中、美、加、欧屋面雪荷载规范对比

范 峰，莫华美，洪汉平

（1.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090 哈尔滨，gordonmo@163.com;2.加拿大西安大略大学土木与环境工程系，N6A 5B9 安大略伦敦）

中、美、加、欧屋面雪荷载规范对比

范 峰1，莫华美1，洪汉平2

（1.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090 哈尔滨，gordonmo@163.com;2.加拿大西安大略大学土木与环境工程系，N6A 5B9 安大略伦敦）

陈述了我国规范与美国、加拿大和欧盟规范在雪荷载取值方面的差异.结果表明:我国规范的雪荷载计算公式过于简单，不能充分考虑各种相关因素对雪荷载的影响;我国规范规定的屋面雪荷载临界坡度在4本规范中最小;在双坡、拱形和高低屋面中，我国规范的雪荷载剖面与国外规范差异较大;最后给出对我国规范雪荷载取值规定的一些初步修改建议，为我国雪荷载规范的修订和完善提供思路和参考.

雪荷载;规范对比;修改建议

工程实践表明，雪荷载取值对结构安全有重要意义.我国GB50009—2001《建筑结构荷载规范》［1］(简称我国规范)对雪荷载取值进行了较为详细的规定.但是，随着时间的推移和社会经济的发展，这些取值规定的合理性与适用性需要重新审视.尤其是近年来冰雪灾害频发，因积雪造成的结构坍塌事故时有发生.

与欧美加等发达国家或地区的规范进行对比，可以吸收他们的先进经验.为此，本文选取美国 ASCE 规范［2］(ASCE/SEI 7 －05)，加拿大国家建筑规范［3－4］(NBC 规范)和 EU 规范［5］，与我国规范的雪荷载取值规定进行对比，为我国荷载规范的修订提供参考.

1 基本计算公式

对荷载规范来说，基本计算公式全面反映其思想和内涵.基本计算式的结构、参数类型和数量等，是读者了解规范核心思想的重要门户.

我国规范、ASCE规范、NBC规范和EU规范的雪荷载基本计算式分别为

式中:Sk，Ps，S 分别为屋面雪荷载;S0，Pg，Ss，Su分别为基本雪压;μr为雪荷载分布系数;Cs为倾斜系数，反映屋面坡度的影响;Ce为遮挡系数，反映周围环境对建筑的遮挡效应;Ct为热力系数，反映建筑采暖情况的影响;I，Is为建筑重要性系数;Cb为屋面雪荷载基本系数，除大跨度屋面有特殊规定外，一般情况下均取0.8;Cw为风力系数;Ca，μi为屋面形状系数;Sr为关联雨水荷载，其值不大于Ss(CbCwCsCa).

4本规范基本计算式的结构形式基本一样，即屋面雪荷载等于基本雪压乘以一系列相关系数.但很明显，我国规范的计算公式最简略，只包含一个系数(该系数主要反映屋面坡度的影响，与其他规范里的倾斜系数相当).而其他3本规范所考虑的因素均较全面.以ASCE规范为例，其根据建筑物发生结构破坏时所造成后果的严重程度，将建筑物划分为Ⅰ～Ⅳ4个等级(其划分标准与我国《建筑抗震设防分类标准》中的丁～甲类似)，分别赋予0.8～1.2不等的重要性系数.其次，根据建筑物所处环境的空旷程度不同，赋予0.7～1.2不等的遮挡系数.另外，建筑物的采暖情况，在其计算公式中也有所体现，对不同的建筑物，其采暖系数取值0.85～1.2不等.从生活出发，读者不难理解这些系数的意义所在.反观我国规范，由于缺乏相应的基础研究工作，其雪荷载基本公式还停留在比较粗糙的阶段.调研采暖措施、环境空旷度等因素对屋面雪荷载的影响，应成为荷载规范修订工作的一个努力方向.

2 主要屋面形式的参数对比

2.1 单坡屋面

对于坡度为α的单坡屋面，4本规范均只考虑均匀荷载作用，而不考虑非均匀荷载.表1～4是4本规范中主要参数的取值规定［1－5］.ASCE规范和NBC规范把屋面分光滑和非光滑2种，此处给出的只是对非光滑屋面的规定.

不失普遍性，若ASCE规范中的Ce、Ct与I，NBC规范中的Is、Cw，EU规范中的Ce、Ct均假设为1.0，NBC规范中的Cb取0.8，考虑屋面雪荷载与基本雪荷载的比值可以看到，我国规范在α≤30°时要明显大于、而在α≥30°时小于另外3本规范.另外，我国规范认为在屋面坡度≥50°时，屋面雪荷载为0，EU规范认为这个临界坡度是60°，ASCE规范和NBC规范则认为是70°.可见，在坡度多大时屋面可以免于雪荷载的问题上，ASCE规范与NBC规范更为保守，EU规范次之，而我国规范最为乐观.目前，相关试验正在进行，以研究是否能将该临界坡度提高到60°或70°.

表1 我国规范中μr与屋面坡度α的关系

表2 ASCE规范中Cs与α的关系(Ct≤1.0时)

表3 NBC规范中Cs、Ca与α的关系

表4 EU规范中μi与α的关系

2.2 双坡屋面

对于双坡屋面，4本规范均要求考虑非均匀荷载.而均匀荷载的计算方法与单坡屋面相同，故本小节只讨论非均匀荷载.以后各小节也将专注于非均匀荷载的对比.

我国规范在迎风面取 0.75 μr，背风面取1.25μr.EU 规范与此相似，迎风面取 0.5 μ1，背风面取μ1.而NBC规范则规定迎风面为0，背风面取(1.0～1.25)倍均匀荷载，见表5.

ASCE规范根据屋面平面尺寸的大小，将屋面分为W≤6.1 m(20 ft(英尺))和W ＞6.1 m 2种.取值规定见图1［2］，其中 L为屋面升高1个单位时对应的水平方向上的长度，hd为堆雪高度(ft)，γ为积雪密度(pcf，磅每立方英尺).

对于双坡屋面的非均匀分布积雪荷载，尽管4本规范的主要思想一致，均认为迎风面积雪荷载有所减小，而背风面则有所增加.但是，在具体到有多少积雪从迎风面转移到背风面及在背风面如何重分布的问题上，4本规范却不尽相同.我国规范认为在风的作用下，迎风面上积雪的侵蚀量为25%，ASCE规范、NBC规范和EU规范分别认为是70%、100%和50%.显然，我国规范对风的作用的估计最小.在背风面上，除ASCE规范认为部分积雪集中在距屋檐一定距离的矩形范围内之外，其他3本规范都认为积雪是均匀分布的.

表5 NBC规范中非均匀分布荷载的形状系数

图1 ASCE规范中双坡屋面的雪荷载取值

O'Rourke等［6］针对积雪漂移所做的研究表明，ASCE 7－05对双坡屋面的规定在大多数情况下过于保守，只有在屋面宽度处于7.6～15.2 m(25～50 ft)时才勉强可以接受.类似的工作也需尽快在我国开展，以确定更合理的屋面雪荷载.

2.3 拱形屋面

对于拱形屋面，我国规范只考虑均匀分布的情况，雪荷载分布系数 μr=l/8 f且0.4≤μr≤1.0.与坡型屋面一样，当屋面切线角达到50°时雪荷载为0.

ASCE规范根据屋檐处切线角不同，分为3种情况，若以αe表示屋檐处的切线角，则这3种情况分别为 αe＜30°，30°≤ αe≤70°和 αe＞70°.图2［2］给出了 αe＞70°时的取值情况.可以看到，ASCE认为堆雪荷载在屋面切线角等于30°时取最大值，其峰值为2 PfC/Ce，其中 C是指屋面切线角为30°时对应的倾斜系数.此峰值约为平屋面雪荷载的2倍.

NBC规范把拱形屋面也分为光滑和非光滑2种.如前所述，只讨论更具广泛性的非光滑屋面的规定.同ASCE规范一样，NBC规范也认为雪荷载在屋面切线角等于30°时取得最大值，其值见图3［3－4］.其中情况(Ⅱ)直接给定了峰值的具体数值，情况(Ⅲ)的峰值为地面雪荷载的2倍.

EU规范的取值见图4［5］，2个三角形的荷载峰值分别为0.5 μ3和 μ3，其中 μ3计算式为

当 β ＞60°时，μ3=0;

当 β ≤60°时，μ3=0.2+10 h/b，且 μ3≤2.0.式中:β为屋面切线角，h为矢高，b为跨度.按常见矢跨比1/8～1/5计算，雪荷载峰值为1.45～2倍的基本雪压.

图2 ASCE规范中拱形屋面的雪荷载取值

图3 NBC规范拱形屋面非均匀雪荷载取值

图4 EU规范拱形屋面非均匀雪荷载取值

我国规范明显不同于另外3本规范的地方:没有考虑非均匀分布的工况.ASCE规范、NBC规范和EU规范对此的规定也不尽相同.ASCE规范认为迎风面上雪荷载为0，背风面荷载峰值出现在屋面切线角等于30°的地方.NBC规范与之类似.而EU规范则认为迎风面和背风面都有三角形荷载，峰值出现在屋脊两侧各自中点处，迎风面的峰值是背风面峰值的50%.另外一个区别，正如前面所提，我国规范认为屋面切线角达到50°时雪荷载为0，ASCE规范与 NBC规范认为是70°，而 EU 规范认为是60°.

Hochstenbach等［8］的研究表明，对于矢跨比大于1/8的拱形屋面，计算所得的屋面非均匀荷载视地区不同或小于或大于ASCE和NBC规范的规定，相应的规范条文总体来说可以接受.该研究同时表明，即使是矢跨比小于1/8的拱形屋面，也存在非均匀分布的雪荷载，因此把矢跨比小于1/8的拱形屋面看成平屋面而不设计非均匀分布雪荷载，将是危险的.文献［9－10］也显示，拱形屋面上的非均匀荷载确是存在.如此看来，对我国规范的这一规定持怀疑态度，是不无道理的.

2.4 高低屋面

我国规范在高低屋面中考虑了堆雪效应的影响，并假定堆雪荷载为矩形，高度为2.0 S0，长度为a=2 h(且4 m≤a≤8 m)，其中h为屋面高差.在此范围之外，雪荷载分布系数均为1.0.这些分布系数均与高屋面的尺寸和形状无关，之后将会看到，这是我国规范有别于其他3本规范的地方之一.

ASCE规范认为不论低屋面处于上风向还是下风向，屋面雪荷载均受堆雪效应的影响，并假设堆雪荷载为三角形.当低屋面处于下风向时，有

式中:hd为堆雪高度(ft)，lu为高屋面的宽度(ft)，当 lu＜25 ft时取lu=25 ft，当低屋面处于迎风面时，堆雪高度取上式的3/4，或将低屋面的宽度代替上式的lu进行计算(取两者中的较大值).

对于堆雪长度W有:当hd≤hc时，W=4hd;当 hd＞ hc时，W=4hd2/hc，且堆雪高度取hc.并且任何情况下均应满足W≤8hc，其中hc为屋面高差(ft).

NBC规范根据高屋面的结构形式，分为2种情况，2种情况下堆雪荷载均为三角形.当高屋面是平屋面时，峰值处的形状系数为Ca(0)，并线性减小至1.0.倾斜系数Cs仍按表3进行计算.峰值Ca(0)与堆雪长度Xd的计算方法为

式中:h为屋面高差，hp为高屋面的女儿墙高度，lc=2 w－w2/l为高屋面的特征长度，w为高屋面宽度，l为高屋面长度.

当高屋面是坡屋面时，堆雪荷载在上述规定的基础上，还应增加一部分由于积雪滑落所引起的荷载.对于这部分荷载，NBC规范规定取高屋面朝向低屋面一侧积雪总量的一半，按照三角形分布在低屋面上的堆雪范围内.

EU规范规定，高低屋面中高屋面的雪荷载，根据屋面形式，按照相应计算方法计算.而对于低屋面，其雪荷载形状系数在原有μ1的基础上，还应考虑堆雪效应的影响，EU规范假定堆雪形状为三角形，长度为ls=2 h(5 m≤ls≤15 m).峰值处雪荷载形状系数为μ2=μs+μw，其中μs为考虑高屋面积雪滑落的形状系数，μw为考虑风作用的形状系数.

μs的取值:当 α ≤15°时，μs=0;当 α ＞ 15°时，μs等于高屋面形状系数的一半.

μw的取值:μw=(b1+b2)/2 h≤ γh/Su，γ可以取2 kN/m3.

对于高低屋面，4本规范中只有我国规范对堆雪荷载取矩形，其他3本都是取三角形.而且我国规范中堆雪荷载的分布系数要求取2.0，而没有考虑高屋面的大小、坡度等因素，其他3本规范则都考虑了高屋面的影响;其中，NBC和EU规范都将堆雪荷载分为风力所致和滑落所致两部分.

2010年3月进行的实地测量(图5)显示，在屋面发生高度变化的区域附近，积雪深度的分布更趋于三角形.Cocca等［7］的数值模拟表明，对于宽为15.2～45.7 m(50～150 ft)的阶梯型高低屋面，ASCE的规定基本能让人接受.当屋面尺寸大于此范围时，这些规定则显得过于保守.O'Rourke等［11］和 Taylor［12］分别针对ASCE 规范和 NBC 规范阶梯型屋面堆雪荷载所做的调查研究也表明，现实中观测到的堆雪荷载剖面，确实多为三角形.

图5 哈工大校内某带女儿墙屋面的积雪深度分布

3 结 论

我国规范与ASCE、NBC、EU规范在雪荷载取值方面主要差异:

1)基本计算式的参数过于简单.其他3本规范在确定屋面雪荷载时考虑了诸如环境遮挡、建筑采暖和建筑物的重要性程度等因素.

2)考虑屋面雪荷载与基本雪荷载的比值可见，屋面坡度＜30°时，我国规范要明显大于另外3本规范，而在坡度＞30°时小于它们.我国规范认为屋面坡度＜30°时，屋面上的雪荷载等于当地的基本雪压.但由于受到风和其他相关因素的作用，即使是平屋面，其上的雪压也要比地面上的小［9，13］.但如果想更改这方面的条款，还需要对我国建筑上的雪压做大量实地测量与统计分析.

3)我国规范认为屋面坡度达到50°时，即可不用考虑雪荷载的作用.相比之下，EU规范认为是60°，而ASCE规范和NBC规范则认为是70°，我国规范在这方面取值偏向不安全.初步建议将这一临界值提高到60°.

4)对于双坡屋面，我国规范在迎风面上的取值是最大的.鉴于4本规范对该屋面形式下的雪荷载取值规定差异较大，应开展相应的调查研究与模拟计算，以确定适合我国实际情况的取值规定.

5)4本规范中，只有我国规范没有考虑拱形屋面的非均匀分布荷载.从直观上讲，这是十分危险的.文献［8－10］显示，拱形屋面上的堆雪效应不可忽略.因此我国规范的这一条款需要修订，需要开展具体的研究工作.

6)对于高低屋面，我国规范假设堆雪荷载为矩形，其峰值为一确定的数值，而与高屋面的尺寸、形状无关.这些假设均有别于其他3本规范.因此可以考虑将我国规范的堆雪荷载形状也修改成三角形荷载，并适当考虑高屋面的影响.

［1］中华人民共和国建设部.GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［2］ASCE.ASCE/SEI 7 －05 Minimum design loads for buildings and other structures［S］.Reston:ASCE Press，2006.

［3］NRC－IRC.National building code of canada 2005 ［S］.Ottawa:NRCC，2005.

［4］NRC－IRC.User＇s guide－NBC 2005 structural commentaries(Part 4 of Division B)［M］.Ottawa:NRCC，2005.

［5］BSI.BS EN 1991－1－3:2003 Eurocode 1－actions on structures－part 1－3:general actions－snow loads ［S］.London:BSI，2003.

［6］O'ROURKE M，DE GAEANO A，TOKARCZYK J D.Analytical simulation of snow drift loading［J］.Journal of Structural Engineering，2005，131(4):660 －667.

［7］COCCA J，O'ROURKE M.Mathematical simulation of 50 year snow drift loads［C］//Structures Congress 2008:Crossing Borders.Vancouver:ASCE，2008.

［8］HOCHSTENBACH F M，IRWIN P A，GAMBLE S L.Parametric studies of unbalanced snow loads on arched roofs［C］//Structures－Building on the Past:Securing the Future.Nashville:ASCE，2004:1－11.

［9］TAYLOR D A.Roof snow loads in Canada ［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，1980，7(1):1－18.

［10］TAYLOR D A.Snow loads for the design of cylindrical curved roofs in Canada，1953 －1980［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，1981，8(1):63－76.

［11］O'ROURKE M，DE ANGELIS C.Snow drifts at windward roof steps［J］.Journal of Structural Engineering，2002，128(10):1330－1336.

［12］TAYLOR D A.Snow on two－level flat roofs－measured vs.1990 NBC loads［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，1992，19(1):59－67.

［13］MELØYSUND V，LISØK R，OLAV H H，et al.Effects of wind exposure on roof snow loads［J］.Building and Environment，2007，42(10):3726 －3736.

Comparison of snow load requirements in design codes used in China，USA，Canada and EU

FAN Feng1，MO Hua－mei1，HONG Han－ping2

(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，gordonmo@163.com;2.Department of Civil and Environmental Engineering，The University of Western Ontario，ON N6A 5B9 London，Canada)

This study compares the snow load provisions recommended in design codes used in China，USA，Canada and the EU.It shows that the basic snow load requirements in Chinese standard are too simplistic to cope with major factors that control the complex roof snow load patterns.The recommended critical roof slope in Chinese standard is the lowest among the considered four design codes.Furthermore，the recommended snow loads for the gable，arched and step roofs in Chinese standard differ from the other three design codes in terms of the snow load pattern.The comparison allowed us to suggest some preliminary modifications to snow load requirements in Chinese standard，although a detailed probability－based calibration is needed to confirm the recommended changes.

snow load provisions;comparison;modifications suggestions

TU312+.1

A

0367－6234(2011)12－0018－05

2010－11－22.

“十一五”国家科技支撑项目:“高性能建筑结构设计关键技术研究”(2006BAJ01B02).

范 峰(1971—)，男，教授，博士生导师.

(编辑 赵丽莹)