暴雪后對輕鋼結(jié)構(gòu)設計的啟示

于洪雨　唐學紅　張曉峰

摘 要：輕鋼結(jié)構(gòu)遭遇罕見的暴雪后，如何從設計角度合理的構(gòu)造上減少損失，最大限度的保證結(jié)構(gòu)的安全。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造保證 暴雪后荷載取值 鋼結(jié)構(gòu)破壞分析

中圖分類號：TU39215 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0065-01

2007年正月十五，沈陽地區(qū)下了一場罕見的大雪，沈陽輕鋼結(jié)構(gòu)的廠房有了很大程度的破壞，當時正在一個鋼結(jié)構(gòu)公司任職，有機會深入雪災現(xiàn)場，對鋼結(jié)構(gòu)的破壞有一定的感性的認識，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的破壞情況的總結(jié)，認為輕鋼結(jié)構(gòu)的設計需要做一些構(gòu)造上的修正。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)的特點

⑴施工周期短；⑵綜合經(jīng)濟效益好；⑶抗震性能好；⑷宜于拆卸搬遷。

2 認知誤區(qū)

所謂輕型鋼結(jié)構(gòu)（以下簡稱輕鋼），大部分人認為就是“門鋼”其實，這是個理解的誤區(qū)，CECS 102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》1.0.2有很明確的定位，“本規(guī)程適用于主要承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20t的 A1～A5工作級另晰式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)的設計、制作和安裝?！陛p鋼是門鋼里的一部分而已。

輕鋼用的材料較薄，多采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)、熱軋輕型鋼結(jié)構(gòu)、焊接或高頻焊接輕型鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼管結(jié)構(gòu)、板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)較輕，由門式剛架、檁條及圍護系統(tǒng)組成了一個輕鋼系統(tǒng)，各部分協(xié)調(diào)分工，共同承擔結(jié)構(gòu)以外傳來的荷載。而不是由某部分單獨承擔。所以很多剛?cè)腴T的鋼結(jié)構(gòu)設計員以為學會了STS就會鋼結(jié)構(gòu)設計了，這是個大大的認識上的的錯誤。為什么美國VP的企業(yè)內(nèi)部規(guī)范可以獨立于國家規(guī)范之外使用？就是因為他的設計已經(jīng)形成了一個完善的保護體系，在各個細部都對整個系統(tǒng)形成了保護，圍護系統(tǒng)通過繁多的轉(zhuǎn)接件，完美的與主結(jié)構(gòu)結(jié)合到了一起。

3 鋼結(jié)構(gòu)破壞分析

這次暴雪后輕鋼結(jié)構(gòu)的損壞，大部分是因為積雪的分布不均勻引起的，面積較大的屋面，因為設計的坡度比較小（1/8～1/20）而沈陽取1/15的工程比較多，坡度較緩，容易積雪。在風荷載的作用下發(fā)生遷移，沈陽這次暴雪，風由北向南吹，根據(jù)氣象資料市區(qū)降雪量為490mm，平均積雪厚度為360mm，平均風力6～7級，最大陣風達到了9～10級。很多房屋的北坡的雪被吹到南坡，造成廠房南半跨大量的積雪。最大的積雪深度達到了1.5～2m，雪的含水量較高，大大的超過了設計值，造成了破壞。

根據(jù)觀察，這次雪災破壞，并不是因為主結(jié)構(gòu)（鋼架）的承載力不足引起，而是因為因為局部雪荷載過大，造成檁條失穩(wěn)，失穩(wěn)后檁條的強度急劇下降，而把整個結(jié)構(gòu)“拉跨”積雪后，屋面板變形，產(chǎn)生了縫隙，積雪從板縫進入玻璃絲棉，室內(nèi)外溫差比較大，積雪迅速融化，融水大量的被玻璃絲棉吸收，造成變形進一步加大，最終造成檁條失穩(wěn)，檁條扭曲下落，把兩側(cè)的鋼架“扯”壞，因為梁突然受扭，也局部失穩(wěn)，從而造成單面的鋼架也跟隨破壞了。

因為積雪深度比較大，雪的含水量比較高，荷載達到了2.0～3.0kN/m2，根據(jù)沈陽建筑大學的教授對積雪的實測結(jié)果是180kg/m3，而沈陽市的50年一遇的雪荷載取值為0.50kN/m2，實際的荷載遠遠的大于設計荷載。

從受損的情況看，最輕的是檁條彎曲變形，屋面板起落，但鋼架未倒。較嚴重的是屋面板和檁條塌落，連帶把鋼架拉到。設計時屋面板的蒙皮效應以及他和檁條連接造成的整體剛度，對剛架起到了有力的側(cè)向支撐作用，為此省去了上弦平面的支撐，但雪災時他們幫了倒忙。因為面板和檁條超載，首先是面板受損，失去了面板對檁條上翼緣的約束，檁條迅速變形，隨后墜落，進而把鋼架的斜梁拉坍。蔡益燕老師認為斜梁坍塌的特點是在變截面處折彎，由于平面外的剛度也較?。▋H用L50的角鋼保證），引起了向側(cè)面的扭折，所以建議鋼結(jié)構(gòu)設計者在對截面進行優(yōu)化的時候變截面梁的最小截面不宜過小，優(yōu)化時要留有余地。隅撐在抗倒塌方面起不到任何的作用。

4 解決辦法

這次雪災后沈陽發(fā)布了地方標準（沈建發(fā)﹝2007﹞40號），雪荷載按100年取值，還要乘1.5的系數(shù)，對于這個規(guī)定很多人不是能接受，畢竟現(xiàn)在輕鋼市場粥少僧多，業(yè)主要控制投資，如果雪載這么取值那么用鋼量會成倍的提高，這樣的設計會缺少競爭力，而我認為通過有效的構(gòu)造布置可以減少同樣情況下的損失程度。

（1）方案一：增加坡度。

有效的增加坡度。屋面坡度影響積雪的分布，美國、日本等國家規(guī)定當屋面坡度>60°時，屋面積雪很小，可不考慮雪荷載。我國的這一規(guī)定是50o，對于輕鋼規(guī)范的坡度限制，只是對小于1/20的坡度要求進行校核結(jié)構(gòu)變形后雨水順利排泄的能力。如果不愿意增大坡度超出規(guī)范的范圍，那么取其中的較大值，應該在同等條件下，應該比坡度小的情況好一點。

（2）方案二：在斜梁中部進行檁條加密。

在斜梁的中部的檁條加密，在可能的最大的積雪的位置進行檁條的加密，并采用剛性拉條或者交叉拉條，可以有效的提高剛度和穩(wěn)定性（如圖1所示）。在斜梁的中間位置或在撓度最大點，進行檁條加密。

（3）方案三：增加系桿。

因為鋼架的損壞，大部分是因為檁條失穩(wěn)以后被“拉”壞的，那么，這個方案就是針對“拉”做一個撐桿，在斜梁的中心或者撓度最大點，縱向通長增加系桿，這樣即使屋面破壞了檁條和屋面板破壞、損落，但整體剛架依然保持不變，可以把損失降低。

另外，在檁條的計算時，適當?shù)脑黾蛹辛Φ挠绊?，在?gòu)造上采取有效的保證檁條失穩(wěn)的措施，不僅僅考慮風吸力對檁條產(chǎn)生的失穩(wěn)，也要考慮堆積荷載過大時產(chǎn)生的失穩(wěn)等等，都能有效的減少突發(fā)的荷載變化對結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)濟、合理、有效、可靠的設計才是一個完整的設計，在合理的范圍內(nèi)利用有效的構(gòu)造措施對輕鋼結(jié)構(gòu)的不足進行有效的補充，比盲目的增加構(gòu)件的截面更可取。

參考文獻

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