關(guān)于門剛計(jì)算中雪荷載分布系數(shù)的討論

李 丹，鄭 月

（國(guó)家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010）

引言

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代化快節(jié)奏生產(chǎn)中的一種較為常見的房屋結(jié)構(gòu)形式，其具有施工速度快、空間布置靈活優(yōu)點(diǎn)、主體材料輕、變形能力強(qiáng)和可回收再利用性等優(yōu)點(diǎn)。所以門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、物流儲(chǔ)存等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1 門剛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 門剛的結(jié)構(gòu)形式和布置

門式剛架有很多種布置，按跨度可以分為單跨、雙跨及多跨，按屋面可以分為單坡屋面、雙坡屋面及多坡屋面（即多個(gè)雙坡或雙坡與單坡組合的屋面形式），另外還有帶毗屋的鋼架形式或是內(nèi)部帶輔房或夾層的鋼架形式。

1.2 門式剛架的受力特點(diǎn)

一般的門剛廠房設(shè)計(jì)中所受的荷載包括永久荷載（包含屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重、各設(shè)備及消防管線自重）、豎向可變荷載（其中活荷載與雪荷載為互斥荷載，兩者取大值）、風(fēng)荷載、地震作用及溫度作用，另按照2015年發(fā)布，2016年實(shí)施的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡(jiǎn)稱門剛規(guī)范）給出的輕型門剛規(guī)范適用范圍中，鋼結(jié)構(gòu)房屋可以布置無橋式吊車或有起重量不大于20 t 的A1~A5工作級(jí)別橋式吊車或3 t懸掛式起重機(jī)［1］。其中永久荷載及吊車荷載在房屋方案設(shè)計(jì)時(shí)即可得到準(zhǔn)確的荷載值，但風(fēng)荷載與雪荷載會(huì)受到自然天氣影響，誤差較大。因此，門式剛架是一種對(duì)雪荷載及風(fēng)荷載較為敏感的結(jié)構(gòu)形式。

1.3 門式剛架與災(zāi)害性天氣

全國(guó)范圍內(nèi)曾發(fā)生過多起暴雪災(zāi)害性天氣，很多門剛結(jié)構(gòu)房屋廠房被雪壓垮，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡。如果只是單純的降雪，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）（以下簡(jiǎn)稱荷載規(guī)范）給出的基本雪壓重現(xiàn)期為50 年，及2012 年規(guī)范更新之后將對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)的基本雪壓重現(xiàn)期調(diào)整為100 年［2］，那么設(shè)計(jì)時(shí)只采用基本雪壓進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，但是在風(fēng)的作用下，雪會(huì)發(fā)生飄移，使得整體鋼架雪荷載分布并不均勻，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際雪荷載超出設(shè)計(jì)荷載取值的情況，另外在南方地區(qū)，由于早晚溫差大，如發(fā)生凍融情況也會(huì)增加雪的密度，那么按照基本雪壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，便無法包絡(luò)住實(shí)際的最不利工況。

按照《門剛規(guī)范》4.3.1 條，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為屋面積雪分布系數(shù)和基本雪壓的乘積，即應(yīng)按式：Sk=μrS0進(jìn)行計(jì)算［1］，其中S0為基本雪壓，荷載規(guī)范的相關(guān)規(guī)定選取，按對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，采用的100 年重現(xiàn)期的雪壓；μr為屋面積雪分布系數(shù)，且4.3.2 條文解釋中給出，《門剛規(guī)范》選擇了3 種典型的屋面形式，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009 的規(guī)定給出了屋面積雪分布系數(shù)。

但是，值得注意的是，在《荷載規(guī)范》表7.2.1屋面積雪分布系數(shù)的注1中規(guī)定：?jiǎn)慰珉p坡屋面，僅在當(dāng)坡度α在20°~30°范圍時(shí)，可采用不均勻分布情況［2］，即其他屋面坡度時(shí)可以只采用雪荷載均勻分布的荷載工況，不進(jìn)行0.75μr及1.25μr的不均勻分布情況的工況組合來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于荷載規(guī)范在給出雪荷載不均勻分布系數(shù)的表格中，雙坡屋面的結(jié)構(gòu)形式只給出了單坡單跨一種，而實(shí)際工程中，雙坡屋面的結(jié)構(gòu)形式還有雙跨雙坡和多跨雙坡，一般的處理方案為雙跨雙坡及多跨雙坡的雪荷載，屋面積雪分布系數(shù)均按單跨單坡選取，包括其他屋面形式也并沒有特別標(biāo)注出鋼架的跨數(shù)。所以在多數(shù)情況下，我們認(rèn)為規(guī)范給出的建筑形態(tài)描述，只與建筑外形有關(guān)，那么針對(duì)表7.2.1注：1的理解，是否也是只要是雙坡屋面，不論是單跨雙坡還是雙跨或多跨雙坡結(jié)構(gòu)，均僅在規(guī)定坡度范圍內(nèi)才可以采用雪荷載不均勻分布。對(duì)此，筆者有不同的理解，下面以某工程實(shí)例，說明對(duì)此條注釋的不同理解及理由。

2 工程案例

2019 年，江西某生產(chǎn)項(xiàng)目中某生產(chǎn)車間廠房，項(xiàng)目所在地區(qū)基本風(fēng)壓為0.3 KN/m2（50 年重現(xiàn)期），基本雪壓為0.45 KN/m2（100 年重現(xiàn)期），地震設(shè)防烈度為6度（0.05 g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類；廠房布置為7 跨雙坡，單跨24 m，單坡長(zhǎng)度為84 m，檐口高度為10.6 m，屋面坡度4%，折合角度α=2.29°，無天窗，無女兒墻，無高低跨，單就雪荷載取值不會(huì)有雪堆積工況產(chǎn)生；柱網(wǎng)平面布置圖及標(biāo)準(zhǔn)品布置圖詳見下圖1、圖2。

圖1 柱網(wǎng)平面布置圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)品布置圖

如果按照此廠房的建筑方案來看，雙坡屋面，屋面坡度4 %，參考荷載規(guī)范表7.2.1 的注1，那么此項(xiàng)目是不用考慮雪荷載不均勻分布的。

首先，例中這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)使用的軟件為PKPM，因此筆者分別建立了兩個(gè)計(jì)算模型，采用項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)條件，及相同的設(shè)計(jì)條件分別考慮了雪荷載的均勻分布及不均勻分布，僅針對(duì)鋼架梁，得出以下結(jié)果，詳見表1。

表1 考慮積雪不均勻分布對(duì)比不考慮積雪不均勻分布應(yīng)力增加的百分比

另外筆者參考此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)條件，又分別建立了不同跨數(shù)情況下考慮均勻雪荷載及不均勻雪荷載的計(jì)算對(duì)比模型，分別考慮了6 跨雙坡、雙跨雙坡及單跨雙坡的情況，同樣僅對(duì)比了各跨鋼梁梁端、鋼梁跨中及鋼柱的強(qiáng)度、面外穩(wěn)定及面內(nèi)穩(wěn)定的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)論詳見表2：

表2 考慮積雪不均勻分布對(duì)比不考慮積雪不均勻分布應(yīng)力增加的百分比

從表中數(shù)值可以看出，在考慮了雪荷載的不均勻分布之后，梁的抗彎承載力還有穩(wěn)定應(yīng)力均有增加，在6、7 跨雙坡屋面結(jié)構(gòu)形式中，更是增加了超過10%，特別是鋼梁的面外穩(wěn)定應(yīng)力增加到15%以上，只在單跨單坡屋面計(jì)算中影響較小。

另外從均布荷載作用下的兩端固接鋼梁受力分析中也不難得出此結(jié)論，單跨雙坡結(jié)構(gòu)中單一考慮雪荷載工況，全跨1.0 μr 荷載工況，參考靜力計(jì)算手冊(cè);半跨0.75 μr、半跨1.25 μr 荷載工況，查靜力計(jì)算手冊(cè)MA= -，其中2a2+a3),［3］包絡(luò)計(jì)算后得出的端彎矩及跨中彎矩相差不多，但是在多跨雙坡屋面中卻會(huì)出現(xiàn)全跨鋼梁1.25 μr的荷載工況。

據(jù)劉振清教授在《沈陽(yáng)市輕鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌原因分析》一文中指出，在門剛廠房屋面多個(gè)不同觀測(cè)位置測(cè)出的積雪厚度及密度均不相同，在風(fēng)荷載作用下，積雪沿坡行屋面呈梯形分布［4］。雪災(zāi)中發(fā)生破壞的廠房，基本都是正常工作生產(chǎn)過多年的結(jié)構(gòu)，有的廠房也經(jīng)歷過較大的降雪天氣，但是，在暴風(fēng)雪天氣卻發(fā)生了破壞。因此，工程設(shè)計(jì)應(yīng)選取最不利工況的包絡(luò)設(shè)計(jì)。

此外，表7.2.1 屋面積雪分布系數(shù)，第10 項(xiàng)，大跨度屋面也同樣會(huì)產(chǎn)生雪的不均勻分布，當(dāng)設(shè)計(jì)的屋面總跨度在此項(xiàng)范圍內(nèi)時(shí)（總跨度L＞100 m）應(yīng)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。所以針對(duì)“注：1”重新解讀，筆者認(rèn)為可以看作是僅在單跨雙坡是參考此條文。

3 相關(guān)計(jì)算中的規(guī)范理解

按現(xiàn)行規(guī)范《門式剛架》，門剛梁的面外計(jì)算長(zhǎng)度取值取鋼梁側(cè)向支承點(diǎn)的間距，可以采用系桿作為側(cè)向支撐，同時(shí)檁條與隅撐及鋼梁形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也可以作為鋼梁的側(cè)向支承條件。在多個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中得出，當(dāng)鋼梁側(cè)向支承點(diǎn)間距大于等于兩倍隅撐間距時(shí)，往往后者會(huì)在鋼梁的平面外穩(wěn)定計(jì)算中起控制作用，所以檁條的計(jì)算選取，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用，而《門剛規(guī)范》4.3.5 第一條指出，“屋面板和檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用”［1］，若在起始設(shè)計(jì)方案條件中采用均勻不考慮雪荷載不均勻分布的設(shè)計(jì)原則，那么檁條設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)未采用最不利荷載工況的設(shè)計(jì)情況，一旦檁條發(fā)生破壞，那么門剛梁也會(huì)隨之發(fā)生失穩(wěn)倒塌。所以筆者認(rèn)為即使是單跨單坡的鋼架結(jié)構(gòu)形式，在計(jì)算檁條時(shí)也依然應(yīng)當(dāng)采用最不利雪荷載工況及1.25 μr進(jìn)行設(shè)計(jì)（有堆積雪荷載時(shí)另行考慮）。

4 結(jié)論

門式鋼架被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，在追求經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上還要保證結(jié)構(gòu)的安全，災(zāi)害性天氣的發(fā)生具有偶然性，一旦發(fā)生帶來的人身生命安全和財(cái)產(chǎn)損失是不可挽回的。在沒有吊車及其他外掛荷載的門式鋼架結(jié)構(gòu)中，一般都是活荷載起控制作用，活荷載與雪荷載為互斥荷載不同時(shí)考慮，但是在對(duì)比兩荷載時(shí)，應(yīng)注意雪荷載的分布系數(shù)，不能只是簡(jiǎn)單的對(duì)比活荷載及基本雪壓數(shù)值來判斷控制荷載，這樣很容易忽略實(shí)際的最不利工況，尤其是在檁條等維護(hù)構(gòu)件的計(jì)算中更容易被忽略，檁條的計(jì)算更是影響到結(jié)構(gòu)的整體安全。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)受力特性，所以穩(wěn)定性計(jì)算便尤為重要，一旦單榀鋼架破壞很容易發(fā)生連續(xù)倒塌，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮全面。