果和經(jīng)驗積累。其關(guān)于低層建筑風(fēng)荷載的取用和計算部分是該手冊的精華所在,使其成為輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計最重要的參考資料之一。我國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會主編的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102:2002) 中的風(fēng)荷載體型系數(shù)即參考和引用自該書。
    需要說明的是美國的規(guī)范、規(guī)程允許多種新舊版本并存,如MBMA 2002 為最新版規(guī)程,但MBMA 86 和MBMA 96迄今仍是應(yīng)用最為廣泛的版本。
    1.1 低層房屋的定義
    該手冊中低層房屋指屋面為平屋面、坡度小于30°的單坡屋面、雙坡屋面,屋面平均高度小于60英尺(約18米),檐口高度不大于建筑物最小平面尺寸的已完工建筑物。之所以有這樣的要求,是由于其風(fēng)荷載的設(shè)計計算方法是在紊流邊界層風(fēng)洞實驗的基礎(chǔ)上獲得的,而用于風(fēng)洞實驗的研究模型具有上述幾何特點(diǎn),所以當(dāng)建筑物不滿足該項要求時,應(yīng)參照其它規(guī)程(如ASCE-7 或UBC 等)確定風(fēng)荷載值。
    自然界中的流體運(yùn)動(例如風(fēng))存在著二種不同的形式:一種是層流,看上去平順、清晰,沒有摻混現(xiàn)象,例如靠近燃燒著的香煙頭附近細(xì)細(xì)的煙流;另一種則顯得雜亂無章,看上去毫無規(guī)則,例如煙囪里冒出來的滾滾濃煙,這就是湍流,也叫紊流。雖然國內(nèi)外的風(fēng)荷載研究均是建立在風(fēng)洞實驗的基礎(chǔ)上的,但不同規(guī)范之間由于其適用對象的不同、研究手段的差異,使風(fēng)荷載計算值相差較大,因此根據(jù)實際項目的自身特點(diǎn),選擇合適的規(guī)范非常重要。一般說來,當(dāng)設(shè)計對象為多、高層建筑時,應(yīng)選用主要以層流邊界層風(fēng)洞實驗為研究基礎(chǔ)的規(guī)范,如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》;當(dāng)設(shè)計對象為低矮建筑時,應(yīng)選用主要以紊流邊界層風(fēng)洞實驗為研究基礎(chǔ)的規(guī)范,如《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。有些人認(rèn)為兩種風(fēng)荷載計算方法并存是不合理的,然而這非但不是“不合理”的,反而恰恰是對自然界真實的、合理的、科學(xué)的反映。還有些人認(rèn)為采用哪個規(guī)范計算偏安全,就采用那個規(guī)范,這樣的觀點(diǎn)也是不科學(xué)的,如果實驗研究證明它只會承受那么大的風(fēng)荷載,設(shè)計中就取用那么大的風(fēng)荷載就可以了,人為去放大它是沒有科學(xué)依據(jù)的。
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    需要注意的是公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義與國內(nèi)風(fēng)速是不同的,國內(nèi)風(fēng)速測量時距為10分鐘定值,而里程風(fēng)速測量時距是長度為一英里的空氣通過風(fēng)速計所需要的時間。因此對不同的風(fēng)速值,其測量時距是變值。所以不能通過簡單的單位換算后,對兩種風(fēng)速進(jìn)行大小比較。中國基本風(fēng)壓與美國里程風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系詳見表2。
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    風(fēng)荷載的重要性系數(shù)反應(yīng)的是,對不同重要性的建筑物須采用不同重現(xiàn)周期的風(fēng)速,通過系數(shù)1.07和0.95 分別將50年一遇里程風(fēng)速調(diào)整為100年一遇及25年一遇的里程風(fēng)速。
    對于一棟建筑,只對應(yīng)一個q(速度風(fēng)壓)值,用于計算整個建筑系統(tǒng)不同構(gòu)件的風(fēng)荷載值,并且不隨構(gòu)件所處的標(biāo)高變化而變化,這是與國內(nèi)規(guī)范的不同點(diǎn)之一。
    GCp 是主框架或構(gòu)件的組合壓力系數(shù)峰值,其中G表示陣風(fēng)反應(yīng)系數(shù),是一個考慮了風(fēng)的紊流而取的放大系數(shù);CpI內(nèi)部壓力系數(shù),CpE外部壓力系數(shù),Cp組合壓力系數(shù)(相當(dāng)于內(nèi)部壓力系數(shù)和外部壓力系數(shù)組合后的系數(shù))。由于研究過程中進(jìn)行了廣泛的風(fēng)洞實驗,借助傳感器“峰值系數(shù)”是可以監(jiān)測到的,它就是GCp,所以在本規(guī)程中GCp總是以乘積的形式出現(xiàn),并不真的有獨(dú)立的陣風(fēng)反應(yīng)系數(shù)值或組合壓力系數(shù)值。CpE外部壓力系數(shù)在物理意義上相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范中的“風(fēng)載體型系數(shù)”。
     (H/33)2/7 地面粗糙度系數(shù)K,相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范中的“風(fēng)壓高度變化系數(shù)”,需要指出的是,該規(guī)程在確定風(fēng)荷載時,并未對不同建筑物所在場地的地面粗糙度進(jìn)行區(qū)分,而是偏安全的統(tǒng)一取為C類(相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范B類地面粗糙度,µzB=(z/10)0.32)。所以在手冊中該值僅與建筑物屋面平均高度有關(guān)。
    美國規(guī)范中地面粗糙度類別定義如下:
     A:大城市中心周圍有超過50%的建筑物高度超過70英尺(約20米);
     B:市內(nèi)或郊區(qū),樹木繁茂區(qū)或密集住宅及較大建筑物;
    C:開闊地區(qū)或零星阻擋物;
    D類:平坦區(qū)域無阻擋物阻礙風(fēng)吹過。
    分別對應(yīng)國內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的D~A類“地面粗糙度”。
    1.3 風(fēng)荷載大小的確定
    1.3.1 建筑物的類型
    建筑物的內(nèi)部壓力是由所謂“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”產(chǎn)生的。迎風(fēng)面墻上的開口使風(fēng)吹入房屋內(nèi)部,此時就如同吹氣球一樣, 產(chǎn)生一個作用于所有屋面、墻面的內(nèi)部壓力。當(dāng)開口位于背對風(fēng)(或側(cè)對風(fēng))墻上時,由于該位置為風(fēng)荷載的負(fù)壓區(qū),部分空氣由室內(nèi)流失,產(chǎn)生一個作用于所有屋面、墻面的內(nèi)部吸力,由此可見開口與建筑物的內(nèi)部壓力關(guān)系緊密。這里說的的開口(Opening)是指建筑物表面永久性的無有效遮蔽的,并且是根據(jù)設(shè)計要求留設(shè)的洞口。該規(guī)程根據(jù)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻面)上開口的面積率和分布情況的不同,將建筑物分為以下三類:
    封閉式建筑(Enclosed Buildings)是指在其圍護(hù)結(jié)構(gòu)上無開口或開口分布相對均勻的建筑物, 封閉式建筑的內(nèi)部壓力主要來源于外墻面門窗的開關(guān),室內(nèi)門窗的開關(guān)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破損和開口等情況,其內(nèi)部壓力系數(shù)CpI可取為+0.2(鼓風(fēng)效應(yīng))和-0.2(吸風(fēng)效應(yīng))。
    對于可有效承受風(fēng)荷載的門窗,可不作為開口考慮。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮門、窗、墻面采光板等建筑附件的抗風(fēng)設(shè)計,否則門窗一旦在風(fēng)壓下破損,將改變建筑物的內(nèi)部壓力,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。
    部分封閉式建筑(Partial Enclosed Buildings)是指墻面開口主要集中于一面墻上,該面墻上的開口面積之和大于該墻面積的5%,同時超過其余墻面及屋面開口面積總和 ,且其余墻面及屋面開口面積總和不超過其余墻面及屋面總和的20%的一類建筑物。這一類建筑物的特點(diǎn)是,有大開口,且分布極不均勻。 其內(nèi)部壓力系數(shù)值CpI可取為+0.6(鼓風(fēng)效應(yīng))和-0.3(吸風(fēng)效應(yīng))。
    開敞式建筑物(Open Buildings)是指至少有80%的墻面開敞的建筑物。
    凡不符合部分封閉式建筑和敞式建筑物定義的,均應(yīng)視為封閉式建筑物。

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    Z ---- 建筑邊緣帶寬度,取建筑最小水平尺寸的10%或0.4H中的較小值, 但
    不得小于0.04B或3英尺(約 1 米);計算剛架時的房屋端區(qū)寬度取Z(橫向)和2Z(縱向);
    H ---- 屋面平均高度,對于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度;
    r ---- 屋面中區(qū);
    s ---- 屋面邊區(qū);
    c ---- 屋面角區(qū);
    w ---- 墻面中區(qū);
    e ---- 墻面邊區(qū)。
     
    1.3.3 剛架(Main Framing)組合壓力系數(shù)的確定
    剛架的橫(縱)向組合壓力系數(shù) GCp可直接通過查表獲得,見3、4
    由于風(fēng)可以從任意方向吹來, 內(nèi)部壓力系數(shù)應(yīng)根據(jù)最不利原則與外部壓力系數(shù)組合,從而得到風(fēng)荷載的控制工況。該規(guī)程通過“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”分別與外部壓力系數(shù)組合得到兩種工況: 工況I為鼓風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合; 工況II為吸風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合。
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    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的“剛架的風(fēng)荷載體型系數(shù)” A.0.2-1中,橫向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況I,而縱向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況II理論上講結(jié)構(gòu)設(shè)計中兩種工況均應(yīng)考慮,并取用最不利工況下的荷載,通過比較我們發(fā)現(xiàn)一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規(guī)程所推薦的那兩種組合。
    需要注意的是MBMA規(guī)程規(guī)定:橫向風(fēng)作用時,當(dāng)房屋端區(qū)寬度(既2Z)小于端柱距尺寸時,端區(qū)比中區(qū)額外大出的那部分風(fēng)荷載可直接作用于端剛架,并不在端剛架與相鄰中間剛架之間進(jìn)行分配??紤]到端剛架剛度往往較中間剛架剛度大得多,所以這樣的做法是合理的。
    由于在風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移是一個關(guān)于使用功能方面(正常使用極限狀態(tài))的要求,而非強(qiáng)度或穩(wěn)定方面(承載力極限狀態(tài))的要求,因此手冊建議計算側(cè)移時采用一個較低的(10年)重現(xiàn)期的風(fēng)載,即0.75 p。實際上風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移值遠(yuǎn)小于按普通方法分析得出的計算值,原因是分析中未考慮蒙皮效應(yīng),及工程鉸的抗彎剛度等因素。
    1.3.4 附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(Components and Cladding)組合壓力系數(shù)的確定
    附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含的構(gòu)件的種類較多,其組合壓力系數(shù)GCp分別在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表 A.0.2-2~A.0.2-5中已有詳盡描述,在此不再重復(fù)講述,僅談幾個設(shè)計中應(yīng)注意的問題:
    圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合壓力系數(shù)為有效受風(fēng)面積(Effective Wind Load Area)的函數(shù),并與其線形相關(guān)。有效受風(fēng)面積僅用于確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合壓力系數(shù),與受荷面積是完全不同的兩個概念,設(shè)計中應(yīng)加以區(qū)分。
    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中給出的組合壓力系數(shù)均為屋面角£10°的情況,由于組合壓力系數(shù)對屋面角很敏感,因此對屋面角>10°的情況應(yīng)參考“手冊”相應(yīng)條件下的系數(shù)。
    “手冊”允許當(dāng)屋面角£10°時,墻面組合壓力系數(shù)減少10%。
    當(dāng)構(gòu)件同時位于兩個分區(qū)時,如端開間的檁條和墻梁,應(yīng)判斷采用邊區(qū)還是中區(qū)的系數(shù),“手冊”建議當(dāng)構(gòu)件超過一半的長度位于邊區(qū)內(nèi)時,采用邊區(qū)系數(shù);反之則采用中區(qū)系數(shù)。
    出屋面女兒墻組合壓力系數(shù)迎風(fēng)面為+1.3,背風(fēng)面為-1.3,這與國內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定是相同的。
    2FM 的風(fēng)荷載設(shè)計
    FMFactory Mutual Insurance Company)是美國“FM Global”的簡稱,它是世界上最主要的工商財產(chǎn)保險組織之一,其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”,1999年美國三家最大的“FM”保險公司(Allendale Insurance Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機(jī)構(gòu)FMRCFactory Mutual Research Corp.發(fā)布的屋面系統(tǒng)抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、抗風(fēng)測試及產(chǎn)品認(rèn)證在全世界得到廣泛的認(rèn)可,并在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面設(shè)計、制作、安裝過程中得到廣泛的借鑒和應(yīng)用,為眾多(被保險或未被保險的)企業(yè)避免或降低了風(fēng)災(zāi)損失。這其中許多內(nèi)容是值得國內(nèi)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作單位借鑒的。
    FM風(fēng)荷載設(shè)計所要遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(FM Global Property Loss Prevention Date Sheets)主要有如下幾個:
    LPD 1-28      Design Wind Loads    
    LPD 1-31      Metal Roof System                                          
    LPD 1-54      Roof Loads for New Construction (gravity loads)   
    FM的風(fēng)荷載取值源自美國土建工程師協(xié)會(American Society of Civil Engineers)編纂的ASCE 7 – 98Minimum Design Load for Buildings and Other structures. (即《建筑結(jié)構(gòu)最小荷載規(guī)范》,它是美國主流荷載規(guī)范之一)。FMRC對其作了如下修正:
    1.對所有建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載重要性系數(shù)均取為 I=1.15 ,其意義在于將風(fēng)速的重現(xiàn)期由50年調(diào)整為100年;
    2.當(dāng)建筑位于地面粗糙度為A 類地區(qū)時,地面粗糙度取為B 類;
    3.對基本風(fēng)速大于等于120mph有颶風(fēng)的海岸線,地面粗糙度取為C 類;
    4.按10sf 1m2)有效受風(fēng)面積確定屋面系統(tǒng)的設(shè)計風(fēng)壓(p)。
    2.1 FMASCE 7 – 98)的設(shè)計風(fēng)壓
    設(shè)計風(fēng)壓表達(dá)式:p= qz [(G Cpf) -(G Cpi)]
    p ---- 設(shè)計風(fēng)壓(psf);
    qz ---- 速度風(fēng)壓(psf);
     
    qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I
     
                           Kz ---- 地面粗糙度系數(shù);
                          Kzt ---- 地形條件修正系數(shù)(1.0);
         Kd ---- 風(fēng)向系數(shù)(0.85);
                             I  ---- 風(fēng)荷載重要性系數(shù)(1.15);
    V  ---- 基本風(fēng)速(Basic Wind Speed)指C 類場地10米高度處 3秒陣風(fēng)速度;
    公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義又與MBMA 96 有所不同,其風(fēng)速測量時距為3秒,所以其風(fēng)速表達(dá)值較其它規(guī)范顯得偏大。國內(nèi)主要城市的3秒陣風(fēng)速度值,在LPD 1-28中已有規(guī)定,設(shè)計時僅依據(jù)城市名稱便可查出該值。
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    G Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù),該規(guī)范規(guī)定:封閉式建筑取為+0.18(鼓風(fēng)效應(yīng))和-0.18(吸風(fēng)效應(yīng));對辦封閉式建筑取為+0.55(鼓風(fēng)效應(yīng))和-0.55(吸風(fēng)效應(yīng))。
    G Cpf為外部壓力系數(shù),外部壓力系數(shù)分為剛架(Main Wind Force Resisting System)的外部壓力系數(shù),和附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(Components and Cladding)的外部壓力系數(shù)。分別見-6和圖-3至圖-6。
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    -4和圖-6中橫坐標(biāo)軸為有效受風(fēng)面積(Effective Wind Load Area),單位為sfm2),縱坐標(biāo)軸為附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外部壓力系數(shù)。須要注意的是圖-4給出了屋面構(gòu)件的風(fēng)荷載壓力系數(shù),設(shè)計中風(fēng)吸、風(fēng)壓應(yīng)分別予以計算并確定最不利組合。當(dāng)屋面角£10°時,墻面外部壓力系數(shù)可減少10%ASCE 7-98 中關(guān)于房屋類型和屋面分區(qū)“a”和“h”值的定義與MBMA 96 相同的。
    FM屋面分區(qū)與前面介紹的MBMA 96 的主要區(qū)別是:
    1當(dāng)屋面坡角大于10°時,屋脊處也會出現(xiàn)邊區(qū)和角區(qū),見圖-3;
    2.當(dāng)沿建筑物屋面四周有高度超過屋面1米的女兒墻,并且屋面坡角不大于10°時,角區(qū)由邊區(qū)代替;
    3FMASCE7-98)給出了屋面高度超過18米時的屋面分區(qū),這對多層廠房屋面抗風(fēng)設(shè)計有較大的指導(dǎo)意義;
    4.角區(qū)僅可能出現(xiàn)在建筑物屋面的陽角處,屋面陰角處為邊區(qū)不出現(xiàn)角區(qū)。
     
    2.2 FM 屋面風(fēng)暴等級確定
    根據(jù)上述步驟得到屋面中區(qū)有效受風(fēng)面積為10sf 1m2)的設(shè)計風(fēng)壓p,便可根據(jù)下表確定屋面中區(qū)的風(fēng)暴等級。

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    1-60、1-75、1-90FM的抗風(fēng)暴等級,它表示該級別屋面系統(tǒng)經(jīng)FMRC風(fēng)荷載實驗驗證可承受的風(fēng)壓分別可達(dá)60psf (2.87kn/m2) 75psf (3.59kn/m2) ,90psf (4.31kn/m2)。其中1-60為最低抗風(fēng)等級,相鄰各級的級差為15psf(0.718kn/m2)。通過觀察我們會發(fā)現(xiàn),所要求抗風(fēng)暴等級的實際承載力總是>=2倍的設(shè)計風(fēng)壓 p,它相當(dāng)于屋面系統(tǒng)得極限承載力。
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    2.3 FM 抗風(fēng)設(shè)計的特點(diǎn)
    1FMRC抗風(fēng)設(shè)計側(cè)重圍護(hù)結(jié)構(gòu),尤其是屋面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它將不同公司的多種屋面系統(tǒng)根據(jù)其抗風(fēng)能力的大小劃分為1-60,1-90,1-135等幾個抗風(fēng)暴等級,而每一級別的屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)能力認(rèn)證,則完全是通過實驗驗證的方法確定的。
    2.抗風(fēng)能力是由包括屋面板、檁條、連接件及其相互之間的連接等在內(nèi)的整個系統(tǒng)的抗風(fēng)能力所決定的。單獨(dú)某個構(gòu)件的抗風(fēng)能力是不確定的。
    3.主結(jié)構(gòu)(剛架)抗風(fēng)設(shè)計滿足規(guī)范(ASCE 7-98)要求即可,并無特殊風(fēng)載要求,抗風(fēng)設(shè)計的重點(diǎn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。
    對比國內(nèi),以上幾點(diǎn)恰恰是值得我們學(xué)習(xí)借鑒的。國內(nèi)一般強(qiáng)調(diào)的是單個的產(chǎn)品,如檁條、屋面板等,缺少“系統(tǒng)”的概念。輕鋼企業(yè)賣給客戶的所謂系統(tǒng)是市場上拼湊來的,少有自己研發(fā)的系統(tǒng)。這一方面反映了我們的市場還處于初級階段,另一方面也跟我們行業(yè)的大氣侯有關(guān):結(jié)構(gòu)設(shè)計資質(zhì)在設(shè)計院,那么設(shè)計院必然要根據(jù)市場上的材料供應(yīng)來設(shè)計項目,所以成了沒有設(shè)計資質(zhì)的檁條、屋面板的生產(chǎn)廠在領(lǐng)導(dǎo)市場,后果可想而知。而設(shè)計院也很難設(shè)計出完整的系統(tǒng),僅就組成屋面系統(tǒng)的各種材料的材料標(biāo)準(zhǔn)一點(diǎn)而言,一般設(shè)計圖紙很難能說清楚的。在美國,輕鋼企業(yè)是有設(shè)計資質(zhì)的,不同企業(yè)都能“開發(fā)”出自己的建筑系統(tǒng),并清楚知道其建筑系統(tǒng)的承載力,市場上賣的是系統(tǒng),而不是單個構(gòu)件產(chǎn)品,因此其整體技術(shù)水平較國內(nèi)企業(yè)高,這值得我們效仿。建筑系統(tǒng)的研發(fā)只能寄希望于企業(yè),應(yīng)當(dāng)容許和鼓勵輕鋼企業(yè)取得設(shè)計資質(zhì),實現(xiàn)企業(yè)技術(shù)升級;同時適當(dāng)提高行業(yè)準(zhǔn)入門檻,凈化市場環(huán)境,以利于整個行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。
    痛定思痛,“云娜”臺風(fēng)給了我們整個行業(yè)一個教訓(xùn),加強(qiáng)輕鋼結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計已刻不容緩。臺州市建設(shè)規(guī)劃局的災(zāi)后調(diào)查結(jié)論中關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的章節(jié),句句緊扣圍護(hù)、連接結(jié)構(gòu),直指板與次結(jié)構(gòu)的連接破壞為禍?zhǔn)?。這與我們自己的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果是吻合的。我公司的廠房沒出現(xiàn)破損現(xiàn)象,這是我們平時注重建筑系統(tǒng)的研發(fā),重視實驗,并較好握了建筑系統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計技術(shù)的必然結(jié)果。
     
    3.雪載漂移和堆積的計算方法
    3.1  MBMA96雪荷載的取值的規(guī)定:
    MBMA96規(guī)范給出的各個地區(qū)的雪荷載值,明確為地面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值,將地面雪荷載換算出屋面雪荷載時,首先將屋面種類按其光滑程度分光滑、非光滑;按照周圍環(huán)境狀況劃分為遮蔽、普通、及非遮蔽;按照屋面設(shè)施分為加熱、非加熱。雪荷載在系數(shù)取值時不僅與屋面坡度有關(guān),而且與上述情況相關(guān),從此可看出MBMA96在屋面雪荷載取值的定義時,同時考慮了周圍環(huán)境因素、屋面形狀及屋面加熱條件因素的影響,在同一地區(qū)房屋所處環(huán)境不同,屋面雪荷載會因環(huán)境差異而有差異。
    3.1.1 MBMA96關(guān)于雙坡屋面雪荷載的不均勻分布:
    對于單屋脊雙坡屋面,當(dāng)屋面傾角2.5≤θ≤15時,其不均勻形態(tài)為半坡為1.0Pf,而另外半坡為0.5Pf(單跨實腹梁結(jié)構(gòu)除外);當(dāng)屋面傾角15<θ≤70時,其不均勻形態(tài)為半坡為(1.13、1.30、1.44*Pf而另外半坡雪荷載為0。其中Pf表示屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值。不均勻系數(shù)1.13、1.301.44取值對應(yīng)屋面周圍環(huán)境為遮蔽、普通及暴露三種情況。
    3.1.2 MBMA96對于多屋脊屋面,雪荷載的不均勻分布的規(guī)定:
    當(dāng)屋面傾角θ>2.5時,其不均勻形態(tài)為,屋脊處雪荷載為0.5Pf而在低檐谷位置雪荷載為(1.742.0、2.22Pf。其中Pf表示屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值。不均勻系數(shù)1.742.0、2.22取值對應(yīng)屋面周圍環(huán)境為遮蔽、普通、及暴露三種情況。
     
    3.2 MBMA96雪堆積計算的規(guī)定
    3.2.1雪堆積的分類:
     雪堆積分為背風(fēng)雪堆積和迎風(fēng)雪堆積。背風(fēng)堆雪是指風(fēng)從高建筑吹向低建筑所引起的雪堆積;迎風(fēng)雪堆積是指風(fēng)從低建筑吹向高建筑所引起的雪堆積。
    3.2.2 雪堆積發(fā)生的情況:
    1,高低錯落的相鄰建筑的交界處,包括距離小于6米兩高低建筑低建筑的靠近高建筑的低建筑檐口位置;迎風(fēng)雪堆積與背風(fēng)雪堆積兩種情況取不利者。
    2)檐口或山墻女兒墻與屋面交界處;按迎風(fēng)雪堆積考慮。
    3)雨蓬與主建筑交界處,當(dāng)主建筑有女兒墻時,按迎風(fēng)雪堆積考慮;當(dāng)主建筑沒有女兒墻時,迎風(fēng)雪堆積與背風(fēng)雪堆積兩種情況取不利者,通常背風(fēng)雪堆積控制。
    4)高出屋面的小房子或設(shè)備間,當(dāng)凸出屋面建筑水平尺寸超過4.5米時,應(yīng)考慮凸出建筑與屋面交界處的雪堆積;按迎風(fēng)雪堆積考慮。
    3.2.3 雪堆積的計算:
     雪堆積高度hd6-1計算。當(dāng)式中Wb為高檐口建筑的沿風(fēng)向?qū)挾葧r,得到背風(fēng)雪堆積高度hd;當(dāng)式中Wb為低檐口建筑沿風(fēng)向?qū)挾葧r,計算得hd50%為迎風(fēng)雪堆積高度hdw=0.50hd;最終將取兩者較大者作為雪堆積高度。
    3.3 MBMA96雪滑移計算的規(guī)定
    高低錯落的建筑除考慮雪堆積之外,當(dāng)較高建筑屋面屋面傾角θ>10時,低屋面尚應(yīng)考慮雪滑移荷載。其計算方法較簡單,就是將雪堆積荷載放大40%。
    3.4 MBMA96雪堆積計算過程
    MBMA96雪堆積的計算考慮的高低屋面的長度,高差,及迎風(fēng)與背風(fēng)這些因素來進(jìn)行雪堆積計算,雪堆積形狀為三角形,如下圖所示。
    \
    3.4.1 雪堆積計算過程
    1),計算出雪堆三角形高度;
    背風(fēng)雪堆積高度計算:
    hd=0.43*Wb1/3*( Pg+10)1/4-1.5hr hb
    Wb=高屋面長度,單位英尺(feet);Pg地面雪荷載,單位psf.
    當(dāng)Wb25ft時,Wb25ft
    迎風(fēng)雪堆積高度計算:
    hd=0.50*[0.43*Wb1/3*( Pg+10)1/4-1.5] hr hb
    Wb=低屋面長度,單位英尺(feet
    當(dāng)Wb25ft時,Wb25ft
    hr=高低屋面的高差,單位ft
    hb=從均布雪荷載的厚度,單位ft
    2),計算雪密度;
    堆積雪荷載的最高點(diǎn)荷載值,Pd,等于hd×γ,γ為雪密度,按照下面的公式確定:
    γ=0.13 Pg+1430pcf
    通過上述方法得到的雪密度,可以用來計算均布雪荷載的厚度,hb
    hbPf(Pg)/γ
    3,計算雪地堆積范圍的長度。
    對于迎風(fēng)雪堆積與背風(fēng)雪堆積,堆積寬度Wd按照下面的規(guī)定確定
    當(dāng),hdhr hb時,w4hd8hr hb
    當(dāng),hd> hr hb時,w4hd2/4hr hb)≤8hc
     
    3.5 與國家現(xiàn)行規(guī)范雪荷載設(shè)計規(guī)定的對比
    3.5.1.荷載規(guī)范中雪荷載取值的規(guī)定
    荷載規(guī)范中提供的雪荷載沒有明確是地面還是屋面雪荷載,通常設(shè)計人會直接認(rèn)為是屋面雪荷載。顯然我們并沒有將建筑屋面周圍環(huán)境因素影響考慮到屋面雪荷載取值過程中,從而造成“不管環(huán)境如何在同一地區(qū)不同建筑單體屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值總是相同。”這樣不科學(xué)的計算方法。
    3.5.2.荷載規(guī)范雪荷載堆積規(guī)定
    雪堆積計算與現(xiàn)行國家荷載規(guī)范差別最大。現(xiàn)行國家荷載規(guī)范規(guī)定:雪堆積分布范圍為高差的2倍(且不小于4、不大于8米),即堆積荷載為2.0 Pf ,雪荷載堆積按矩形考慮。其實雪荷載的堆積形狀為接近三角形,這一點(diǎn)雪后觀察就可發(fā)現(xiàn)。如果高差均為3米,高屋面長100米,低屋面長100米,基本雪壓為0.4kN/m2,按國家規(guī)范計算出的雪堆積荷載為0.8 kN/m2,堆積范圍為6米;按照MBMA96的規(guī)定,計算出堆積最高點(diǎn)荷載為3.749 kN/m2,堆積三角形范圍為5.65米,從而看出按照MBMA96計算出的三角形最高點(diǎn)雪荷是0.8 kN/m24.686倍;但雪堆積范圍要小于6米。
    \
    3.5.3
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