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低层轻型钢结构住宅设计荷载分析

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    刘承宗 潘红晓
    摘 要 本文讨论了北美低层钢骨结构住宅结构设计的荷载问题，包括各类荷载的取值和计算方法，以及荷载组合模式，并提出了在我国相关规范没有出台前，在国内进行设计时应该注意的一些问题。

    关键词 钢骨结构住宅 设计荷载 荷载分析 荷载组合
    0 概述

    本文讨论的低层住宅[1-2]是一种轻型钢骨结构体系房屋，其墙体和屋面按400mm-600mm间距布置冷弯型钢，钢骨间布置有各种支撑体系，在两侧安装上结构板材或饰面板之后，形成了非常可靠的“板肋结构体系”，有着很强的抵抗地震和风等水平荷载以及建筑物自重等各种竖向荷载的作用。

    这种体系，作为一种新的住宅建造技术，在北美地区已有较多的应用。在国内虽已起步，但还缺乏相关的研究，设计理论还不完善。由于结构的特殊性，其承受的荷载和作用，以及结构传力路径的设计也有其特殊性。本文结合我们编制“北美低层钢骨结构住宅设计手册”的研究工作，较详细地讨论了比较关键的设计荷载问题，可资在国内开展相关设计工作参考。

    本文讨论的房屋限定为基础或底下室以上1-3层（可设置阁楼），屋脊高12米以内的单个或2个家庭居住的连体或独立式住宅；文中未涉及的条件，应按相关国家、地方或行业标准或工程经验确定。本文的目的是提供一种简明实用的设计荷载分析方法，并不排除按经验建造或采用其它设计方法的可能性。

    1 结构设计准则与方法

    建筑物以及其各个构件应设计为能安全地抵抗各种荷载组合作用的影响并留有合理余量。结构系统中不应存在太薄弱的环节，确保局部结构件的失效不会快速扩散而导致结构破坏，因而结构系统和节点应形成一个连续的传力途径，以便将设计荷载连续地传递到地面。此即的结构设计的安全性和整体性准则。

    结构系统还应提供适当的刚度确保建筑物或构件在正常条件下或荷载作用下能发挥其功能，这是适用性问题。当然，所有的设计指标是在确定的材料、设计、安装和维护条件下，在确定的时间段内考虑的，这是建筑物的使用寿命问题。

    对设计目标的评估有多种方法。其一是理论分析法，例如安全性准则可以表述为各种设计公式，如美国的ASD，LRFD，我国的极限设计法等。但确定可接受的安全性水平指标多少是一件主观问题，严重依赖于对于以往成功和失败的设计和建设实践的解释，住宅设计的结构安全性大体上是一个有待工程界研究的领域。

    其二是实验测试方法，由于实验主要是针对一些独立的标准构件（如简支梁、柱等），有关结构组合件或系统的信息很缺乏，或不能反映最终的使用条件和结构实际承载力和刚度，实验方法实际上有很大的局限性。但当当前的实践、有关规范或标准以及生产商的数据不能提供有效的、精确的和完整的设计依据时，实验是唯一可以依赖的方法。

    关于标准的低层钢骨结构结构住宅，我们已按相关经验和有关分析编制了说明性建造手册。这些手册实际上是一些预先设计的或被认定为可靠的房屋设计数据和规定的集合。在一些限制范围内，他们与相关规范是统一的。这是经验法。当然，三种方法在很多情况下可以综合应用。


    2 低层钢骨结构住宅荷载
    2.1 恒载（D）
    恒载系指永久的房屋材料如屋面、楼面、墙体基础系统以及面饰材料以及固定设备的重量。根据房屋实际应用的材料确定，或从常用材料重量表中查取。由于钢结构住宅所用材料的品种和来源的多样性，设计师选用的恒载必须能反映房屋的实际建造状况。表2.1为轻型钢骨结构住宅各系统材料总重量。

    2.2 活载（L）
    2.2.1活荷载标准值
    不同区间的活荷载可参照表2.2选取，这是根据实际工作情况总结而得来的。当然，在不同的国家或地区，按相应地方建筑标准，取值会有变化。我们建议在实际设计中，取规范和表2.2中之值的较大者。

    对于阁楼，通常有三种用途：①空置，取0.48KN/m2的活载，仅用于设计天花板托梁，以考虑安装，维护以及相关活动引起的荷载作用，不参与其它构件设计时的荷载组合。②作为储物间；③作为书房或卧室或是其它功能空间，则应将天花板按楼板设计，相应的活荷载按楼面取值。关于阳台或露台，当离地面不超过1.2m时,活载也可按楼面取1.92KN/m2，实践表明，露台和阳台的破坏,往往是由于其它主体结构间的连接点设计不合理导致的,而不是由于活载取值不合适引起的。
    集中活载作用在相应区域最不利的一小块面积上，使之产生最大的影响．以考虑实际可能出现的情况，集中活载不与均布活载同时考虑。

    对于房屋中特别用途的空间，或其活荷载在表2.2中未列出的，应另行按实际考虑活荷载取值，包括住房中不常有的重型储物间、办公空间、书库等，一些特殊的设备荷载如浴盆，水床，健身器材等也要按实际情况另行考虑。

    2.2.2 活载折减
    表2.2中的数据是基于18.6m2的楼面确定的,对于超过这一面积的房间,出现同一水平的均布活载的可能性降低了。固而当某一层的构件支撑的楼面从属面积大于18.6m2时,可以采用折减后的楼面均布活载设计相应的构件。活载折减公式为：
    L=L0(0.25+10.6/AT1/2)≥0.75
    其中，从属面积AT≥18.6m2，L0为从表2.2中查得的活荷载。以上针对的是低层住宅，显然不同于商业建筑的折减。

    在荷载组合中考虑多个楼层房屋楼面、屋面和阁楼活载时，活载总值应按如下统计：
    L=L1+0.7（L2+L3+…..）

    其中L1，L2，L3，…..是各活载分量，L1是其中的最值，见图２。当然,各相应从属面积大于18.6m2时,要按前文将 L2，L3，…预先折减后,再代入上式。
    2.3 土侧压力（H）及特别的作用

    对于排水通畅、轻微压紧的土壤，等效流体密度记为q，对于沙砾，淤积砂泥，淤积泥土以及粘土质土壤，q值分别取5，5.9，7.5和10 KN/m3；对于浸透土壤，q一般取值为13.4KN/m3。相应地，基础或挡土墙承受的侧压力按三角形分布，合力为H=qh2/2，其中h为基础埋深。

    　　对于水中建筑或洪泛区建筑，尚需考虑水的动力和静力作用。在膨胀土壤地区，要么设计基础时考虑土的体积变化作用，要么在构造上避免土壤对结构性作用。在冻土地区，则应将基础设计在冻土层以下。


    2.4风载(W)
    2.4.1基本风速、暴露条件及基本风压
    风载的确定基于基本风速的统计，本文引用的风速为3秒钟阵风速度，其于过去采用的最大英里风速的转换关系见表2.成3秒种阵风速度，见表2.3。

    根据场地环境情况，风场暴露类别（也即地面粗糙度）可分为3个类别来考虑：
    A敞开区：指平原乡村，草地或海岸区，场地开阔，只有少量不超9m的障碍物。
    B郊区：城区，郊区，有树的地区，或有较多的房屋大小或更大的障碍物，有分散的敞开区。
    C受保护区：密林地区，房屋高度不超过周围树木或房屋的障碍物的平均高度，且设计风速低于210km/小时。

    场地暴露类别是非常重要的影响风载的因素，同时也是最难于合理定义的一个参数。在很多情况下，场地类型介于两种类型之间，另外周围的房屋和树木的高度和疏密也会变化，这需要设计师进行判断，取某一种值，或分析后取“平均值”。基本风压根据基本风速计算，这在各国是统一的。

    2.4.2房屋主体侧向风荷载和屋面风吸力
    钢骨结构住宅设计有明确的主抗风系统：水平膈板（楼板和屋面）以及抗剪力墙体。作用在主体结构上的风荷载，按屋面和墙面的水平和垂直投影面积分别施加，水平风荷载分别作用在房屋的横向和纵向，屋面风吸力作用在屋面的水平投影面积上，方向向上，见图3。相应风荷载取表2.4基本风压乘表2.5之主体结构风压体型系数即可，这是一种简单实用的方法。需要注意的是，风向可能相反。对于单坡屋面，其在垂直方向的投影面积上的侧向风载的方向也可能相反。
    侧向风荷载可以按从属面积法向抗剪墙体以及水平膈板上分配，更精确的方法是假设膈板在平面内是刚性的，按抗剪墙体的相对刚度分配。当然，用板来模拟膈板和墙体，采用空间有限元的方法计算也是比较精确的，但比较繁琐，必要性不大。

    2.4.2作用于结构构件及维护材料的风荷载
    作用于结构构件及维护材料的风荷载体型系数见下表2.6，也是根据ASCE 7-98和结构特点确定。

    2.4.3特别问题
    基于安全考虑，可以根据地方或相关规定，在强风（风速≥120mph）地区，对可能随风飘离的面层或维护材料（如临时性或永久性遮阳板等）设置保护或限制措施，以免撞损房屋或造成其他事故。

    2.4 雪载（S）

    由于风和坡屋面因素，地面积雪厚度与屋面并不相同。在屋面水平投影面积上的均布雪载按下式确定：
    p = CeCspg
    其中Ce为地面粗糙度系数，对于A，B，C类场地，分别取0.8，1.0，和1.2；Cs为屋面坡度系数，对于不同坡度分别取1.0(≤6:12),0.9(= 7:12)和0.8(≥ 8:12)；pg为地面雪载。这与我国的雪载统计法有所不同，但可能更合理。

    考虑雪载的不平衡分布必须考虑，方法是在双坡屋面的一面施加0.8p的均布雪载，在另一面施加1.2p的均布雪载。


    2.6地震力（E）
    2.6.1水平地震作用力

    简单的方法是采用底部剪力法计算水平地震作用，各层的顶部的水平地震力按下式计算：
    E = 0.8[(Ss)(Fa)/R]Wg
    Ss为场地设计地面运动加速度，Fa为场地放大系数，R为地震反应修正系数，参见下表2.7，表2.8取值。Wg为房屋重力代表值，包括该层及上部各层分布的恒载，以及永久性设备重量。不计活载，当雪载大于1.35KN/m2时，计入20%的雪载。

    2.6.2水平地震力的分配
    作用在各层顶部的地震水平剪力由抗剪墙体承担，设计时要避免出现严重的扭转作用，同时，也要避免因局部墙体刚度过大而出现部分墙体“超载”的现象。层间地震水平剪力向各面抗剪墙体分配时，比较实用的方法是按各墙体的从属地震反应重力代表值的比例分配，当然，也可以有如前文分配风载一样，按墙体刚度比例分配。需要注意的是，水平地震应分别作用在房屋结构的不同主轴方向。

    2.6.3竖向地震作用
    轻型房屋很少因竖向地震作用而引起严重的结构问题，因而，一般不考虑竖向地震作用。只有当竖向承力体系支承的活载小于恒载的1/2时，才需要计算竖向地震作用，此时竖向承力体系虽然能抵抗恒载和活载的组合作用，但可能承担不了恒载和竖向地震力的组合作用，这在本文讨论的结构体系中一般不回出现。


    3 荷载组合

    设计荷载组合见表2.1。需要说明的是其中SAD和LRFD中的风荷载是根据阵风风速确定的，而非最大风速确定的，雪载为屋面雪压；极限状态设计法的风荷载按50年重现期10秒平均最大风速确定，雪压按中国规范取值。

    4 总结

    本文提供的数据和方法可以方便地用于钢骨结构低层住宅的设计。事实上，中美两国的设计规范在原理上是相通的，只是在一些表述形式和有关的荷载和构造规定方面有所差异，相应地安全度水平有所不同。在目前情况下，我们承建的钢骨结构低层住宅工程基本上是按美国规范设计，再按中国规范校核，我们发现，按不同规范设计的结果是比较接近的。本文针对荷载作比较详尽的描述，是希望对在国内完全按照中国标准开展相关建筑结构的设计提供一些参考，笔者将另文论述完全按我国规范设计时有关的设计荷载分析问题。
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