雪荷载对建筑轻钢结构的影响以及雪荷载在工程中取值的分析

标题雪荷载对建筑轻钢结构的影响以及雪荷载在工程中取值的分析【摘要】本文归纳总结了在雪灾中轻型钢结构被破坏的几种形式，通过引用在实际工程中由于雪荷载取值不合理引起轻型钢结构被破坏的案列以及一些典型的工程事故来分析在雪灾中轻型钢结构被大面积破坏的原因,结合在雪荷载条件下各种建筑结构雪荷载的取值问题和影响雪荷载准确取值的各种因素进行综合分析，旨在提出几点能有效避免雪灾中轻型钢结构被大面积破坏的建议。SnowloadontheeffectsoflightsteelconstructionandsnowloadanalysisinthevalueoftheprojectThispapersummarizedaseveraldestroyedformsoflightsteelstructureinthesnowstorms.Thedisasterdestroyedreasonsoflightsteelstructureunderthesnowstormswereanalyzedbyreferencedestroyedcasesoflightsteelstructureduetotheunreasonablesnowloadvaluesandsometypicalengineeringaccidentsintheactualengineering.Atthesametime,snowloadvalueproblemofallkindsofbuildingstructureandvariousfactorstheoftheinfluencesnowloadaccuratevalueundersnowloadconditionwereconsideredtomakeacomprehensiveanalysis.Aimsaretomakeafewsuggestionsthatcaneffectivelyavoidalargearealightsteelstructuresdestroyedunderthesnowstorm.【关键词】：轻型钢结构；雪荷载；荷载规范；连续倒塌；荷载效应比值前言轻钢结构具有自重轻、施工速度快、综合造价低等优点，然而这种结构的抗超载性能较差，在大雪灾害中较容易破坏。『1.2』如1998年的大雪使得杭州、萧山等地约6万m2轻钢厂房塌,2007年东北特大暴风雪使辽宁省300多处钢结构厂房损坏,2008年春季中国南方发生的罕见暴雪,致使大量轻钢结构工程遭到不同程度的损伤与破坏。『11』在这些灾害中倒塌的大部分均为轻钢结构，而混凝土结构却很少破坏，原因在于混凝土结构中永久荷载效应一般占据较大的比重，对应荷载效应比值要小一些，而轻钢结构的荷载效应比值却是较大的。因此,分析研究雪荷载对建筑轻钢结构的影响以及分析雪荷载在建筑中的取值是十分必要的。综述1雪灾中常见轻型钢结构的破坏形式1.1檩条弯扭失稳破坏当檩条高度偏小,截面不足时,无法承受巨大的暴雪荷载,发生弯扭失稳破坏。如果一个开间檩条破坏而掉落后,钢架之间如果没有足够的连接,会使得刚架在邻跨的不均匀荷载作用下发生扭曲而破坏,承载力丧失[1]。化雪时产生的不均匀荷载对钢架有不利影响,使得阴面倒塌面积比阳面小。1.2刚架平面外失稳破坏在暴雪中,巨大的雪荷载使得刚架梁在弯矩作用下,下翼缘受压屈曲,平面外失稳。如果一段梁发生破坏,会导致相邻柱承受不均匀荷载而发生平面外失稳破坏并形成连锁效应[2]。1.3刚架梁平面内失稳破坏如果刚架梁的截面过小,无法承受巨大的雪荷载,则会在弯矩作用下发生平面内的整体失稳破坏。雪荷载作用下,梁跨中上翼缘受压先屈曲(其截面较小,本身就容易成为薄弱部分,此时梁挠度最大,屋面也最容易积雪,使屋面载荷加大)。失稳破坏时梁向下弯折,而弯折更使屋面雪向弯折的中部滑动集中,形成更大的载荷,梁柱节点处弯矩瞬间大增,致使此处梁下缘也屈曲而破坏[3]。梁失稳后,给邻间檩条产生大的拉力和扭矩,致使其在多个力的作用下扭曲。1.4节点破坏刚架主体节点一般都有较大的安全储备,在雪灾中发生破坏的往往是围护结构和次结构的节点。此类节点破坏后,引起的局部破坏经常导致荷载分布不均匀,而致使厂房的其他部分连锁破坏。【12】1.5次要结构破坏轻型钢结构建筑的次结构的破坏,如雨棚、连廊等也是容易发生破坏的部位。当雨棚在雪荷载作用下,与厂房主体连接的节点破坏是很典型的设计问题所致。【12】1.6支撑体系失效单层门架结构中,支撑体系的设计非常重要,刚架结构整体稳定及平面外计算长度、轴压比等均需借助一些支撑来保证。【12】2.雪灾下轻钢结构大面积破坏的原因及其分析2.1建筑结构因偶然事件的作用，产生初始的局部破坏，进而引发连锁反应，导致破坏向结构的其他部分扩散，最终使结构大范围坍塌或整体倒塌，这种破坏现象称为连续倒塌【8】。当雪压超载较大时，荷载效应比值越大的结构可靠性越低。根据可靠指标随荷载效应比值的变化规律可判定雪灾下轻钢结构的可靠性是低于混凝土结构的，这与两类结构在雪灾中的实际表现较为吻合【11】。2.2通过分析轻钢结构荷载效应比值的特性，并在此基础上校核了轻钢结构的设计可靠度，可得到以下结论。1.考虑雪荷载的不利布置后!轻钢结构中荷载效应比值的最大值将会大大超出可靠度设计统一标准0.2—0.25考虑的的取值范围2.根据文中可靠度分析结果，轻钢结构若要满足目标可靠指标3.2的要求，雪荷载分项系数值应提高至1.8。3.当雪压超载较大时,荷载效应比值越大的结构可靠性越低【11】。这从可靠性的角度为近年雪灾中轻钢结构大面积破坏的现象提供了补充解释..3.工程中影响雪荷载取值的因素3.1屋面形状及建筑物尺寸对雪荷载取值的影响屋面雪荷载与屋面坡度密切相关，一般随坡度的增加而减小，主要原因是风的作用和雪滑移所致。对于面积较大的屋面积雪在风荷载作用下将发生迁移,雪荷载的不均匀分布可能导致结构失稳【1】。,当进行类似的大面积屋面雪荷载确定时不能简单的按均匀分布来确定,应进行专门的研究。3.2积雪密度对雪荷载取值的影响影响积雪密度的主要因素有雪的深度和雪积累的时间，此外，同一地区海拔高度对积雪密度也有很大的影响。因此工程中设计雪荷载值的时候应该综合分析这些因素。3.3屋面温度条件对雪荷载取值的影响冬季采暖房屋的积雪一般比非采暖房屋小，这是因为屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使得雪滑移更易发生。对于不连续加热的屋面，加热期间融化的雪在不加热期间可能重新冻结。并且冻结的冰渣可能堵塞屋面排水，以致在屋面较低处结成较厚的冰层，产生附加荷载，重新冻结的雪还会减低坡屋面上雪滑移的能力。而有些钢结构棚架只起遮阳和遮雨雪的作用,这样的结构不采暖,因而结构屋盖雪荷载就大于采暖的建筑【课本】。3.4风对屋面结构雪荷载取值的影响在下雪过程中，风会把部分本将落在屋面上的雪吹积到附近的地面上或其他较低的物体上。所以导致迎风面积雪较薄,背风面由于风涡等作用积雪较厚【1】。在一般的建筑中由于屋顶面积不大,这种作用不太明显可以不考虑,但对于大面积的屋顶这种作用将产生较大的影响,是不能忽略的。3.5所选择计算屋面雪荷载的规范对雪荷载取值的影响雪荷载在不同规范中的计算公式见照片由雪荷载计算公式可以看到.屋面雪荷载等于基本雪压乘以一些相关系数。但是各公式的相关系数确有较大区别，中国规范考虑的影响因素最少，仅考虑屋面形状和坡度的影响，而其他国家规范则还考虑了周围环境、屋内热量传导、结构重要性等因素，说明中国规范对雪荷载规定还处于初级阶段，选择不同的规范算计算出来的结果也将不同【【3】。4．雪荷载值的合理确定4.1建设地点的基本雪压在规范中没有明确数值时当地的基本雪压值在荷载规范附录中没有给出时,可以根据当地的气象资料,按基本雪压定义通过统计分析确定。对雪荷载的调查实测数据处理后,经过统计假设检验,其概率分布服从极值Ⅰ型分布。其分布函数为:F(x)=exp{-exp[-α(x-u)]}式中,α为分布的尺度参数;u为分布的位置参数,即分布的众值。(1)【1】当地有10年或10年以上的年最大雪压资料时可通过资料的统计分析,按上式确定基本雪压。当有大量样本时,分布参数的均值μ和标准差σ的关系如下:α=1.28255σ,u=μ-0.57722α若重现期为R年的最大雪压xR,可按下式确定:xR=u-1αln[ln(RR-1)]因此,重现期为50年的基本雪压S0可求得下式:S0=u-1αln[ln(5050-1)]=u+2.5278α(2)当地的年最大雪压资料不足10年,可通过与有长期资料或有规定基本雪压的附近地区进行对比分析确定基本雪压。(3)当地没有雪压资料时可通过对气象和地形条件的分析,参考荷载规范附录上的等压线用插入法确定基本雪压。4.2建设地点的基本雪压在规范中有明确数值时（1)对于一般的框架结构和砖混结构房屋,基本雪压值可根据荷载规范附录中的表格和等值线图选用,按均布荷载进行计算,就能满足承载力的要求。可以说一般的框架结构和砖混结构房屋按现行规范的要求雪荷载取值是安全的。(2)【1】对于轻钢屋盖、钢架、网架、穹顶、拱顶等结构,目前我国采用的是50年一遇的基本雪荷载设计标准值,基本上能够满足设计需要,但在大灾面前雪荷载标准值偏低。我国南方地区空气湿润,多为湿雪,是重度较大的降雪,更有必要提高雪荷载标准值。在经济允许前提下可提高到100年一遇的水准。（3）【9】规范中对设计雪荷载取值有明确规定，但在当今气候变化较大的环境下!考虑局部环境的特殊性，在具体设计时可以多采集一些当地气象部门近年气象资料!适当提高雪荷载标准值。(4)【1】对高低跨屋面或有局部高差屋面,由于风对雪的漂积作用,较高屋面的雪被吹落在较低屋面上,在低屋面上形成局部较大的漂积荷载。最大可出现三倍于地面积雪荷载的情况。因此在建筑结构设计时要特别注意高低跨屋面或有局部高差屋面的情况。关于低跨屋面的积雪分布系数的选取,前苏联规定屋面积雪分布系数取4.0。我国现行规范规定屋面积雪分布系数为2.0。考虑到我国部分地区冰雪灾害频发,低屋面的积雪分布系数有必要调大。建议(1)【2】因地制宜地提高雪荷载值与风荷载值的设计富余量。结构设计规范是结构设计的基本要求,各地区可以根据实际情况,在满足设计规范要求的前提下,适度加大雪荷载和风荷载设计值,提高轻钢结构房屋抵御暴风雪能力的安全系数。(2)【2】结构设计时,应首先按半跨雪荷载的荷载组合模式进行设计,加大轻型钢结构1/4跨和3/4跨处刚度。轻型钢结构屋面1/4和3/4跨处,在风雪中常常会出现过厚积雪,造成这些部位产生较大变形,随着矢跨比的增大,这种现象就更加明显。(3)【2】提高轻钢结构体系的鲁棒性。轻钢结构构件的截面尺寸小,质量轻,但传递力径较单一,在遇到暴风雪作用时,往往会因为局部受损导致整体性破坏。因此,在保证结构体系中各构件与节点的安全能力外,也应充分考虑结构形式的鲁棒性。（4）【5】对刚架梁柱节点进行加强，如增大节点处腹板厚度，控制节点处的初始缺陷，在腹板处增加斜撑防止过早屈曲等，预计均可提高刚架的抗风、抗雪极限承载力。（5）【8】考虑偶然荷载的作用，使结构更加安全可靠，在重要结构的设计中，将不可预期的偶然荷载纳入考虑的范畴，可以使设计更加完善，使其既有较好的经济性，又有合理的安全性。同时，这也体现了结构抗连续倒塌设计方法中事件控制法的思想。0结论根据调查结果分析,雪荷载取值不合理是造成房屋倒塌的重要原因之一。设计人员应尽可能地多考虑局部雪荷载的影响,单体建筑可分区域选定不同的雪压值;提高施工人员素质,严格按设计图及规范施工;使用合理的除雪方法除雪维护【13】。在今后的结构设计中,雪压取值应该考虑加大。随着气候环境的变化,在制定建筑结构荷载标准时,应考虑到“与时俱进”。在结构设计中,应尽量选择合理的结构形式和支撑体系【12】。我国GB50009—2001《建筑结构荷载规范》对雪荷载取值进行了较为详细的规定，但是，现行可靠度设计统一标准在分析轻钢结构构件可靠度时，对荷载效应比值的取值范围考虑不够充分，随着时间的推移和社会经济的，这些取值