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低層輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)荷載分析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    劉承宗 潘紅曉
    摘 要 本文討論了北美低層鋼骨結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載問題，包括各類荷載的取值和計(jì)算方法，以及荷載組合模式，并提出了在我國相關(guān)規(guī)范沒有出臺(tái)前，在國內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的一些問題。

    關(guān)鍵詞 鋼骨結(jié)構(gòu)住宅 設(shè)計(jì)荷載 荷載分析 荷載組合
    0 概述

    本文討論的低層住宅[1-2]是一種輕型鋼骨結(jié)構(gòu)體系房屋，其墻體和屋面按400mm-600mm間距布置冷彎型鋼，鋼骨間布置有各種支撐體系，在兩側(cè)安裝上結(jié)構(gòu)板材或飾面板之后，形成了非常可靠的“板肋結(jié)構(gòu)體系”，有著很強(qiáng)的抵抗地震和風(fēng)等水平荷載以及建筑物自重等各種豎向荷載的作用。

    這種體系，作為一種新的住宅建造技術(shù)，在北美地區(qū)已有較多的應(yīng)用。在國內(nèi)雖已起步，但還缺乏相關(guān)的研究，設(shè)計(jì)理論還不完善。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其承受的荷載和作用，以及結(jié)構(gòu)傳力路徑的設(shè)計(jì)也有其特殊性。本文結(jié)合我們編制“北美低層鋼骨結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)手冊”的研究工作，較詳細(xì)地討論了比較關(guān)鍵的設(shè)計(jì)荷載問題，可資在國內(nèi)開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作參考。

    本文討論的房屋限定為基礎(chǔ)或底下室以上1-3層（可設(shè)置閣樓），屋脊高12米以內(nèi)的單個(gè)或2個(gè)家庭居住的連體或獨(dú)立式住宅；文中未涉及的條件，應(yīng)按相關(guān)國家、地方或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或工程經(jīng)驗(yàn)確定。本文的目的是提供一種簡明實(shí)用的設(shè)計(jì)荷載分析方法，并不排除按經(jīng)驗(yàn)建造或采用其它設(shè)計(jì)方法的可能性。

    1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法

    建筑物以及其各個(gè)構(gòu)件應(yīng)設(shè)計(jì)為能安全地抵抗各種荷載組合作用的影響并留有合理余量。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中不應(yīng)存在太薄弱的環(huán)節(jié)，確保局部結(jié)構(gòu)件的失效不會(huì)快速擴(kuò)散而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，因而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)應(yīng)形成一個(gè)連續(xù)的傳力途徑，以便將設(shè)計(jì)荷載連續(xù)地傳遞到地面。此即的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和整體性準(zhǔn)則。

    結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還應(yīng)提供適當(dāng)?shù)膭偠却_保建筑物或構(gòu)件在正常條件下或荷載作用下能發(fā)揮其功能，這是適用性問題。當(dāng)然，所有的設(shè)計(jì)指標(biāo)是在確定的材料、設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)條件下，在確定的時(shí)間段內(nèi)考慮的，這是建筑物的使用壽命問題。

    對設(shè)計(jì)目標(biāo)的評估有多種方法。其一是理論分析法，例如安全性準(zhǔn)則可以表述為各種設(shè)計(jì)公式，如美國的ASD，LRFD，我國的極限設(shè)計(jì)法等。但確定可接受的安全性水平指標(biāo)多少是一件主觀問題，嚴(yán)重依賴于對于以往成功和失敗的設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)踐的解釋，住宅設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全性大體上是一個(gè)有待工程界研究的領(lǐng)域。

    其二是實(shí)驗(yàn)測試方法，由于實(shí)驗(yàn)主要是針對一些獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（如簡支梁、柱等），有關(guān)結(jié)構(gòu)組合件或系統(tǒng)的信息很缺乏，或不能反映最終的使用條件和結(jié)構(gòu)實(shí)際承載力和剛度，實(shí)驗(yàn)方法實(shí)際上有很大的局限性。但當(dāng)當(dāng)前的實(shí)踐、有關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)不能提供有效的、精確的和完整的設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)是唯一可以依賴的方法。

    關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的低層鋼骨結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)住宅，我們已按相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)分析編制了說明性建造手冊。這些手冊實(shí)際上是一些預(yù)先設(shè)計(jì)的或被認(rèn)定為可靠的房屋設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和規(guī)定的集合。在一些限制范圍內(nèi)，他們與相關(guān)規(guī)范是統(tǒng)一的。這是經(jīng)驗(yàn)法。當(dāng)然，三種方法在很多情況下可以綜合應(yīng)用。


    2 低層鋼骨結(jié)構(gòu)住宅荷載
    2.1 恒載（D）
    恒載系指永久的房屋材料如屋面、樓面、墻體基礎(chǔ)系統(tǒng)以及面飾材料以及固定設(shè)備的重量。根據(jù)房屋實(shí)際應(yīng)用的材料確定，或從常用材料重量表中查取。由于鋼結(jié)構(gòu)住宅所用材料的品種和來源的多樣性，設(shè)計(jì)師選用的恒載必須能反映房屋的實(shí)際建造狀況。表2.1為輕型鋼骨結(jié)構(gòu)住宅各系統(tǒng)材料總重量。

    2.2 活載（L）
    2.2.1活荷載標(biāo)準(zhǔn)值
    不同區(qū)間的活荷載可參照表2.2選取，這是根據(jù)實(shí)際工作情況總結(jié)而得來的。當(dāng)然，在不同的國家或地區(qū)，按相應(yīng)地方建筑標(biāo)準(zhǔn)，取值會(huì)有變化。我們建議在實(shí)際設(shè)計(jì)中，取規(guī)范和表2.2中之值的較大者。

    對于閣樓，通常有三種用途：①空置，取0.48KN/m2的活載，僅用于設(shè)計(jì)天花板托梁，以考慮安裝，維護(hù)以及相關(guān)活動(dòng)引起的荷載作用，不參與其它構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的荷載組合。②作為儲(chǔ)物間；③作為書房或臥室或是其它功能空間，則應(yīng)將天花板按樓板設(shè)計(jì)，相應(yīng)的活荷載按樓面取值。關(guān)于陽臺(tái)或露臺(tái)，當(dāng)離地面不超過1.2m時(shí),活載也可按樓面取1.92KN/m2，實(shí)踐表明，露臺(tái)和陽臺(tái)的破壞,往往是由于其它主體結(jié)構(gòu)間的連接點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的,而不是由于活載取值不合適引起的。
    集中活載作用在相應(yīng)區(qū)域最不利的一小塊面積上，使之產(chǎn)生最大的影響．以考慮實(shí)際可能出現(xiàn)的情況，集中活載不與均布活載同時(shí)考慮。

    對于房屋中特別用途的空間，或其活荷載在表2.2中未列出的，應(yīng)另行按實(shí)際考慮活荷載取值，包括住房中不常有的重型儲(chǔ)物間、辦公空間、書庫等，一些特殊的設(shè)備荷載如浴盆，水床，健身器材等也要按實(shí)際情況另行考慮。

    2.2.2 活載折減
    表2.2中的數(shù)據(jù)是基于18.6m2的樓面確定的,對于超過這一面積的房間,出現(xiàn)同一水平的均布活載的可能性降低了。固而當(dāng)某一層的構(gòu)件支撐的樓面從屬面積大于18.6m2時(shí),可以采用折減后的樓面均布活載設(shè)計(jì)相應(yīng)的構(gòu)件?；钶d折減公式為：
    L=L0(0.25+10.6/AT1/2)≥0.75
    其中，從屬面積AT≥18.6m2，L0為從表2.2中查得的活荷載。以上針對的是低層住宅，顯然不同于商業(yè)建筑的折減。

    在荷載組合中考慮多個(gè)樓層房屋樓面、屋面和閣樓活載時(shí)，活載總值應(yīng)按如下統(tǒng)計(jì)：
    L=L1+0.7（L2+L3+…..）

    其中L1，L2，L3，…..是各活載分量，L1是其中的最值，見圖２。當(dāng)然,各相應(yīng)從屬面積大于18.6m2時(shí),要按前文將 L2，L3，…預(yù)先折減后,再代入上式。
    2.3 土側(cè)壓力（H）及特別的作用

    對于排水通暢、輕微壓緊的土壤，等效流體密度記為q，對于沙礫，淤積砂泥，淤積泥土以及粘土質(zhì)土壤，q值分別取5，5.9，7.5和10 KN/m3；對于浸透土壤，q一般取值為13.4KN/m3。相應(yīng)地，基礎(chǔ)或擋土墻承受的側(cè)壓力按三角形分布，合力為H=qh2/2，其中h為基礎(chǔ)埋深。

    　　對于水中建筑或洪泛區(qū)建筑，尚需考慮水的動(dòng)力和靜力作用。在膨脹土壤地區(qū)，要么設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)考慮土的體積變化作用，要么在構(gòu)造上避免土壤對結(jié)構(gòu)性作用。在凍土地區(qū)，則應(yīng)將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在凍土層以下。


    2.4風(fēng)載(W)
    2.4.1基本風(fēng)速、暴露條件及基本風(fēng)壓
    風(fēng)載的確定基于基本風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)，本文引用的風(fēng)速為3秒鐘陣風(fēng)速度，其于過去采用的最大英里風(fēng)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系見表2.成3秒種陣風(fēng)速度，見表2.3。

    根據(jù)場地環(huán)境情況，風(fēng)場暴露類別（也即地面粗糙度）可分為3個(gè)類別來考慮：
    A敞開區(qū)：指平原鄉(xiāng)村，草地或海岸區(qū)，場地開闊，只有少量不超9m的障礙物。
    B郊區(qū)：城區(qū)，郊區(qū)，有樹的地區(qū)，或有較多的房屋大小或更大的障礙物，有分散的敞開區(qū)。
    C受保護(hù)區(qū)：密林地區(qū)，房屋高度不超過周圍樹木或房屋的障礙物的平均高度，且設(shè)計(jì)風(fēng)速低于210km/小時(shí)。

    場地暴露類別是非常重要的影響風(fēng)載的因素，同時(shí)也是最難于合理定義的一個(gè)參數(shù)。在很多情況下，場地類型介于兩種類型之間，另外周圍的房屋和樹木的高度和疏密也會(huì)變化，這需要設(shè)計(jì)師進(jìn)行判斷，取某一種值，或分析后取“平均值”?；撅L(fēng)壓根據(jù)基本風(fēng)速計(jì)算，這在各國是統(tǒng)一的。

    2.4.2房屋主體側(cè)向風(fēng)荷載和屋面風(fēng)吸力
    鋼骨結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)有明確的主抗風(fēng)系統(tǒng)：水平膈板（樓板和屋面）以及抗剪力墻體。作用在主體結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載，按屋面和墻面的水平和垂直投影面積分別施加，水平風(fēng)荷載分別作用在房屋的橫向和縱向，屋面風(fēng)吸力作用在屋面的水平投影面積上，方向向上，見圖3。相應(yīng)風(fēng)荷載取表2.4基本風(fēng)壓乘表2.5之主體結(jié)構(gòu)風(fēng)壓體型系數(shù)即可，這是一種簡單實(shí)用的方法。需要注意的是，風(fēng)向可能相反。對于單坡屋面，其在垂直方向的投影面積上的側(cè)向風(fēng)載的方向也可能相反。
    側(cè)向風(fēng)荷載可以按從屬面積法向抗剪墻體以及水平膈板上分配，更精確的方法是假設(shè)膈板在平面內(nèi)是剛性的，按抗剪墻體的相對剛度分配。當(dāng)然，用板來模擬膈板和墻體，采用空間有限元的方法計(jì)算也是比較精確的，但比較繁瑣，必要性不大。

    2.4.2作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件及維護(hù)材料的風(fēng)荷載
    作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件及維護(hù)材料的風(fēng)荷載體型系數(shù)見下表2.6，也是根據(jù)ASCE 7-98和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定。

    2.4.3特別問題
    基于安全考慮，可以根據(jù)地方或相關(guān)規(guī)定，在強(qiáng)風(fēng)（風(fēng)速≥120mph）地區(qū)，對可能隨風(fēng)飄離的面層或維護(hù)材料（如臨時(shí)性或永久性遮陽板等）設(shè)置保護(hù)或限制措施，以免撞損房屋或造成其他事故。

    2.4 雪載（S）

    由于風(fēng)和坡屋面因素，地面積雪厚度與屋面并不相同。在屋面水平投影面積上的均布雪載按下式確定：
    p = CeCspg
    其中Ce為地面粗糙度系數(shù)，對于A，B，C類場地，分別取0.8，1.0，和1.2；Cs為屋面坡度系數(shù)，對于不同坡度分別取1.0(≤6:12),0.9(= 7:12)和0.8(≥ 8:12)；pg為地面雪載。這與我國的雪載統(tǒng)計(jì)法有所不同，但可能更合理。

    考慮雪載的不平衡分布必須考慮，方法是在雙坡屋面的一面施加0.8p的均布雪載，在另一面施加1.2p的均布雪載。


    2.6地震力（E）
    2.6.1水平地震作用力

    簡單的方法是采用底部剪力法計(jì)算水平地震作用，各層的頂部的水平地震力按下式計(jì)算：
    E = 0.8[(Ss)(Fa)/R]Wg
    Ss為場地設(shè)計(jì)地面運(yùn)動(dòng)加速度，F(xiàn)a為場地放大系數(shù)，R為地震反應(yīng)修正系數(shù)，參見下表2.7，表2.8取值。Wg為房屋重力代表值，包括該層及上部各層分布的恒載，以及永久性設(shè)備重量。不計(jì)活載，當(dāng)雪載大于1.35KN/m2時(shí)，計(jì)入20%的雪載。

    2.6.2水平地震力的分配
    作用在各層頂部的地震水平剪力由抗剪墻體承擔(dān)，設(shè)計(jì)時(shí)要避免出現(xiàn)嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)作用，同時(shí)，也要避免因局部墻體剛度過大而出現(xiàn)部分墻體“超載”的現(xiàn)象。層間地震水平剪力向各面抗剪墻體分配時(shí)，比較實(shí)用的方法是按各墻體的從屬地震反應(yīng)重力代表值的比例分配，當(dāng)然，也可以有如前文分配風(fēng)載一樣，按墻體剛度比例分配。需要注意的是，水平地震應(yīng)分別作用在房屋結(jié)構(gòu)的不同主軸方向。

    2.6.3豎向地震作用
    輕型房屋很少因豎向地震作用而引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)問題，因而，一般不考慮豎向地震作用。只有當(dāng)豎向承力體系支承的活載小于恒載的1/2時(shí)，才需要計(jì)算豎向地震作用，此時(shí)豎向承力體系雖然能抵抗恒載和活載的組合作用，但可能承擔(dān)不了恒載和豎向地震力的組合作用，這在本文討論的結(jié)構(gòu)體系中一般不回出現(xiàn)。


    3 荷載組合

    設(shè)計(jì)荷載組合見表2.1。需要說明的是其中SAD和LRFD中的風(fēng)荷載是根據(jù)陣風(fēng)風(fēng)速確定的，而非最大風(fēng)速確定的，雪載為屋面雪壓；極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的風(fēng)荷載按50年重現(xiàn)期10秒平均最大風(fēng)速確定，雪壓按中國規(guī)范取值。

    4 總結(jié)

    本文提供的數(shù)據(jù)和方法可以方便地用于鋼骨結(jié)構(gòu)低層住宅的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，中美兩國的設(shè)計(jì)規(guī)范在原理上是相通的，只是在一些表述形式和有關(guān)的荷載和構(gòu)造規(guī)定方面有所差異，相應(yīng)地安全度水平有所不同。在目前情況下，我們承建的鋼骨結(jié)構(gòu)低層住宅工程基本上是按美國規(guī)范設(shè)計(jì)，再按中國規(guī)范校核，我們發(fā)現(xiàn)，按不同規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)果是比較接近的。本文針對荷載作比較詳盡的描述，是希望對在國內(nèi)完全按照中國標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一些參考，筆者將另文論述完全按我國規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)有關(guān)的設(shè)計(jì)荷載分析問題。
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