中美規(guī)范中不均勻雪荷載分布的分析比較

鄧慧程，戴素娟，李曉鵬

（1.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.中材高新材料股份有限公司，山東 淄博 255000）

0 前 言

近些年來，暴風(fēng)雪災(zāi)害引起的建筑破壞案例時有發(fā)生。例如，2008年1月，我國南方地區(qū)遭受了50年一遇的特大冰雪災(zāi)害，造成了湖南、湖北等10大省區(qū)的大量輕鋼屋蓋等建筑倒塌。2010年12月，美國中西部地區(qū)遭遇了強(qiáng)暴風(fēng)雪襲擊，明尼蘇達(dá)州最大城市的一處橄欖球場的圓形屋頂被積雪壓塌。這些雪災(zāi)事件都給社會和國家造成了不可估算的經(jīng)濟(jì)損失。

暴風(fēng)雪為建筑結(jié)構(gòu)帶來的災(zāi)害，原因一是創(chuàng)紀(jì)錄的降雪量;原因二是風(fēng)雪交加，造成了雪的不均勻堆積，使災(zāi)害程度再度加重。而在設(shè)計人員進(jìn)行建筑設(shè)計過程中，往往忽視了雪荷載的不均勻分布，或者在設(shè)計過程中對雪荷載不均勻分布的情況計算不夠完善，從而容易造成安全隱患。本文針對雪荷載的不均勻分布情況，對我國規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)與美國的ASCE7-10兩種規(guī)范進(jìn)行了分析比較，本文著重以單跨雙坡屋面為例進(jìn)行說明。

1 中美規(guī)范中不均勻雪荷載分布的規(guī)定

1.1 GB5009-2012關(guān)于雪荷載不均勻分布的相關(guān)規(guī)定

1.1.1 雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值

屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

式中：Ur為屋面積雪分布系數(shù)，按表7.2.1采用；SO為基本雪壓，按概率50年一遇的雪壓采用，其值可以從GB5009-2012[1]的附表E.5查到。

1.1.2 不均勻雪荷載分布的考慮

對于屋面坡度小于20°的門式剛架結(jié)構(gòu)，不考慮雪的不均勻分布。單跨雙坡屋面僅當(dāng)20°≤α≤30°時，可采用不均勻分布[1]，積雪分布系數(shù)迎風(fēng)面取0.75μr，背風(fēng)面取1.25μ。單跨雙坡屋面的積雪分布系數(shù)如圖1所示。

1.2 ASCE7-10關(guān)于雪荷載不均勻分布的相關(guān)規(guī)定

當(dāng)屋面坡度θ≤5°時，平屋頂雪荷載為：

當(dāng)屋面坡度5°＜θ≤70°時，假定雪荷載施加于屋面的水平投影面上，坡屋面雪荷載為

式中：Ce為日照系數(shù)；Ct為溫度系數(shù)；I 為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Pe為地面雪荷載；Cs為坡度系數(shù)。

對于坡度在25°～45°之間的雙坡屋面，應(yīng)按照兩種情況考慮不均勻雪荷載：第一種情況，屋面坡度為2.5°～14°時，一坡面上承受0.5Pf的均布雪荷載;第二種情況，屋面坡度為14°～25°時，應(yīng)考慮單坡承受1.0Pf而另一坡不考慮雪荷載[3,4]。

雙坡屋面的坡度為θ>70°或者θ＜max（2.38°,70°/W+0.5）時，不考慮不均勻雪荷載。當(dāng)水平投影距離W≤6.1m，且平行于坡度方向設(shè)有梁時，不考慮迎風(fēng)面的不均勻雪荷載，背風(fēng)面的不均勻雪荷載為IPg。其它情況下，迎風(fēng)面的不均勻雪荷載為0.3Ps，背風(fēng)面距屋脊水平投影距離/3以內(nèi)的部分，不均勻雪荷載為，其余區(qū)域的不均勻雪荷載取為Ps[5]，其中堆雪厚度-1.5，雪荷載分布情況如圖2所示。

2 案例分析比較

條件：某倉庫屋蓋為粘土瓦、木板、木椽條、圓木檁條、木屋架結(jié)構(gòu)體系，屋面坡度分為兩種，α1=26.56°（15°～45°）和α2=12°（2.5°～14°）。屋檐至屋脊水平距離為3m，該地區(qū)基本雪壓為0.35kN/m2。

參數(shù)：地面雪荷載Pg=15psf=0.718kPa；結(jié)構(gòu)重要系數(shù)=1.0；暴露系數(shù)Ce=1.0；坡度系數(shù)Cs=1.0；溫度系數(shù)Ct=1.0。

分別用兩種規(guī)范計算雪荷載如下。

2.1 按GB50009-2012計算

2.1.1 α1=26.56°（15°～45°）的情形

①根據(jù)《規(guī)范》7.2.2條第一款的規(guī)定，檁條的積雪荷載應(yīng)按不均勻分布的最不利情況考慮。

②因α1=26.56°符合20°≤α≤30°的條件，查GB50009-2012表7.2.1第一項，通過內(nèi)插得屋面積雪分布系數(shù)0.2=0.94

③結(jié)合式（1）與圖1計算得不均勻雪荷載如下。

迎風(fēng)面均布荷載：Sk=0.75μrS0=0.75×0.94×0.35=0.25kPa

背風(fēng)面均布荷載:Sk=1.25μrS0=1.25×0.94×0.35=0.41kPa

圖1 GB5009-2012中雙坡屋面取值

圖2 ASCE7-10中雪荷載分布

2.1.2 α2=12°（2.5°～14°）的情形

①因α2=12°不符合20°≤α≤30°，積雪荷載不考慮不均勻分布。取μr=1.0。

②均勻雪荷載Sk=μrS0=1.0×0.35=0.35kPa

2.2 按ASCE7-10計算（為計算方便，中美單位之間運(yùn)用了直接轉(zhuǎn)換）

2.2.1 α1=26.56°（15°～45°）的情形

①由式（2）和式（3）可得坡屋頂雪荷載：

均勻雪荷載Ps=CsPf

②不均勻雪荷載：Cs·0.7CeCtIPg0.7×1.0×1.0×1.0×1.0×0.718=0.503kPa

由于α1=26.56°＞max（2.38，70°/W+0.5）=7.61°，必須考慮不均勻雪荷載作用。以左風(fēng)不均勻雪荷載計算為例。W=3m=9.84ft＜25ft，取W=25ft。

雪容重：λ=0.426S0+2.2=0.426×0.35+2.2=2.349kN/m3

迎風(fēng)面均布荷載：0.3Ps=0.3×0.503=0.151kPa

背風(fēng)面1.648m內(nèi)附加荷載：

2.2.2 α2=12°（2.5°～14°）的情形

同（1）的計算方法，可以得到

迎風(fēng)面均布荷載：03Ps=0.151kPa

背風(fēng)面均布荷載：Ps=0.503kPa

2.3 按照中美兩種規(guī)范計算和兩種情形的結(jié)果（見表1）

按中美規(guī)范計算不同屋面坡度下的雪荷載結(jié)果比較 表1

3 中美不同計算結(jié)果的分析比較

由表1可看出，按照中美兩種規(guī)范計算得到的雪荷載差異較大。規(guī)范GB50009-2012中規(guī)定屋面坡度為20°≤α≤30°時考慮雪荷載不均勻分布，而美國規(guī)范規(guī)定屋面坡度為25°≤α≤45°時考慮雪荷載不均勻分布，且分為2.5°～14°和14°～45°兩種情況考慮。可見，我國規(guī)范在考慮雪荷載不均勻分布時的坡度范圍較美國規(guī)范小。

從計算結(jié)果看，尤其是背風(fēng)面不均勻雪荷載，當(dāng)α 為14°～45°之間時，按GB50009-2012計算的結(jié)果較按ASCE7-10計算的結(jié)果小；當(dāng)為2.5°～14°時，按規(guī)范GB50009-2012不需考慮雪荷載不均勻分布。而按規(guī)范ASCE7-10則考慮了雪荷載不均勻分布，結(jié)果顯示，我國規(guī)范計算出的背風(fēng)面雪荷載偏小。在計算方法上，我國規(guī)范將所有考慮因素集中體現(xiàn)在積雪分布系數(shù)μr上；而美國規(guī)范綜合了多方面的影響因素，計算方法相對繁瑣，對不同的參數(shù)取值進(jìn)行了規(guī)定，如參數(shù)I、Ce、Cs和Ct等。

4 結(jié) 論

我國的規(guī)范GB50009-2012對雪荷載不均勻分布問題的計算較簡便快捷，便于設(shè)計人員使用，但在背風(fēng)面雪荷載不均勻分布情況下雪荷載值偏小。而美國的ASCE7-10規(guī)范中，盡管方法比較繁瑣，但計算結(jié)果更為細(xì)致全面，且提高了在不均勻雪荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全度。建議在易發(fā)生雪災(zāi)的地區(qū)以及重要的建筑設(shè)計時，參照美國規(guī)范考慮雪荷載的計算，以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠。

[1]GB50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2]American Society of Civil Engineers Standard.ASCE/SEI 7-10.Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].2010.

[3]趙征,郭啟勇.雪荷載在門式剛架輕型房屋設(shè)計中的作用[J].鋼結(jié)構(gòu),2007（7）.

[4]鄭治強(qiáng),鄭秀萍.談工業(yè)建筑設(shè)計中屋面雪荷載的堆積[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計,2008(8).

[5]梁志遠(yuǎn),張航,楊蔚彪,王佳.中美規(guī)范雪荷載取值方法的比較[J].鋼結(jié)構(gòu),2010(S1).