低层金属建筑屋面雪荷载分析
1 概述
低层金属建筑在国内称为轻型钢结构房屋，是一种较新的建筑结构类型，相对于传统的结构形式有其自身特点。国内对它的研究不多，在编制相关结构设计技术规程CECS 102: 98，和修订版CECS 102:
2002[1]时，在设计方法和计算理论上主要参考了美国MBMA1996低层建筑系统手册[2]，EURO
3-ENV1993标准以及AISC LRFD 1993/1996的有关规定。
对于本文特别关注的屋面雪荷载，CECS:102完全执行GB 50009[3]的规定。GB 50009关于屋面雪荷载的规定比较简略，没有考虑低层金属建筑的特性，没有细化和深化相关规定，针对性和可操作性都
不强。
国内金属建筑的建设已有10多年的时间，部分结构开始经历接近于甚至超越设计极限荷载（主要是风荷载和雪荷载）水平的考验。近几年国内发生的金属建筑雪灾破坏事件表明：在强降雪区，机械地采用荷载规范关于雪荷载的相关规定进行结构设计，并不能完全保证结构的安全性。这是CECS:102
有待于完善的一个方面。
本文主要结合雪灾案例，分析了金属建筑结构的屋面雪荷载的特性，详细介绍了MBMA有关金属建筑屋面雪荷载的有关规定，并比较了GB 50009和BS 6399、ASCE 7（MBMA）雪荷载规定的差异，提出
了相关规范雪荷载条文修订的建议。
2.金属建筑结构雪灾分析
2.1 雪灾案例介绍
2007年3月初，沈阳地区遭遇56年来最大的暴风雪[4]。当地气象台资料降雪量49mm，积雪深度达36cm，伴随强烈东北风，平均风力7-8级，最大阵风9-10级。雪灾中大量轻型钢结构房屋或轻型钢结构屋面房屋受损或倒塌，但传统的钢筋混凝土和砖混结构房屋没有关于破坏的报道。调查表明，有
几个现象值得重视：
1) 屋面局部积雪深，局部破坏严重，相关区域主要为雨棚顶、女儿墙内侧、高低屋面的低屋面-墙面交接处、南侧有高墙处等等，局部积雪深达1.5-2m，高低屋面处积雪最深甚至超过2m。局部最大积
雪荷载应不小于2m*150kg/m3=3.0 kN/m2。
2) 积雪含水量大，雪密度大，实际测试的结果为180kg/m3，大于东北地区平均雪密度值150kg/m3。
平均雪荷载达0.65kN/m2，已超过沈阳100年一遇雪压值。
3) 观察到地面墙脚处积雪最大深度超过3m的现象，该处积雪（包括高低屋面出屋面墙面处的积雪）
会对墙面产生侧向压力，破坏维护系统。
4) 南半坡屋面（背风方向）大量积雪。观察到多跨房屋背风半跨倒塌的现象。
案例2：2007年3月3日，天津地区下了一天的大雨，3日夜间至4日降下暴雪，地面积雪深度约25cm。部分钢结构厂房屋面L型角区低屋面积雪深约达1.6m，出现破坏现象。部分如下：某钢构公司厂房，高差约2m的低屋面檩条屈曲大幅度折线下挠；某汽车公司厂房，无女儿墙，檐口下约5m处雨棚坍塌；某纺织公司厂房，四周有高出屋面约4m的房屋，角部屋面局部坍塌。
以上雪灾破坏现象，除局部构件如雨棚、女儿墙，出屋面墙面的破坏外，屋面系统破坏的严重程度基本上可以用檩条系统的变化来描述：（1）局部檩条产生较大变形，雪荷载消减后回弹；（2）局部檩条屈曲折线下挠，在屋面上形成“水坑”，伴随屋面板起伏、开裂；（3）屋面系统（含檩条）局部坍塌；（4）檩条屈曲，屋面系统破坏带动屋面梁倾覆，结构系统坍塌。
从屋面均布雪荷载值来看，沈阳地区雪压超过了设计值0.50kN/m2，局部雪荷载严重超过设计值。天津（塘沽）地区屋面均布雪荷载值只是接近设计值0.40（0.35）kN/m2，但局部雪荷载严重超过了设计值。
2.2结构安全储备的概念
有观点认为：雪灾现象表明金属建筑结构系统安全储备低，并认为安全储备低是该类结构的缺点，从而把房屋雪灾倒塌归咎于结构体系本身，进而否定金属建筑结构（门式刚架轻型房屋钢结构）的安全性，否定金属建筑结构存在的合理性。本文认为其有失偏颇。
结构设计的原则是安全、经济、合理。而安全和经济是矛盾的两个方面，从安全的角度来看，结构设计的安全储备越高越好，从经济的角度来看，安全储备越高越不经济，这需要找到平衡点，同时，我们不能用安全储备的高与低来评价结构体系或结构设计的优与劣。
我国建筑结构设计规范和规程都是依据《建筑结构可靠度设计统一标准》规定的原则编制，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按分项系数表达式进行计算。满足γ0S≤R即认为是安全的。 建筑结构设计规范根据建筑的重要性、结构形式的差异、构件类别的差异，通过提高荷载水平（如抗震）、采用不同构造措施（如宽厚比）、采用不同的计算理论（如屈曲后强度利用）等来体现对结构安全性和经济性的不同要求和平衡。本质上是通过调整荷载水平或内力水平来保证结构的安全性。 建筑结构设计规范并没有“安全储备”的概念和要求。总体上讲，在充分考虑了建筑物的功能要求和使用要求，确定了荷载水平后，设计结果R越接近γ0S越合理。但设计师在具体实施项目设计时，基于自己主观判断，R相对γ0S多少有一定的余量空间，这个空间就是通常意义上的安全储备。安全储备和安全性是不同的概念。
结构设计除了强度指标和稳定性指标（安全性要求）外，还有刚度指标（适用性要求），轻型钢结构构件大部分是刚度指标起控制作用，这表明，即使超载作用达到了γ0S=R，结构在倒塌前仍然具备可观的超限承载力。
一般的理解，即使出现较大幅度的超载现象，如30%以上，结构破坏也是一个概率问题，沈阳雪灾较多地出现倒塌现象多少有些费解。而对于天津地区，只是局部超载，也出现了屋面局部坍塌现象，同样出乎意料。
排除了设计错误的影响后，就不关乎安全储备问题了。应该从雪灾中表现出的反常现象入手，通过分析结构本身的荷载反应特征来寻求解释。
2.3 结构反应分析
1）金属建筑结构的总体荷载水平
首先，低层金属建筑的显著特征是自重轻，通常檩条和屋面维护系统自重约0.15kN/m2，整个屋盖系统自重约0.25kN/m2。
其次，屋面活荷载小。对于不上人屋面，GB 50009规定屋面活荷载为0.50kN/m2，对于金属建筑，在大部分情况下（构件受荷水平投影面积大于60m2时）可以折减为0.30kN/m2，这比MBMA[5]（同ASCE 7-98[6]）和BS 6399确定不上人的值要低很多。MBMA规定不上人屋面活荷载为0.96kN/m2，在大部分情况下（构件受荷水平投影面积大于56m2时）可以折减为0.58kN/m2；BS 6399[7，8]规定为0.75kN/m2，在有雪荷载的情况下为0.60kN/m2。
虽然我国总体雪荷载不大，但对于金属建筑屋盖系统塌陷问题，在大部分降雪区（基本雪压大于
0.30kN/m2），含雪荷载的荷载组合基本上起控制作用。
对于沈阳雪灾，实际雪压大约为0.65kN/m2，相对于设计雪压0.50kN/m2，超载值为0.15kN/m2，对于屋盖倒坍塌问题，控制荷载组合为(1.2D+1.4S)，整体荷载超载比例约为(1.4*0.15*1.25) /(1.2*0.25+1.4*0.5*1.25)=22%。非积雪区檩条和屋面板荷载超载比例约为
(1.4*1.25*0.15)/(1.2*0.15+1.4*1.25*0.5)=23%。可见，雪荷载超载值虽然很小，但荷载超载比例却很大。
可见，由于低层金属建筑结构的总体荷载（恒载加活载）水平低，较小的荷载值变化也会引起较大的应力水平变化，金属建筑结构对雪荷载反应敏感。
2）局部荷载分布形式的影响
金属建筑结构屋面檩条的间距一般为1.5m，在檐口、屋脊、高低屋面处以及端跨处可能会更小。显然局部堆积雪荷载对檩条的安全性在很大程度上起控制作用。
参考GB50009规定和条文说明，假设堆雪区檩条间距为1m，堆雪宽4m，结构设计时，高低屋面低屋面局部均匀堆雪分布系数取2.0。反推成接近于真实情况的三角形分布，则最大分布系数应取3.0。该区域对应5根檩条，假设雪载均布，各檩条的荷载水平都记为1，相应地，在三角形分布条件下，从积雪最深处檩条开始，各檩条的荷载水平依次约为1.44，1.25，1.00，0.75，0.56。可见按局部雪载均布设计，有2根檩条荷载值严重偏低；有两根檩条荷载值严重偏高。
这表明，金属建筑结构（有檩系统）对荷载分布的尺度也是很敏感的，对局部荷载作等效分布处理一般不会影响主体结构设计结果，但会严重影响局部檩条的安全性和经济性。
3）局部堆雪模型
对于沈阳案例，按均布雪荷载为0.65kN/m2考虑，仍假定堆雪区檩条间距为1m，堆雪宽4m，高低屋面低屋面局部均匀堆雪分布系数取2.0。堆积雪区边区第2根檩条的理论超载幅度为： (1.4*2*0.15)/(1.2*0.15+1.4*2*0.5)=25%（按均布假定）
(1.4*3.25*0.15)/(1.2*0.15+1.4*3.25*0.5)=28%（按三角形分布假定，分布系数最值为4） 按实际观察到的最大局部积雪状态（三角形分布，分布系数最值为4.6，对应的最大雪压为3.0 kN/m2，）计算堆积雪区边区第2根檩条实际超载幅度： [1.4*(2.4-2*0.5)]/(1.2*0.15+1.4*2*0.5)=124%
如果按GB50009条文说明，假定局部积雪为三角形分布，最大分布系数取4.0，堆积雪区边区第2根檩条的超载幅度为：
{1.4*[2.4-(3.25*0.5)]}/(1.2*0.15+1.4*3.25*0.5)=44%
对于天津案例按均布雪荷载为0.33kN/m2，理论上没有超载。积雪区檩条布置和积雪区宽度假定同前问。按实际观察到的最大局部积雪状态（三角形分布，分布系数最值为6.4，对应的最大雪压为2.08kN/m2，）计算堆积雪区边区第2根檩条实际超载幅度：
[1.4*(1.58-2*0.4)]/(1.2*0.15+1.4*2*0.4)=84%
如果按GB50009条文说明，假定局部积雪为三角形分布，最大分布系数取4.0，堆积雪区边区第2根檩条的超载幅度为：
{1.4*[1.58-(3.25*0.4)]}/(1.2*0.15+1.4*3.25*0.4)=22%
以上计算表明：沈阳雪灾檩条严重超载达124%，天津暴雪檩条严重超载达84%，没有人会提出檩条应有接近一倍的安全储备，所以屋面坍塌应解释为因檩条严重超载所致。如果设计时采用GB 50009条文说明里提到的雪荷载三角形分布系数，则相应超载幅度降为44%（比理论值28%大）和22%（理论上没有超载），此时，应该不会出现太多的屋盖系统倒塌的现象。
由于掌握的积雪现象资料有限，以上计算在定量方面不一定准确，但在定性方面则有重要的参考意义。可见，机械地采用GB 50009关于屋面局部堆雪均布规定设计檩条系统是不不合适的，即使按GB 50009条文说明指出的三角形堆雪考虑屋面积雪，最大分布系数统一规定为4也是不合适的，实际上观察到了更严重的局部积雪现象。
4）金属建筑结构系统特性
金属建筑结构只有形成一个整体才具备抵抗外部荷载作用的能力，金属维护面板（还有檩间拉条）事实上为檩条提供一定的侧向支撑（螺钉板的支撑作用会作为安全储备，计算时不考虑），檩条系统又为刚架系统构件提供平面外支撑。一个构件的破坏，会带来连锁反应而导致系统的破坏。
前文雪灾案例中，都可以观察到螺钉板的破坏，进而檩条屈曲扭转。如果面板系统完整，檩条和屋面会象膜一样下凹张紧，但不会坍塌。当面板和拉条破坏，檩条失去平面外支撑，檩条就会严重扭转。当檩条非连续布置时，檩条容易因螺栓连接处破坏而坍塌。不利的是，局部积雪区大多对应于刚架屋面梁的负弯矩区，该区域隅撑为梁的下翼缘提供平面外支撑，檩条的大变形、屈曲、扭转、坍塌都会使对应的隅撑失去应有支撑作用，导致屋面梁扭转，离开平衡位置，丧失部分或全部承载力，即使总体上没有超载，结构也会坍塌。当采用连续檩条时，屋面系统的整体性强，相对而言不容易坍塌。 对于沈阳雪载，屋面中间区域檩条系统和主体结构超载约23%，一般意义上讲，在这一幅度超载作用下，结构不应该大面积出现整体倒塌现象；另外，局部构件破坏不会导致结构整体倒的塌。考虑到前文提及金属建筑结构的系统特征，就比较容易理解了。
2.4 小结
基于以上分析，提出以下观点：
1） 金属建筑结构是雪荷载（幅值和尺度）敏感结构，必须细致准确地计算其荷载值。 2） 局部积雪严重超过设计值是屋面破坏和结构坍塌的根本原因。
3） 不能因为某类结构因超载出现了破坏而降低对该结构体系的安全性评价。 4） 应重视雪荷载理论研究，以及相关规范雪荷载条文的合理性研究。