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低層輕型鋼結構住宅設計荷載分析

作者：建筑鋼結構網    
時間：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構住宅結構設計的荷載問題，包括各類荷載的取值和計算方法，以及荷載組合模式，并提出了在我國相關規范沒有出臺前，在國內進行設計時應該注意的一些問題。

    關鍵詞 鋼骨結構住宅 設計荷載 荷載分析 荷載組合
    0 概述

    本文討論的低層住宅[1-2]是一種輕型鋼骨結構體系房屋，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，在兩側安裝上結構板材或飾面板之后，形成了非常可靠的“板肋結構體系”，有著很強的抵抗地震和風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，在北美地區已有較多的應用。在國內雖已起步，但還缺乏相關的研究，設計理論還不完善。由于結構的特殊性，其承受的荷載和作用，以及結構傳力路徑的設計也有其特殊性。本文結合我們編制“北美低層鋼骨結構住宅設計手冊”的研究工作，較詳細地討論了比較關鍵的設計荷載問題，可資在國內開展相關設計工作參考。

    本文討論的房屋限定為基礎或底下室以上1-3層（可設置閣樓），屋脊高12米以內的單個或2個家庭居住的連體或獨立式住宅；文中未涉及的條件，應按相關國家、地方或行業標準或工程經驗確定。本文的目的是提供一種簡明實用的設計荷載分析方法，并不排除按經驗建造或采用其它設計方法的可能性。

    1 結構設計準則與方法

    建筑物以及其各個構件應設計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。結構系統中不應存在太薄弱的環節，確保局部結構件的失效不會快速擴散而導致結構破壞，因而結構系統和節點應形成一個連續的傳力途徑，以便將設計荷載連續地傳遞到地面。此即的結構設計的安全性和整體性準則。

    結構系統還應提供適當的剛度確保建筑物或構件在正常條件下或荷載作用下能發揮其功能，這是適用性問題。當然，所有的設計指標是在確定的材料、設計、安裝和維護條件下，在確定的時間段內考慮的，這是建筑物的使用壽命問題。

    對設計目標的評估有多種方法。其一是理論分析法，例如安全性準則可以表述為各種設計公式，如美國的ASD，LRFD，我國的極限設計法等。但確定可接受的安全性水平指標多少是一件主觀問題，嚴重依賴于對于以往成功和失敗的設計和建設實踐的解釋，住宅設計的結構安全性大體上是一個有待工程界研究的領域。

    其二是實驗測試方法，由于實驗主要是針對一些獨立的標準構件（如簡支梁、柱等），有關結構組合件或系統的信息很缺乏，或不能反映最終的使用條件和結構實際承載力和剛度，實驗方法實際上有很大的局限性。但當當前的實踐、有關規范或標準以及生產商的數據不能提供有效的、精確的和完整的設計依據時，實驗是唯一可以依賴的方法。

    關于標準的低層鋼骨結構結構住宅，我們已按相關經驗和有關分析編制了說明性建造手冊。這些手冊實際上是一些預先設計的或被認定為可靠的房屋設計數據和規定的集合。在一些限制范圍內，他們與相關規范是統一的。這是經驗法。當然，三種方法在很多情況下可以綜合應用。


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

    2.2 活載（L）
    2.2.1活荷載標準值
    不同區間的活荷載可參照表2.2選取，這是根據實際工作情況總結而得來的。當然，在不同的國家或地區，按相應地方建筑標準，取值會有變化。我們建議在實際設計中，取規范和表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，僅用于設計天花板托梁，以考慮安裝，維護以及相關活動引起的荷載作用，不參與其它構件設計時的荷載組合。②作為儲物間；③作為書房或臥室或是其它功能空間，則應將天花板按樓板設計，相應的活荷載按樓面取值。關于陽臺或露臺，當離地面不超過1.2m時,活載也可按樓面取1.92KN/m2，實踐表明，露臺和陽臺的破壞,往往是由于其它主體結構間的連接點設計不合理導致的,而不是由于活載取值不合適引起的。
    集中活載作用在相應區域最不利的一小塊面積上，使之產生最大的影響．以考慮實際可能出現的情況，集中活載不與均布活載同時考慮。

    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，應另行按實際考慮活荷載取值，包括住房中不常有的重型儲物間、辦公空間、書庫等，一些特殊的設備荷載如浴盆，水床，健身器材等也要按實際情況另行考慮。

    2.2.2 活載折減
    表2.2中的數據是基于18.6m2的樓面確定的,對于超過這一面積的房間,出現同一水平的均布活載的可能性降低了。固而當某一層的構件支撐的樓面從屬面積大于18.6m2時,可以采用折減后的樓面均布活載設計相應的構件。活載折減公式為：
    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，顯然不同于商業建筑的折減。

    在荷載組合中考慮多個樓層房屋樓面、屋面和閣樓活載時，活載總值應按如下統計：
    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。當然,各相應從屬面積大于18.6m2時,要按前文將 L2，L3，…預先折減后,再代入上式。
    2.3 土側壓力（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。相應地，基礎或擋土墻承受的側壓力按三角形分布，合力為H=qh2/2，其中h為基礎埋深。

    　　對于水中建筑或洪泛區建筑，尚需考慮水的動力和靜力作用。在膨脹土壤地區，要么設計基礎時考慮土的體積變化作用，要么在構造上避免土壤對結構性作用。在凍土地區，則應將基礎設計在凍土層以下。


    2.4風載(W)
    2.4.1基本風速、暴露條件及基本風壓
    風載的確定基于基本風速的統計，本文引用的風速為3秒鐘陣風速度，其于過去采用的最大英里風速的轉換關系見表2.成3秒種陣風速度，見表2.3。

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

    場地暴露類別是非常重要的影響風載的因素，同時也是最難于合理定義的一個參數。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變化，這需要設計師進行判斷，取某一種值，或分析后取“平均值”。基本風壓根據基本風速計算，這在各國是統一的。

    2.4.2房屋主體側向風荷載和屋面風吸力
    鋼骨結構住宅設計有明確的主抗風系統：水平膈板（樓板和屋面）以及抗剪力墻體。作用在主體結構上的風荷載，按屋面和墻面的水平和垂直投影面積分別施加，水平風荷載分別作用在房屋的橫向和縱向，屋面風吸力作用在屋面的水平投影面積上，方向向上，見圖3。相應風荷載取表2.4基本風壓乘表2.5之主體結構風壓體型系數即可，這是一種簡單實用的方法。需要注意的是，風向可能相反。對于單坡屋面，其在垂直方向的投影面積上的側向風載的方向也可能相反。
    側向風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膈板在平面內是剛性的，按抗剪墻體的相對剛度分配。當然，用板來模擬膈板和墻體，采用空間有限元的方法計算也是比較精確的，但比較繁瑣，必要性不大。

    2.4.2作用于結構構件及維護材料的風荷載
    作用于結構構件及維護材料的風荷載體型系數見下表2.6，也是根據ASCE 7-98和結構特點確定。

    2.4.3特別問題
    基于安全考慮，可以根據地方或相關規定，在強風（風速≥120mph）地區，對可能隨風飄離的面層或維護材料（如臨時性或永久性遮陽板等）設置保護或限制措施，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，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，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。這與我國的雪載統計法有所不同，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算水平地震作用，各層的頂部的水平地震力按下式計算：
    E = 0.8[(Ss)(Fa)/R]Wg
    Ss為場地設計地面運動加速度，Fa為場地放大系數，R為地震反應修正系數，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，以及永久性設備重量。不計活載，當雪載大于1.35KN/m2時，計入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，設計時要避免出現嚴重的扭轉作用，同時，也要避免因局部墻體剛度過大而出現部分墻體“超載”的現象。層間地震水平剪力向各面抗剪墻體分配時，比較實用的方法是按各墻體的從屬地震反應重力代表值的比例分配，當然，也可以有如前文分配風載一樣，按墻體剛度比例分配。需要注意的是，水平地震應分別作用在房屋結構的不同主軸方向。

    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重的結構問題，因而，一般不考慮豎向地震作用。只有當豎向承力體系支承的活載小于恒載的1/2時，才需要計算豎向地震作用，此時豎向承力體系雖然能抵抗恒載和活載的組合作用，但可能承擔不了恒載和豎向地震力的組合作用，這在本文討論的結構體系中一般不回出現。


    3 荷載組合

    設計荷載組合見表2.1。需要說明的是其中SAD和LRFD中的風荷載是根據陣風風速確定的，而非最大風速確定的，雪載為屋面雪壓；極限狀態設計法的風荷載按50年重現期10秒平均最大風速確定，雪壓按中國規范取值。

    4 總結

    本文提供的數據和方法可以方便地用于鋼骨結構低層住宅的設計。事實上，中美兩國的設計規范在原理上是相通的，只是在一些表述形式和有關的荷載和構造規定方面有所差異，相應地安全度水平有所不同。在目前情況下，我們承建的鋼骨結構低層住宅工程基本上是按美國規范設計，再按中國規范校核，我們發現，按不同規范設計的結果是比較接近的。本文針對荷載作比較詳盡的描述，是希望對在國內完全按照中國標準開展相關建筑結構的設計提供一些參考，筆者將另文論述完全按我國規范設計時有關的設計荷載分析問題。
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