3.4屋面附加雪荷载
坡度很小且屋面积雪厚度较小的屋面,雪中含水的影响不能忽略,应考虑附加荷载。称为雨雪附加荷载。小坡度屋面有可能因雪荷载作用局部下凹积水而导致结构失稳。设计时应考虑,称为积水失稳现象。另外,对于檐口挑出部分,由于屋面积雪融化流淌,会在檐口形成冰坝和悬冰,为此可用檐口结冰荷载来考虑檐口积冰重力荷载。该荷载应仅作用在那些可能形成檐口冰凌的结构上,仅用于檐口悬挑构件分析。分析整体结构时不需考虑这一荷载。
3.5屋面暴露形式和采暖类别
周围的地貌、树木、相邻的更高的房屋,以及屋面大型设备或其它设施会对金属建筑屋面形成遮蔽,场地类别也即地面粗糙度都会影响屋面雪荷载,为此可引入屋面暴露系数来描述。另外,对于坡屋面,房屋是否采暖,以及房屋使用温度是否高于冰点也会影响坡屋面雪荷载,可引入热工系数来描述。
4 ASCE关于金属建筑屋面雪荷载的规定
由气候环境的不同,各国和各地区雪的强度、漂移和滑移会有差异,对雪荷载的重视程度和研究的深入水平也有差异。这在各国建筑结构荷载规范里有反映。IBC要求按ASCE 7确定雪荷载,MBMA 2002金属建筑系统手册关于雪荷载也主要引自ASCE 7-98,并针对金属建筑的特征有所调整。因为掌握的资料有限,本节概述ASCE 7-98和MBMA-2002关于雪荷载的规定的主要内容供参考。
4.1平屋面雪荷载
作用在坡度不大于5o的屋面上的平屋面雪荷载pf应按下式计算:
pf = 0.7Ce Ct Is pg (ASCE 7-98.Eq.7-1)
这里:
Ce: 屋面暴露系数,见ASCE 7-98表7-2
Ct: 热工系数,见ASCE 7-98表7-3
Is: 建筑结构重要性系数,见MBMA 2002表1.1(a)
pg: 地面雪荷载值,单位为psf ,见ASCE 7-98 7.2节,50年重现期统计值
但pf应不小于一个最小值:屋面坡度小于15o的单坡屋面,坡度小于等于70/W+0.5四面坡或双坡屋面(W是檐口到屋脊处的水平距离,单位为ft),以及檐口到顶点连线角度小于10o的弧线屋面(定义为小坡屋面)应施加屋面最小雪荷载值pf:
当pg≤20 psf,取pf = Is pg;当pg>20 psf,取pf = 20 Is。
确定热工系数Ct时,要综合考虑结构的使用类别和实际规划用途:采暖房屋Ct= 1.0;非采暖房屋Ct= 1.2,如果房屋温度保持在0度以上Ct= 1.1。
4.2坡屋面雪荷载
屋面上没有物体阻碍积雪下滑的,视为无障碍屋面,当檐口下有足够空间容纳屋面滑落的积雪时称为“光滑面”。金属屋面应视为光滑面,除非屋面布置了挡雪装置或其它防止积雪下滑的装置。
坡屋面雪荷载ps假定作用在屋面水平投影面上,引入坡度系数Cs,按下式计算:
ps = Cs pf (ASCE 7-98.Eq.7-2)
Cs值见ASCE 7-98.7.4.1-7.4.4节及图7.2,具体规定用公式概述如下:
a)对于热屋面,也即所有不满足下文b)冷屋面,或c)凉屋面规定的屋面(ASCE 7-98,Ct≤1.0的情况):
?.无障碍光滑屋面,若为非通风屋面,热阻大于R-30,若为通风屋面,热阻大于R-20,且屋面下外层空气应能从檐口到屋脊自由循环(ASCE 7-98 图7-2a虚线):
Cs = 1, [1-(θ-5)/65], 0 (θ≤5o, 5o<θ<70o, θ≥70o)
?.所有其它热屋面(ASCE 7-98,图7-2a实线)
Cs = 1, [1-(θ-30)/40], 0 (θ≤30o, 30o<θ<70o, θ≥70o)
b)对冷屋面,也即非采暖结构,且特意保持在冰点之下的屋面(ASCE 7-98,Ct = 1.2的情况):
?.容许雪从檐口滑落的无障碍光滑屋面(ASCE 7-98,图7-2b虚线):
Cs = 1, [1-(θ-15)/50], 0 (θ≤15o, 15o<θ<70o, θ≥70o)
?.所有其它冷屋面(ASCE 7-98,图7-2b实线):
Cs = 1, [1-(θ-45)/25], 0 (θ≤45o, 45o<θ<70o, θ≥70o)
c)凉屋面,也即,结构保持在冰点以上,以及其它的通风空间和采暖空间之间的热阻大于R-25的通风冷屋面(ASCE 7-98,Ct = 1.2的情况):
?.容许雪从檐口滑落的无障碍光滑屋面(ASCE 7-98,图7-2a/7-2b虚线平均值):
Cs = 1, [1-(θ-10)/60], 0 (θ≤10o, 10o<θ<70o, θ≥70o)
?.其它所有凉屋面。(ASCE 7-98图7-2a/7-2b实线平均值):
Cs = 1, [1-(θ-37.5)/32.5], 0 (θ≤37.5o, 37.5o<θ<70o, θ≥70o)
对弧线屋面,多折线屋面,锯齿形屋面或筒形拱顶屋面,相应Cs值参见ASCE 7-98 7.4.3-7.4.4节。
4.4檐口结冰
对于檐口排水的两类热屋面:a)热阻小于R-30的非通风热屋面,b)热阻小于R-20的通风热屋面,所有檐口悬挑部分应能承受2pf的均布雪荷载。当屋面施加了该附加均布雪荷载,除恒载外,不再同时施加其它荷载。分析整体结构时不需考虑这一荷载,该荷载仅用于檐口构件分析。
4.5不完全荷载
由于各种原因,如人工除雪、雪的不均匀融化等,有可能导致整体屋面上某些宏观区域雪荷载均布值减小。在设计连续多跨构件时,有可能反而起控制作用,应予以考虑。
相关规定见ASCE 7-98.7.5节。设计屋面连续檩条时,应选取均衡雪荷载的1.0倍和0.5倍,任意作用的檩条的不同跨间作为一种不利分布验算。对于坡度大于(70/W+0.5)的双坡屋面,跨度方向垂直于屋脊线的刚架杆件不必施加不完全雪荷载。需要注意的是,不完全荷载不一定是控制荷载。
4.6不均衡雪荷载
不均衡雪荷载规定见ASCE 7-98.7.6节:对于常见的四面坡和双坡屋面不均衡雪荷载分布概述如图8。图中,L为屋面平行于屋脊线方线的长度:
β = 0.5,0.33+0.167L/W,1.0 (L/W ≤1, 1<L/W<4, L/W≥4)(ASCE 7-98 Eq. 7-3)