关于门刚计算中雪荷载分布系数的讨论

李 丹，郑 月

（国家林业和草原局产业发展规划院，北京 100010）

引言

门式刚架轻型房屋钢结构作为现代化快节奏生产中的一种较为常见的房屋结构形式，其具有施工速度快、空间布置灵活优点、主体材料轻、变形能力强和可回收再利用性等优点。所以门式刚架轻型房屋钢结构在现代工业生产、物流储存等领域应用广泛。

1 门刚结构的设计

1.1 门刚的结构形式和布置

门式刚架有很多种布置，按跨度可以分为单跨、双跨及多跨，按屋面可以分为单坡屋面、双坡屋面及多坡屋面（即多个双坡或双坡与单坡组合的屋面形式），另外还有带毗屋的钢架形式或是内部带辅房或夹层的钢架形式。

1.2 门式刚架的受力特点

一般的门刚厂房设计中所受的荷载包括永久荷载（包含屋面围护结构自重、各设备及消防管线自重）、竖向可变荷载（其中活荷载与雪荷载为互斥荷载，两者取大值）、风荷载、地震作用及温度作用，另按照2015年发布，2016年实施的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB50009-2012）（以下简称门刚规范）给出的轻型门刚规范适用范围中，钢结构房屋可以布置无桥式吊车或有起重量不大于20 t 的A1~A5工作级别桥式吊车或3 t悬挂式起重机［1］。其中永久荷载及吊车荷载在房屋方案设计时即可得到准确的荷载值，但风荷载与雪荷载会受到自然天气影响，误差较大。因此，门式刚架是一种对雪荷载及风荷载较为敏感的结构形式。

1.3 门式刚架与灾害性天气

全国范围内曾发生过多起暴雪灾害性天气，很多门刚结构房屋厂房被雪压垮，造成了严重的经济损失及人员伤亡。如果只是单纯的降雪，在结构设计中依据《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）（以下简称荷载规范）给出的基本雪压重现期为50 年，及2012 年规范更新之后将对雪荷载敏感的结构在设计时的基本雪压重现期调整为100 年［2］，那么设计时只采用基本雪压进行设计即可，但是在风的作用下，雪会发生飘移，使得整体钢架雪荷载分布并不均匀，会出现实际雪荷载超出设计荷载取值的情况，另外在南方地区，由于早晚温差大，如发生冻融情况也会增加雪的密度，那么按照基本雪压进行设计，便无法包络住实际的最不利工况。

按照《门刚规范》4.3.1 条，雪荷载标准值为屋面积雪分布系数和基本雪压的乘积，即应按式：Sk=μrS0进行计算［1］，其中S0为基本雪压，荷载规范的相关规定选取，按对雪荷载敏感的结构，采用的100 年重现期的雪压；μr为屋面积雪分布系数，且4.3.2 条文解释中给出，《门刚规范》选择了3 种典型的屋面形式，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 的规定给出了屋面积雪分布系数。

但是，值得注意的是，在《荷载规范》表7.2.1屋面积雪分布系数的注1中规定：单跨双坡屋面，仅在当坡度α在20°~30°范围时，可采用不均匀分布情况［2］，即其他屋面坡度时可以只采用雪荷载均匀分布的荷载工况，不进行0.75μr及1.25μr的不均匀分布情况的工况组合来进行设计。由于荷载规范在给出雪荷载不均匀分布系数的表格中，双坡屋面的结构形式只给出了单坡单跨一种，而实际工程中，双坡屋面的结构形式还有双跨双坡和多跨双坡，一般的处理方案为双跨双坡及多跨双坡的雪荷载，屋面积雪分布系数均按单跨单坡选取，包括其他屋面形式也并没有特别标注出钢架的跨数。所以在多数情况下，我们认为规范给出的建筑形态描述，只与建筑外形有关，那么针对表7.2.1注：1的理解，是否也是只要是双坡屋面，不论是单跨双坡还是双跨或多跨双坡结构，均仅在规定坡度范围内才可以采用雪荷载不均匀分布。对此，笔者有不同的理解，下面以某工程实例，说明对此条注释的不同理解及理由。

2 工程案例

2019 年，江西某生产项目中某生产车间厂房，项目所在地区基本风压为0.3 KN/m2（50 年重现期），基本雪压为0.45 KN/m2（100 年重现期），地震设防烈度为6度（0.05 g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类；厂房布置为7 跨双坡，单跨24 m，单坡长度为84 m，檐口高度为10.6 m，屋面坡度4%，折合角度α=2.29°，无天窗，无女儿墙，无高低跨，单就雪荷载取值不会有雪堆积工况产生；柱网平面布置图及标准品布置图详见下图1、图2。

图1 柱网平面布置图

图2 标准品布置图

如果按照此厂房的建筑方案来看，双坡屋面，屋面坡度4 %，参考荷载规范表7.2.1 的注1，那么此项目是不用考虑雪荷载不均匀分布的。

首先，例中这个项目设计时使用的软件为PKPM，因此笔者分别建立了两个计算模型，采用项目中的设计条件，及相同的设计条件分别考虑了雪荷载的均匀分布及不均匀分布，仅针对钢架梁，得出以下结果，详见表1。

表1 考虑积雪不均匀分布对比不考虑积雪不均匀分布应力增加的百分比

另外笔者参考此项目的设计条件，又分别建立了不同跨数情况下考虑均匀雪荷载及不均匀雪荷载的计算对比模型，分别考虑了6 跨双坡、双跨双坡及单跨双坡的情况，同样仅对比了各跨钢梁梁端、钢梁跨中及钢柱的强度、面外稳定及面内稳定的应力计算结果，结论详见表2：

表2 考虑积雪不均匀分布对比不考虑积雪不均匀分布应力增加的百分比

从表中数值可以看出，在考虑了雪荷载的不均匀分布之后，梁的抗弯承载力还有稳定应力均有增加，在6、7 跨双坡屋面结构形式中，更是增加了超过10%，特别是钢梁的面外稳定应力增加到15%以上，只在单跨单坡屋面计算中影响较小。

另外从均布荷载作用下的两端固接钢梁受力分析中也不难得出此结论，单跨双坡结构中单一考虑雪荷载工况，全跨1.0 μr 荷载工况，参考静力计算手册;半跨0.75 μr、半跨1.25 μr 荷载工况，查静力计算手册MA= -，其中2a2+a3),［3］包络计算后得出的端弯矩及跨中弯矩相差不多，但是在多跨双坡屋面中却会出现全跨钢梁1.25 μr的荷载工况。

据刘振清教授在《沈阳市轻钢结构房屋倒塌原因分析》一文中指出，在门刚厂房屋面多个不同观测位置测出的积雪厚度及密度均不相同，在风荷载作用下，积雪沿坡行屋面呈梯形分布［4］。雪灾中发生破坏的厂房，基本都是正常工作生产过多年的结构，有的厂房也经历过较大的降雪天气，但是，在暴风雪天气却发生了破坏。因此，工程设计应选取最不利工况的包络设计。

此外，表7.2.1 屋面积雪分布系数，第10 项，大跨度屋面也同样会产生雪的不均匀分布，当设计的屋面总跨度在此项范围内时（总跨度L＞100 m）应进行包络设计。所以针对“注：1”重新解读，笔者认为可以看作是仅在单跨双坡是参考此条文。

3 相关计算中的规范理解

按现行规范《门式刚架》，门刚梁的面外计算长度取值取钢梁侧向支承点的间距，可以采用系杆作为侧向支撑，同时檩条与隅撑及钢梁形成的稳定结构也可以作为钢梁的侧向支承条件。在多个项目设计经验中得出，当钢梁侧向支承点间距大于等于两倍隅撑间距时，往往后者会在钢梁的平面外稳定计算中起控制作用，所以檩条的计算选取，对结构的整体稳定起着关键作用，而《门刚规范》4.3.5 第一条指出，“屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用”［1］，若在起始设计方案条件中采用均匀不考虑雪荷载不均匀分布的设计原则，那么檩条设计也会出现未采用最不利荷载工况的设计情况，一旦檩条发生破坏，那么门刚梁也会随之发生失稳倒塌。所以笔者认为即使是单跨单坡的钢架结构形式，在计算檩条时也依然应当采用最不利雪荷载工况及1.25 μr进行设计（有堆积雪荷载时另行考虑）。

4 结论

门式钢架被广泛地用于工业生产等领域，在追求经济的基础上还要保证结构的安全，灾害性天气的发生具有偶然性，一旦发生带来的人身生命安全和财产损失是不可挽回的。在没有吊车及其他外挂荷载的门式钢架结构中，一般都是活荷载起控制作用，活荷载与雪荷载为互斥荷载不同时考虑，但是在对比两荷载时，应注意雪荷载的分布系数，不能只是简单的对比活荷载及基本雪压数值来判断控制荷载，这样很容易忽略实际的最不利工况，尤其是在檩条等维护构件的计算中更容易被忽略，檩条的计算更是影响到结构的整体安全。门式刚架轻型房屋钢结构因为其结构受力特性，所以稳定性计算便尤为重要，一旦单榀钢架破坏很容易发生连续倒塌，所以在设计时一定要考虑全面。