轻型钢结构房屋抗雪灾能力的探讨

　　摘要:2009年11月份，河南地区遭遇了50年一遇的罕见暴雪，均造成大范围地区的严重受灾，并涉及方方面面。其中，轻型房屋钢结构自身的超载能力差，遇到这种罕遇荷载后发生大量事故，有必要对事故的原因进行分析与反思。针对门式刚架轻钢工业厂房的事故进行较全面的分析，包括结构安全度、雪荷载的整体超载、建筑外形不当导致的局部积雪超载和清雪引发的次生灾害等内容，并通过分析，总结上述问题中包含的具体事故原因。最后在结构设计、规范和清雪措施等多方面反思，进而对当前轻型房屋钢结构设计提出相关建议。
　　关键词：:门式刚架轻钢结构;结构设计;积雪；超载；抗雪灾能力；
　　1概述
　　2009年11月份,我国许多地区均出现持续数日的降雪。降雪,实属罕见(50年一遇),给工农业生产造成极大损害。其中,大跨度轻钢屋面结构(主要为门式刚架轻钢结构)整体或部分倒塌的事故多有发生,引起了业内人士尤其是从事轻钢结构设计的工程人员的普遍重视。
　　2造成事故的原因
　　2.1降雪持续时间较长,降雪量较大
　　此次降雪持续时间较长,降雪量较大，许多地区屋面积雪堆载超出了荷载规范中给出的基本值。某新建轻钢厂房,设计基本雪压为0.50kN/m2,屋面积雪深度达430mm,计算雪载达90kg/m2,檩条下翼缘已严重扭曲并发生较大水平弯曲变形,但下挠不大。紧急清雪后,扭曲基本消除但是弯曲变形还在,由此可见,檩条构件已达到了承载力极限状态,钢材屈服,发生了塑性变形,如继续积雪或不予处理,很可能发生倒塌事故。
　　门式刚架轻钢结构属于对雪荷载敏感的结构,但屋面积雪堆载超出设计取值,这在实际工程中并不多见。以往在与门式刚架轻钢结构有关的规范规程、技术手册中很难见到针对雪荷载的讨论,实际设计工作中对于雪荷载并未给予足够的重视。而对于屋面活荷载,《建筑结构荷载规范》GB50009-2001、《钢结构设计规范》GB50017-2003、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102-2002均不同程度地将取值由0.50kN/m2降低至0.30kN/m2,尤其以CECS102-2002的规定最为宽松,且设计中多遵照CECS102-2002的规定取值。规范规定,屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑,取两者中的较大值。由我国基本雪压分布图可知,雪压高值区在我国分布很广。但当前,我国大部分气象台站收集的都是雪深数据,而相应的积雪密度数据又不齐全,当缺乏平行观测的积雪密,均以当地的平均密度来估算雪压值。这使得在实际工程应用中,即便按照荷载规范规定的基本雪压取值,仍然不能足够精确地反映结构使用期间积雪荷载的实际数值,当出现大幅降雪时,门式刚架轻钢结构发生破坏的几率就比较大。
　　2.2门式刚架轻钢结构在结构体系上存在一定缺陷
　　门式刚架轻钢结构在结构体系上存在一定缺陷，从而使得其抵抗雪灾的能力较其他形式钢结构屋面体系(如普通钢结构厂房屋架、网架结构)较差。在门式刚架轻钢结构工程中,大多设置隅撑,并取刚架梁平面外计算长度为隅撑间距,即考虑檩条对刚架梁平面外稳定所起的支撑作用。此时,刚架梁上翼缘平面外稳定由檩条保证,下翼缘平面外稳定由隅撑保证,而檩条本身的稳定又多利用与檩条上翼缘紧密连接的屋面板所提供的蒙皮效应来保证。屋面板、檩条、刚架梁,构件之间约束的传递环环相扣,且路线单一,缺一不可,结构整体的安全性较差。
　　当屋面积雪荷载达到设计取值时,屋面板与檩条产生很大挠度,此时檩条钢材可能已屈服甚至进入应变硬化阶段(卸荷后檩条变形不能全部恢复),檩条及与之相连的隅撑对刚架梁的支撑作用将有可能大幅减弱,而此时檩条并未彻底破坏,屋面积雪的堆载仍通过檩条传递并作用在刚架梁上,最终整个结构会因刚架梁失稳而倒塌。
　　对于门式刚架轻钢结构而言,活荷载(屋面活荷载、雪荷载、风荷载)无疑是整体结构的控制荷载,只有在屋面材料自重很大时,恒荷载及地震荷载对结构的作用才可能显现出来。门式刚架多为不上人屋面,在建成使用期间,屋面活荷载作用的几率及覆盖范围均不会很大,很少因此对结构产生破坏。雪荷载及风荷载达到基本雪压或基本风压作用的几率也很小,但其荷载作用均是全屋面范围的,且以所处位置不同而不均匀分布,故而门式刚架轻钢结构的破坏,多发生在大风或大雪天气中。
　　但同样是钢结构屋面体系,普通钢结构厂房屋架、网架结构却较少发生类似事故。这是因为结构设计中,材料强度及荷载设计值的取用均考虑了相当的安全裕量,即便实际的雪荷载或风荷载已超出设计取值,发生破坏的应该也只是一小部分工程。所以说,门式刚架轻钢结构的事故是前述两点原因共同作用的结果。门式刚架轻钢结构中,檩条兼具两方面的作用,其既是屋面围护体系的龙骨,又是主体结构中必不可少的组成部分,这在其他许多形式的钢结构屋面体系中是不存在的。比如普通钢结构厂房的屋架,有完善充足的支撑系统保证了屋架整体的稳定,作为围护结构的檩条及屋面板,在计算中基本不考虑其对整体结构的作用。又比如网架结构,各层弦杆及腹杆组成的空间桁架体系,属高次超静定结构,檩条的设置仅为连接屋面板所需。
　　2.3钢材质量及施工质量的影响
　　近年来,门式刚架轻钢结构发展迅速,因其设计过程简便,周期极短,从事同类设计的人员较多,竞争激烈,片面强调用钢量最低,在设计荷载的取值上尽量取低,使得结构的安全裕度一再降低。如钢材质量及施工质量无法保证,遭遇风雪而破坏的概率更大。现在有的施工单位自己拥有钢结构设计的专项资质，为了项目中标，会提供免费的结构设计。这样，为了利益最大化，在设计时会追求最低用钢量。尽管设计结果满足规范要求，但不可避免地使安全度降低。另外，钢结构施工单位众多，施工水平良莠不齐。施工质量往往难以控制，使结构的受力性能低于原来设计的初衷这就进一步降低了结构安全度。
　　3、门式刚架轻钢结构设计中应注意的问题
　　有鉴于此,笔者建议,在门式刚架轻钢结构的设计中,如遇跨度较大的情况,可仅将檩条及屋面板作为单一的屋面围护系统,不考虑其对刚架横梁的支撑作用。
　　(1)檩条端部与托板的连接孔可以做成长圆孔,以便于连接。以往的工程中确有这么做的,但相关的手册图集中并未有做长圆孔的。
　　(2)可以不再设置隅撑,计算主刚架时,平面外稳定的计算长度取为屋面水平支撑的间距。
　　(3)如檩条开长圆孔,则屋面沿结构纵向的水平刚度会因此而减小，故应适当加强屋面水平支撑。屋面水平支撑宜选用角钢,尽量少用或不用圆钢支撑。
　　(4)以往工程中多有考虑屋脊位置存在双檩,故此处不再设置水平系杆。现既然取消檩条对刚架梁的支撑作用,则屋脊处可能要设置一道水平系杆(视屋面支撑的布置确定)。另外,对施工而言,因双檩作用而取消屋脊水平系杆的,还会给刚架的安装增加困难。
　　(5)多数情况下,屋面支撑的间距较隅撑间距为大,较之平面外计算长度取为隅撑间距,刚架梁截面需加大方能满足要求,整体结构的用钢量会略微增加。
　　（6）对于轻型房屋钢结构，女儿墙应考虑得更为全面一些，如：放置溢流孔；将女儿墙下面做成百叶窗式的，如此可以排风减少积重，把女儿墙做得很弱，当遇到暴风雪时，会被直接吹倒以达到卸荷的目的。把女儿墙尽量做得矮一些，如果可能的话，在迎风区不做女儿墙，直接避免积雪。其次，在设计屋面时要尽可能考虑减少因高低跨造成的堆雪作用。设计应针对当地的气象特征（如常遇风向等），尽量避免不利方向高低屋面的存在。另外，特别对于南方某些地区，屋面也应针对雪荷载而尽量提高坡度，采用斜坡式或尖顶式。
　　4、结语
　　门式刚架轻钢结构属于对雪荷载敏感的结构，在结构设计中应充分考虑雪荷载对结构的各种不利影响。
　　参考文献：
　　[1]GB50017-2003钢结构设计规范；
　　[2]CECS1002:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程；
　　[3]GB50009-2001建筑结构荷载规范;
　　[4]GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范；