輕型鋼結構房屋抗雪災能力的探討
關鍵詞：:門式剛架輕鋼結構;結構設計;積雪；超載；抗雪災能力；
1概述
2009年11月份,我國許多地區(qū)均出現持續(xù)數日的降雪。降雪,實屬罕見(50年一遇),給工農業(yè)生產造成極大損害。其中,大跨度輕鋼屋面結構(主要為門式剛架輕鋼結構)整體或部分倒塌的事故多有發(fā)生,引起了業(yè)內人士尤其是從事輕鋼結構設計的工程人員的普遍重視。
2造成事故的原因
2.1降雪持續(xù)時間較長,降雪量較大
此次降雪持續(xù)時間較長,降雪量較大，許多地區(qū)屋面積雪堆載超出了荷載規(guī)范中給出的基本值。某新建輕鋼廠房,設計基本雪壓為0.50kN/m2,屋面積雪深度達430mm,計算雪載達90kg/m2,檁條下翼緣已嚴重扭曲并發(fā)生較大水平彎曲變形,但下?lián)喜淮蟆＞o急清雪后,扭曲基本消除但是彎曲變形還在,由此可見,檁條構件已達到了承載力極限狀態(tài),鋼材屈服,發(fā)生了塑性變形,如繼續(xù)積雪或不予處理,很可能發(fā)生倒塌事故。
門式剛架輕鋼結構屬于對雪荷載敏感的結構,但屋面積雪堆載超出設計取值,這在實際工程中并不多見。以往在與門式剛架輕鋼結構有關的規(guī)范規(guī)程、技術手冊中很難見到針對雪荷載的討論,實際設計工作中對于雪荷載并未給予足夠的重視。而對于屋面活荷載,《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2001、《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003、《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102-2002均不同程度地將取值由0.50kN/m2降低至0.30kN/m2,尤其以CECS102-2002的規(guī)定最為寬松,且設計中多遵照CECS102-2002的規(guī)定取值。規(guī)范規(guī)定,屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮,取兩者中的較大值。由我國基本雪壓分布圖可知,雪壓高值區(qū)在我國分布很廣。但當前,我國大部分氣象臺站收集的都是雪深數據,而相應的積雪密度數據又不齊全,當缺乏平行觀測的積雪密,均以當地的平均密度來估算雪壓值。這使得在實際工程應用中,即便按照荷載規(guī)范規(guī)定的基本雪壓取值,仍然不能足夠精確地反映結構使用期間積雪荷載的實際數值,當出現大幅降雪時,門式剛架輕鋼結構發(fā)生破壞的幾率就比較大。
2.2門式剛架輕鋼結構在結構體系上存在一定缺陷
門式剛架輕鋼結構在結構體系上存在一定缺陷，從而使得其抵抗雪災的能力較其他形式鋼結構屋面體系(如普通鋼結構廠房屋架、網架結構)較差。在門式剛架輕鋼結構工程中,大多設置隅撐,并取剛架梁平面外計算長度為隅撐間距,即考慮檁條對剛架梁平面外穩(wěn)定所起的支撐作用。此時,剛架梁上翼緣平面外穩(wěn)定由檁條保證,下翼緣平面外穩(wěn)定由隅撐保證,而檁條本身的穩(wěn)定又多利用與檁條上翼緣緊密連接的屋面板所提供的蒙皮效應來保證。屋面板、檁條、剛架梁,構件之間約束的傳遞環(huán)環(huán)相扣,且路線單一,缺一不可,結構整體的安全性較差。
當屋面積雪荷載達到設計取值時,屋面板與檁條產生很大撓度,此時檁條鋼材可能已屈服甚至進入應變硬化階段(卸荷后檁條變形不能全部恢復),檁條及與之相連的隅撐對剛架梁的支撐作用將有可能大幅減弱,而此時檁條并未徹底破壞,屋面積雪的堆載仍通過檁條傳遞并作用在剛架梁上,最終整個結構會因剛架梁失穩(wěn)而倒塌。
對于門式剛架輕鋼結構而言,活荷載(屋面活荷載、雪荷載、風荷載)無疑是整體結構的控制荷載,只有在屋面材料自重很大時,恒荷載及地震荷載對結構的作用才可能顯現出來。門式剛架多為不上人屋面,在建成使用期間,屋面活荷載作用的幾率及覆蓋范圍均不會很大,很少因此對結構產生破壞。雪荷載及風荷載達到基本雪壓或基本風壓作用的幾率也很小,但其荷載作用均是全屋面范圍的,且以所處位置不同而不均勻分布,故而門式剛架輕鋼結構的破壞,多發(fā)生在大風或大雪天氣中。
但同樣是鋼結構屋面體系,普通鋼結構廠房屋架、網架結構卻較少發(fā)生類似事故。這是因為結構設計中,材料強度及荷載設計值的取用均考慮了相當的安全裕量,即便實際的雪荷載或風荷載已超出設計取值,發(fā)生破壞的應該也只是一小部分工程。所以說,門式剛架輕鋼結構的事故是前述兩點原因共同作用的結果。門式剛架輕鋼結構中,檁條兼具兩方面的作用,其既是屋面圍護體系的龍骨,又是主體結構中必不可少的組成部分,這在其他許多形式的鋼結構屋面體系中是不存在的。比如普通鋼結構廠房的屋架,有完善充足的支撐系統(tǒng)保證了屋架整體的穩(wěn)定,作為圍護結構的檁條及屋面板,在計算中基本不考慮其對整體結構的作用。又比如網架結構,各層弦桿及腹桿組成的空間桁架體系,屬高次超靜定結構,檁條的設置僅為連接屋面板所需。
2.3鋼材質量及施工質量的影響
近年來,門式剛架輕鋼結構發(fā)展迅速,因其設計過程簡便,周期極短,從事同類設計的人員較多,競爭激烈,片面強調用鋼量最低,在設計荷載的取值上盡量取低,使得結構的安全裕度一再降低。如鋼材質量及施工質量無法保證,遭遇風雪而破壞的概率更大�，F在有的施工單位自己擁有鋼結構設計的專項資質，為了項目中標，會提供免費的結構設計。這樣，為了利益最大化，在設計時會追求最低用鋼量。盡管設計結果滿足規(guī)范要求，但不可避免地使安全度降低。另外，鋼結構施工單位眾多，施工水平良莠不齊。施工質量往往難以控制，使結構的受力性能低于原來設計的初衷這就進一步降低了結構安全度。
3、門式剛架輕鋼結構設計中應注意的問題
有鑒于此,筆者建議,在門式剛架輕鋼結構的設計中,如遇跨度較大的情況,可僅將檁條及屋面板作為單一的屋面圍護系統(tǒng),不考慮其對剛架橫梁的支撐作用。
(1)檁條端部與托板的連接孔可以做成長圓孔,以便于連接。以往的工程中確有這么做的,但相關的手冊圖集中并未有做長圓孔的。
(2)可以不再設置隅撐,計算主剛架時,平面外穩(wěn)定的計算長度取為屋面水平支撐的間距。
(3)如檁條開長圓孔,則屋面沿結構縱向的水平剛度會因此而減小，故應適當加強屋面水平支撐。屋面水平支撐宜選用角鋼,盡量少用或不用圓鋼支撐。
(4)以往工程中多有考慮屋脊位置存在雙檁,故此處不再設置水平系桿�，F既然取消檁條對剛架梁的支撐作用,則屋脊處可能要設置一道水平系桿(視屋面支撐的布置確定)。另外,對施工而言,因雙檁作用而取消屋脊水平系桿的,還會給剛架的安裝增加困難。
(5)多數情況下,屋面支撐的間距較隅撐間距為大,較之平面外計算長度取為隅撐間距,剛架梁截面需加大方能滿足要求,整體結構的用鋼量會略微增加。
�。�6）對于輕型房屋鋼結構，女兒墻應考慮得更為全面一些，如：放置溢流孔；將女兒墻下面做成百葉窗式的，如此可以排風減少積重，把女兒墻做得很弱，當遇到暴風雪時，會被直接吹倒以達到卸荷的目的。把女兒墻盡量做得矮一些，如果可能的話，在迎風區(qū)不做女兒墻，直接避免積雪。其次，在設計屋面時要盡可能考慮減少因高低跨造成的堆雪作用。設計應針對當地的氣象特征（如常遇風向等），盡量避免不利方向高低屋面的存在。另外，特別對于南方某些地區(qū)，屋面也應針對雪荷載而盡量提高坡度，采用斜坡式或尖頂式。
4、結語
門式剛架輕鋼結構屬于對雪荷載敏感的結構，在結構設計中應充分考慮雪荷載對結構的各種不利影響。
參考文獻：
[1]GB50017-2003鋼結構設計規(guī)范；
[2]CECS1002:2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程；
[3]GB50009-2001建筑結構荷載規(guī)范;
[4]GB50018-2002冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范；
