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抵抗風(fēng)災(zāi)雪災(zāi)的輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者：王賽寧 李文波 牟蘭 韓小紅 李祝元 郭啟勇    
時(shí)間：2011-12-01 17:19:58 [收藏]
本文著重介紹了美國MBMA96 和FM關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的風(fēng)荷載及雪荷載設(shè)計(jì)方法和規(guī)定，并與荷載規(guī)范GB5009-2001的相應(yīng)規(guī)定的差異進(jìn)行了比較，對(duì)國內(nèi)輕鋼房屋的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)、雪堆積及分布提出一些建議。
    關(guān)鍵詞：低層房屋 設(shè)計(jì)風(fēng)壓 壓力系數(shù)

    前言
    20世紀(jì)90年代以來，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速，特別是輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展更是，如火如荼。輕鋼結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)相比，具有本身自重輕，構(gòu)件薄，結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)少等特點(diǎn)，故對(duì)風(fēng)吸力及雪荷載的漂移和堆積較為敏感，在這些方面，我國還缺乏理論研究和實(shí)踐認(rèn)知。不容回避的事實(shí)是，每當(dāng)各地有大的風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)發(fā)生時(shí)，就會(huì)造成輕鋼結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。仔細(xì)研讀美國規(guī)范（MBMA96）中有關(guān)風(fēng)、雪荷載設(shè)計(jì)的規(guī)定，不難發(fā)現(xiàn)我國目前的荷載規(guī)范，在這些方面的規(guī)定尚有待改進(jìn)和完善。希望借2007年3月4日沈陽地區(qū)的雪災(zāi)及2004年浙江臺(tái)州第14號(hào) “云娜” 臺(tái)風(fēng)的影響，結(jié)合 MBMA96的相應(yīng)規(guī)定，得出符合我國國情的雪荷載堆積及分布的建議。
     
    1．低層房屋建筑系統(tǒng)手冊(cè)(LOW RISE BUILDING SYSTEMS MANUAL)
    《低層房屋建筑系統(tǒng)手冊(cè)》（1996）版（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）是由美國鋼結(jié)構(gòu)房屋制造商協(xié)會(huì)(METAL BUILDING MANUFACTURE ASSOCIATION)編纂的技術(shù)規(guī)程。它反映了美國在低層鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑系統(tǒng)方面幾十年的研究成果和經(jīng)驗(yàn)積累。其關(guān)于低層建筑風(fēng)荷載的取用和計(jì)算部分是該手冊(cè)的精華所在，使其成為輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的參考資料之一。我國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)主編的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102:2002) 中的風(fēng)荷載體型系數(shù)即參考和引用自該書。
    需要說明的是美國的規(guī)范、規(guī)程允許多種新舊版本并存，如MBMA 2002 為最新版規(guī)程，但MBMA 86 和MBMA 96迄今仍是應(yīng)用最為廣泛的版本。
    1.1 低層房屋的定義
    該手冊(cè)中低層房屋指屋面為平屋面、坡度小于30°的單坡屋面、雙坡屋面，屋面平均高度小于60英尺（約18米），檐口高度不大于建筑物最小平面尺寸的已完工建筑物。之所以有這樣的要求，是由于其風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是在紊流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得的，而用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究模型具有上述幾何特點(diǎn)，所以當(dāng)建筑物不滿足該項(xiàng)要求時(shí)，應(yīng)參照其它規(guī)程（如ASCE-7 或UBC 等）確定風(fēng)荷載值。
    自然界中的流體運(yùn)動(dòng)（例如風(fēng)）存在著二種不同的形式：一種是層流，看上去平順、清晰，沒有摻混現(xiàn)象，例如靠近燃燒著的香煙頭附近細(xì)細(xì)的煙流；另一種則顯得雜亂無章，看上去毫無規(guī)則，例如煙囪里冒出來的滾滾濃煙，這就是湍流，也叫紊流。雖然國內(nèi)外的風(fēng)荷載研究均是建立在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，但不同規(guī)范之間由于其適用對(duì)象的不同、研究手段的差異，使風(fēng)荷載計(jì)算值相差較大，因此根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，選擇合適的規(guī)范非常重要。一般說來，當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象為多、高層建筑時(shí)，應(yīng)選用主要以層流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為研究基礎(chǔ)的規(guī)范，如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》；當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象為低矮建筑時(shí)，應(yīng)選用主要以紊流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為研究基礎(chǔ)的規(guī)范，如《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。有些人認(rèn)為兩種風(fēng)荷載計(jì)算方法并存是不合理的，然而這非但不是“不合理”的，反而恰恰是對(duì)自然界真實(shí)的、合理的、科學(xué)的反映。還有些人認(rèn)為采用哪個(gè)規(guī)范計(jì)算偏安全，就采用那個(gè)規(guī)范，這樣的觀點(diǎn)也是不科學(xué)的，如果實(shí)驗(yàn)研究證明它只會(huì)承受那么大的風(fēng)荷載，設(shè)計(jì)中就取用那么大的風(fēng)荷載就可以了，人為去放大它是沒有科學(xué)依據(jù)的。
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    需要注意的是公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義與國內(nèi)風(fēng)速是不同的，國內(nèi)風(fēng)速測(cè)量時(shí)距為10分鐘定值，而里程風(fēng)速測(cè)量時(shí)距是長度為一英里的空氣通過風(fēng)速計(jì)所需要的時(shí)間。因此對(duì)不同的風(fēng)速值，其測(cè)量時(shí)距是變值。所以不能通過簡(jiǎn)單的單位換算后，對(duì)兩種風(fēng)速進(jìn)行大小比較。中國基本風(fēng)壓與美國里程風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見表2。
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    風(fēng)荷載的重要性系數(shù)反應(yīng)的是，對(duì)不同重要性的建筑物須采用不同重現(xiàn)周期的風(fēng)速，通過系數(shù)1.07和0.95 分別將50年一遇里程風(fēng)速調(diào)整為100年一遇及25年一遇的里程風(fēng)速。
    對(duì)于一棟建筑，只對(duì)應(yīng)一個(gè)q（速度風(fēng)壓）值，用于計(jì)算整個(gè)建筑系統(tǒng)不同構(gòu)件的風(fēng)荷載值，并且不隨構(gòu)件所處的標(biāo)高變化而變化，這是與國內(nèi)規(guī)范的不同點(diǎn)之一。
    GCp 是主框架或構(gòu)件的組合壓力系數(shù)峰值，其中G表示陣風(fēng)反應(yīng)系數(shù)，是一個(gè)考慮了風(fēng)的紊流而取的放大系數(shù)；CpI內(nèi)部壓力系數(shù)，CpE外部壓力系數(shù)，Cp組合壓力系數(shù)（相當(dāng)于內(nèi)部壓力系數(shù)和外部壓力系數(shù)組合后的系數(shù)）。由于研究過程中進(jìn)行了廣泛的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，借助傳感器“峰值系數(shù)”是可以監(jiān)測(cè)到的，它就是GCp，所以在本規(guī)程中G和Cp總是以乘積的形式出現(xiàn)，并不真的有獨(dú)立的陣風(fēng)反應(yīng)系數(shù)值或組合壓力系數(shù)值。CpE外部壓力系數(shù)在物理意義上相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范中的“風(fēng)載體型系數(shù)”。
     (H/33)2/7 即地面粗糙度系數(shù)KZ ，相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范中的“風(fēng)壓高度變化系數(shù)”，需要指出的是，該規(guī)程在確定風(fēng)荷載時(shí)，并未對(duì)不同建筑物所在場(chǎng)地的地面粗糙度進(jìn)行區(qū)分，而是偏安全的統(tǒng)一取為C類（相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范B類地面粗糙度，µzB=(z/10)0.32）。所以在手冊(cè)中該值僅與建筑物屋面平均高度有關(guān)。
    美國規(guī)范中地面粗糙度類別定義如下：
     A類：大城市中心周圍有超過50%的建筑物高度超過70英尺（約20米）；
     B類：市內(nèi)或郊區(qū)，樹木繁茂區(qū)或密集住宅及較大建筑物；
    C類：開闊地區(qū)或零星阻擋物；
    D類：平坦區(qū)域無阻擋物阻礙風(fēng)吹過。
    分別對(duì)應(yīng)國內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的D~A類“地面粗糙度”。
    1.3 風(fēng)荷載大小的確定
    1.3.1 建筑物的類型
    建筑物的內(nèi)部壓力是由所謂“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”產(chǎn)生的。迎風(fēng)面墻上的開口使風(fēng)吹入房屋內(nèi)部，此時(shí)就如同吹氣球一樣， 產(chǎn)生一個(gè)作用于所有屋面、墻面的內(nèi)部壓力。當(dāng)開口位于背對(duì)風(fēng)(或側(cè)對(duì)風(fēng))墻上時(shí)，由于該位置為風(fēng)荷載的負(fù)壓區(qū)，部分空氣由室內(nèi)流失，產(chǎn)生一個(gè)作用于所有屋面、墻面的內(nèi)部吸力，由此可見開口與建筑物的內(nèi)部壓力關(guān)系緊密。這里說的的開口（Opening）是指建筑物表面永久性的無有效遮蔽的，并且是根據(jù)設(shè)計(jì)要求留設(shè)的洞口。該規(guī)程根據(jù)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻面)上開口的面積率和分布情況的不同，將建筑物分為以下三類：
    封閉式建筑（Enclosed Buildings）是指在其圍護(hù)結(jié)構(gòu)上無開口或開口分布相對(duì)均勻的建筑物, 封閉式建筑的內(nèi)部壓力主要來源于外墻面門窗的開關(guān)，室內(nèi)門窗的開關(guān)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破損和開口等情況，其內(nèi)部壓力系數(shù)CpI可取為+0.2（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.2（吸風(fēng)效應(yīng)）。
    對(duì)于可有效承受風(fēng)荷載的門窗，可不作為開口考慮。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮門、窗、墻面采光板等建筑附件的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，否則門窗一旦在風(fēng)壓下破損，將改變建筑物的內(nèi)部壓力，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。
    部分封閉式建筑（Partial Enclosed Buildings）是指墻面開口主要集中于一面墻上，該面墻上的開口面積之和大于該墻面積的5%，同時(shí)超過其余墻面及屋面開口面積總和 ，且其余墻面及屋面開口面積總和不超過其余墻面及屋面總和的20%的一類建筑物。這一類建筑物的特點(diǎn)是，有大開口，且分布極不均勻。 其內(nèi)部壓力系數(shù)值CpI可取為+0.6（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.3（吸風(fēng)效應(yīng)）。
    開敞式建筑物（Open Buildings）是指至少有80%的墻面開敞的建筑物。
    凡不符合部分封閉式建筑和敞式建筑物定義的，均應(yīng)視為封閉式建筑物。

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    Z ---- 建筑邊緣帶寬度，取建筑最小水平尺寸的10%或0.4H中的較小值， 但
    不得小于0.04B或3英尺（約 1 米）；計(jì)算剛架時(shí)的房屋端區(qū)寬度取Z(橫向)和2Z(縱向)；
    H ---- 屋面平均高度，對(duì)于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度；
    r ---- 屋面中區(qū)；
    s ---- 屋面邊區(qū)；
    c ---- 屋面角區(qū)；
    w ---- 墻面中區(qū)；
    e ---- 墻面邊區(qū)。
     
    1.3.3 剛架(Main Framing)組合壓力系數(shù)的確定
    剛架的橫（縱）向組合壓力系數(shù) GCp可直接通過查表獲得，見表3、表4。
    由于風(fēng)可以從任意方向吹來， 內(nèi)部壓力系數(shù)應(yīng)根據(jù)最不利原則與外部壓力系數(shù)組合，從而得到風(fēng)荷載的控制工況。該規(guī)程通過“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”分別與外部壓力系數(shù)組合得到兩種工況： 工況I為鼓風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合； 工況II為吸風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合。
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    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的“剛架的風(fēng)荷載體型系數(shù)”表 A.0.2-1中，橫向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況I，而縱向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況II。理論上講結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩種工況均應(yīng)考慮，并取用最不利工況下的荷載，通過比較我們發(fā)現(xiàn)一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規(guī)程所推薦的那兩種組合。
    需要注意的是MBMA規(guī)程規(guī)定：橫向風(fēng)作用時(shí)，當(dāng)房屋端區(qū)寬度（既2Z）小于端柱距尺寸時(shí)，端區(qū)比中區(qū)額外大出的那部分風(fēng)荷載可直接作用于端剛架，并不在端剛架與相鄰中間剛架之間進(jìn)行分配?？紤]到端剛架剛度往往較中間剛架剛度大得多，所以這樣的做法是合理的。
    由于在風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移是一個(gè)關(guān)于使用功能方面（正常使用極限狀態(tài)）的要求，而非強(qiáng)度或穩(wěn)定方面（承載力極限狀態(tài)）的要求，因此手冊(cè)建議計(jì)算側(cè)移時(shí)采用一個(gè)較低的（10年）重現(xiàn)期的風(fēng)載，即0.75 p。實(shí)際上風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移值遠(yuǎn)小于按普通方法分析得出的計(jì)算值，原因是分析中未考慮蒙皮效應(yīng)，及工程鉸的抗彎剛度等因素。
    1.3.4 附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(Components and Cladding)組合壓力系數(shù)的確定
    附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含的構(gòu)件的種類較多，其組合壓力系數(shù)GCp分別在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有詳盡描述，在此不再重復(fù)講述，僅談幾個(gè)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題：
    圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合壓力系數(shù)為有效受風(fēng)面積（Effective Wind Load Area）的函數(shù)，并與其線形相關(guān)。有效受風(fēng)面積僅用于確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合壓力系數(shù)，與受荷面積是完全不同的兩個(gè)概念，設(shè)計(jì)中應(yīng)加以區(qū)分。
    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中給出的組合壓力系數(shù)均為屋面角£10°的情況，由于組合壓力系數(shù)對(duì)屋面角很敏感，因此對(duì)屋面角>10°的情況應(yīng)參考“手冊(cè)”相應(yīng)條件下的系數(shù)。
    “手冊(cè)”允許當(dāng)屋面角£10°時(shí)，墻面組合壓力系數(shù)減少10%。
    當(dāng)構(gòu)件同時(shí)位于兩個(gè)分區(qū)時(shí)，如端開間的檁條和墻梁，應(yīng)判斷采用邊區(qū)還是中區(qū)的系數(shù)，“手冊(cè)”建議當(dāng)構(gòu)件超過一半的長度位于邊區(qū)內(nèi)時(shí)，采用邊區(qū)系數(shù)；反之則采用中區(qū)系數(shù)。
    出屋面女兒墻組合壓力系數(shù)迎風(fēng)面為+1.3，背風(fēng)面為-1.3，這與國內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定是相同的。
    2．FM 的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)
    FM（Factory Mutual Insurance Company）是美國“FM Global”的簡(jiǎn)稱，它是世界上最主要的工商財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)組織之一，其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”，1999年美國三家最大的“FM”保險(xiǎn)公司(Allendale Insurance， Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機(jī)構(gòu)FMRC（Factory Mutual Research Corp.）發(fā)布的屋面系統(tǒng)抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、抗風(fēng)測(cè)試及產(chǎn)品認(rèn)證在全世界得到廣泛的認(rèn)可，并在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面設(shè)計(jì)、制作、安裝過程中得到廣泛的借鑒和應(yīng)用，為眾多（被保險(xiǎn)或未被保險(xiǎn)的）企業(yè)避免或降低了風(fēng)災(zāi)損失。這其中許多內(nèi)容是值得國內(nèi)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作單位借鑒的。
    FM風(fēng)荷載設(shè)計(jì)所要遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（FM Global Property Loss Prevention Date Sheets）主要有如下幾個(gè)：
    LPD 1-28      Design Wind Loads    
    LPD 1-31      Metal Roof System                                          
    LPD 1-54      Roof Loads for New Construction (gravity loads)   
    FM的風(fēng)荷載取值源自美國土建工程師協(xié)會(huì)（American Society of Civil Engineers）編纂的ASCE 7 – 98“Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”，（即《建筑結(jié)構(gòu)最小荷載規(guī)范》，它是美國主流荷載規(guī)范之一）。FMRC對(duì)其作了如下修正：
    1．對(duì)所有建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載重要性系數(shù)均取為 I=1.15　，其意義在于將風(fēng)速的重現(xiàn)期由50年調(diào)整為100年；
    2．當(dāng)建筑位于地面粗糙度為A 類地區(qū)時(shí)，地面粗糙度取為B 類；
    3．對(duì)基本風(fēng)速大于等于120mph的有颶風(fēng)的海岸線，地面粗糙度取為C 類；
    4．按10sf （約1m2）有效受風(fēng)面積確定屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓（p）。
    2.1 FM（ASCE 7 – 98）的設(shè)計(jì)風(fēng)壓
    設(shè)計(jì)風(fēng)壓表達(dá)式：p= qz [(G Cpf) -(G Cpi)]
    p ---- 設(shè)計(jì)風(fēng)壓（psf）；
    qz ---- 速度風(fēng)壓（psf）；
     
    qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I
     
                           Kz ---- 地面粗糙度系數(shù)；
                          Kzt ---- 地形條件修正系數(shù)（1.0）；
         Kd ---- 風(fēng)向系數(shù)（0.85）；
                             I  ---- 風(fēng)荷載重要性系數(shù)（1.15）；
    V  ---- 基本風(fēng)速（Basic Wind Speed）指C 類場(chǎng)地10米高度處 3秒陣風(fēng)速度；
    公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義又與MBMA 96 有所不同，其風(fēng)速測(cè)量時(shí)距為3秒，所以其風(fēng)速表達(dá)值較其它規(guī)范顯得偏大。國內(nèi)主要城市的3秒陣風(fēng)速度值，在LPD 1-28中已有規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)僅依據(jù)城市名稱便可查出該值。
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    G Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù)，該規(guī)范規(guī)定：對(duì)封閉式建筑取為+0.18（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.18（吸風(fēng)效應(yīng)）；對(duì)辦封閉式建筑取為+0.55（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.55（吸風(fēng)效應(yīng)）。
    G Cpf為外部壓力系數(shù)，外部壓力系數(shù)分為剛架（Main Wind Force Resisting System）的外部壓力系數(shù)，和附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)（Components and Cladding）的外部壓力系數(shù)。分別見表-6和圖-3至圖-6。
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    圖-4和圖-6中橫坐標(biāo)軸為有效受風(fēng)面積（Effective Wind Load Area），單位為sf（m2），縱坐標(biāo)軸為附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外部壓力系數(shù)。須要注意的是圖-4給出了屋面構(gòu)件的風(fēng)荷載壓力系數(shù)，設(shè)計(jì)中風(fēng)吸、風(fēng)壓應(yīng)分別予以計(jì)算并確定最不利組合。當(dāng)屋面角£10°時(shí)，墻面外部壓力系數(shù)可減少10%。ASCE 7-98 中關(guān)于房屋類型和屋面分區(qū)“a”和“h”值的定義與MBMA 96 相同的。
    FM屋面分區(qū)與前面介紹的MBMA 96 的主要區(qū)別是：
    1．當(dāng)屋面坡角大于10°時(shí)，屋脊處也會(huì)出現(xiàn)邊區(qū)和角區(qū)，見圖-3；
    2．當(dāng)沿建筑物屋面四周有高度超過屋面1米的女兒墻，并且屋面坡角不大于10°時(shí)，角區(qū)由邊區(qū)代替；
    3．FM（ASCE7-98）給出了屋面高度超過18米時(shí)的屋面分區(qū)，這對(duì)多層廠房屋面抗風(fēng)設(shè)計(jì)有較大的指導(dǎo)意義；
    4．角區(qū)僅可能出現(xiàn)在建筑物屋面的陽角處，屋面陰角處為邊區(qū)不出現(xiàn)角區(qū)。
     
    2.2 FM 屋面風(fēng)暴等級(jí)確定
    根據(jù)上述步驟得到屋面中區(qū)有效受風(fēng)面積為10sf （約1m2）的設(shè)計(jì)風(fēng)壓p，便可根據(jù)下表確定屋面中區(qū)的風(fēng)暴等級(jí)。

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    1-60、1-75、1-90等是FM的抗風(fēng)暴等級(jí)，它表示該級(jí)別屋面系統(tǒng)經(jīng)FMRC風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可承受的風(fēng)壓分別可達(dá)60psf (約2.87kn/m2) ，75psf (約3.59kn/m2) ，90psf (約4.31kn/m2)。其中1-60為最低抗風(fēng)等級(jí)，相鄰各級(jí)的級(jí)差為15psf(約0.718kn/m2)。通過觀察我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，所要求抗風(fēng)暴等級(jí)的實(shí)際承載力總是>=2倍的設(shè)計(jì)風(fēng)壓 p，它相當(dāng)于屋面系統(tǒng)得極限承載力。
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    2.3 FM 抗風(fēng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
    1．FMRC抗風(fēng)設(shè)計(jì)側(cè)重圍護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其是屋面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它將不同公司的多種屋面系統(tǒng)根據(jù)其抗風(fēng)能力的大小劃分為1-60,1-90,1-135等幾個(gè)抗風(fēng)暴等級(jí)，而每一級(jí)別的屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)能力認(rèn)證，則完全是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定的。
    2．抗風(fēng)能力是由包括屋面板、檁條、連接件及其相互之間的連接等在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的抗風(fēng)能力所決定的。單獨(dú)某個(gè)構(gòu)件的抗風(fēng)能力是不確定的。
    3．主結(jié)構(gòu)（剛架）抗風(fēng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范（ASCE 7-98）要求即可，并無特殊風(fēng)載要求，抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。
    對(duì)比國內(nèi)，以上幾點(diǎn)恰恰是值得我們學(xué)習(xí)借鑒的。國內(nèi)一般強(qiáng)調(diào)的是單個(gè)的產(chǎn)品，如檁條、屋面板等，缺少“系統(tǒng)”的概念。輕鋼企業(yè)賣給客戶的所謂系統(tǒng)是市場(chǎng)上拼湊來的，少有自己研發(fā)的系統(tǒng)。這一方面反映了我們的市場(chǎng)還處于初級(jí)階段，另一方面也跟我們行業(yè)的大氣侯有關(guān)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資質(zhì)在設(shè)計(jì)院，那么設(shè)計(jì)院必然要根據(jù)市場(chǎng)上的材料供應(yīng)來設(shè)計(jì)項(xiàng)目，所以成了沒有設(shè)計(jì)資質(zhì)的檁條、屋面板的生產(chǎn)廠在領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)，后果可想而知。而設(shè)計(jì)院也很難設(shè)計(jì)出完整的系統(tǒng)，僅就組成屋面系統(tǒng)的各種材料的材料標(biāo)準(zhǔn)一點(diǎn)而言，一般設(shè)計(jì)圖紙很難能說清楚的。在美國，輕鋼企業(yè)是有設(shè)計(jì)資質(zhì)的，不同企業(yè)都能“開發(fā)”出自己的建筑系統(tǒng)，并清楚知道其建筑系統(tǒng)的承載力，市場(chǎng)上賣的是系統(tǒng)，而不是單個(gè)構(gòu)件產(chǎn)品，因此其整體技術(shù)水平較國內(nèi)企業(yè)高，這值得我們效仿。建筑系統(tǒng)的研發(fā)只能寄希望于企業(yè)，應(yīng)當(dāng)容許和鼓勵(lì)輕鋼企業(yè)取得設(shè)計(jì)資質(zhì)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)技術(shù)升級(jí)；同時(shí)適當(dāng)提高行業(yè)準(zhǔn)入門檻，凈化市場(chǎng)環(huán)境，以利于整個(gè)行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。
    痛定思痛，“云娜”臺(tái)風(fēng)給了我們整個(gè)行業(yè)一個(gè)教訓(xùn)，加強(qiáng)輕鋼結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)已刻不容緩。臺(tái)州市建設(shè)規(guī)劃局的災(zāi)后調(diào)查結(jié)論中關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的章節(jié)，句句緊扣圍護(hù)、連接結(jié)構(gòu)，直指面板與次結(jié)構(gòu)的連接破壞為禍?zhǔn)?。這與我們自己的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果是吻合的。我公司的廠房沒出現(xiàn)破損現(xiàn)象，這是我們平時(shí)注重建筑系統(tǒng)的研發(fā)，重視實(shí)驗(yàn)，并較好握了建筑系統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)的必然結(jié)果。
     
    3．雪載漂移和堆積的計(jì)算方法
    3.1  MBMA96雪荷載的取值的規(guī)定：
    MBMA96規(guī)范給出的各個(gè)地區(qū)的雪荷載值，明確為地面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，將地面雪荷載換算出屋面雪荷載時(shí)，首先將屋面種類按其光滑程度分光滑、非光滑；按照周圍環(huán)境狀況劃分為遮蔽、普通、及非遮蔽；按照屋面設(shè)施分為加熱、非加熱。雪荷載在系數(shù)取值時(shí)不僅與屋面坡度有關(guān)，而且與上述情況相關(guān)，從此可看出MBMA96在屋面雪荷載取值的定義時(shí)，同時(shí)考慮了周圍環(huán)境因素、屋面形狀及屋面加熱條件因素的影響，在同一地區(qū)房屋所處環(huán)境不同，屋面雪荷載會(huì)因環(huán)境差異而有差異。
    3.1.1 MBMA96關(guān)于雙坡屋面雪荷載的不均勻分布：
    對(duì)于單屋脊雙坡屋面，當(dāng)屋面傾角2.5≤θ≤15時(shí)，其不均勻形態(tài)為半坡為1.0Pf，而另外半坡為0.5Pf（單跨實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)除外）；當(dāng)屋面傾角15<θ≤70時(shí)，其不均勻形態(tài)為半坡為（1.13、1.30、1.44）*Pf而另外半坡雪荷載為0。其中Pf表示屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值。不均勻系數(shù)1.13、1.30、1.44取值對(duì)應(yīng)屋面周圍環(huán)境為遮蔽、普通及暴露三種情況。
    3.1.2 MBMA96對(duì)于多屋脊屋面，雪荷載的不均勻分布的規(guī)定：
    當(dāng)屋面傾角θ>2.5時(shí)，其不均勻形態(tài)為，屋脊處雪荷載為0.5Pf而在低檐谷位置雪荷載為（1.74、2.0、2.22）Pf。其中Pf表示屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值。不均勻系數(shù)1.74、2.0、2.22取值對(duì)應(yīng)屋面周圍環(huán)境為遮蔽、普通、及暴露三種情況。
     
    3.2 MBMA96雪堆積計(jì)算的規(guī)定
    3.2.1雪堆積的分類：
     雪堆積分為背風(fēng)雪堆積和迎風(fēng)雪堆積。背風(fēng)堆雪是指風(fēng)從高建筑吹向低建筑所引起的雪堆積；迎風(fēng)雪堆積是指風(fēng)從低建筑吹向高建筑所引起的雪堆積。
    3.2.2 雪堆積發(fā)生的情況：
    1,高低錯(cuò)落的相鄰建筑的交界處，包括距離小于6米兩高低建筑低建筑的靠近高建筑的低建筑檐口位置；迎風(fēng)雪堆積與背風(fēng)雪堆積兩種情況取不利者。
    2)檐口或山墻女兒墻與屋面交界處；按迎風(fēng)雪堆積考慮。
    3)雨蓬與主建筑交界處，當(dāng)主建筑有女兒墻時(shí)，按迎風(fēng)雪堆積考慮；當(dāng)主建筑沒有女兒墻時(shí)，迎風(fēng)雪堆積與背風(fēng)雪堆積兩種情況取不利者，通常背風(fēng)雪堆積控制。
    4)高出屋面的小房子或設(shè)備間，當(dāng)凸出屋面建筑水平尺寸超過4.5米時(shí)，應(yīng)考慮凸出建筑與屋面交界處的雪堆積；按迎風(fēng)雪堆積考慮。
    3.2.3 雪堆積的計(jì)算：
     雪堆積高度hd按6-1計(jì)算。當(dāng)式中Wb為高檐口建筑的沿風(fēng)向?qū)挾葧r(shí)，得到背風(fēng)雪堆積高度hd；當(dāng)式中Wb為低檐口建筑沿風(fēng)向?qū)挾葧r(shí)，計(jì)算得hd的50％為迎風(fēng)雪堆積高度hdw=0.50hd；最終將取兩者較大者作為雪堆積高度。
    3.3 MBMA96雪滑移計(jì)算的規(guī)定
    高低錯(cuò)落的建筑除考慮雪堆積之外，當(dāng)較高建筑屋面屋面傾角θ>10時(shí)，低屋面尚應(yīng)考慮雪滑移荷載。其計(jì)算方法較簡(jiǎn)單，就是將雪堆積荷載放大40％。
    3.4 MBMA96雪堆積計(jì)算過程
    MBMA96雪堆積的計(jì)算考慮的高低屋面的長度，高差，及迎風(fēng)與背風(fēng)這些因素來進(jìn)行雪堆積計(jì)算，雪堆積形狀為三角形，如下圖所示。
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    3.4.1 雪堆積計(jì)算過程
    1),計(jì)算出雪堆三角形高度；
    背風(fēng)雪堆積高度計(jì)算：
    hd=0.43*Wb1/3*( Pg+10)1/4-1.5≤hr－ hb
    Wb=高屋面長度，單位英尺（feet）；Pg地面雪荷載，單位psf.
    當(dāng)Wb≤25ft時(shí)，Wb取25ft
    迎風(fēng)雪堆積高度計(jì)算：
    hd=0.50*[0.43*Wb1/3*( Pg+10)1/4-1.5] ≤hr－ hb
    Wb=低屋面長度，單位英尺（feet）
    當(dāng)Wb≤25ft時(shí)，Wb取25ft
    hr＝高低屋面的高差，單位ft
    hb＝從均布雪荷載的厚度，單位ft
    2),計(jì)算雪密度；
    堆積雪荷載的最高點(diǎn)荷載值，Pd，等于hd×γ，γ為雪密度，按照下面的公式確定：
    γ＝0.13 Pg+14≤30pcf
    通過上述方法得到的雪密度，可以用來計(jì)算均布雪荷載的厚度，hb
    hb＝Pf(或Pg)/γ
    3）,計(jì)算雪地堆積范圍的長度。
    對(duì)于迎風(fēng)雪堆積與背風(fēng)雪堆積，堆積寬度Wd按照下面的規(guī)定確定
    當(dāng)，hd≤hr－ hb時(shí)，w＝4hd≤8（hr－ hb）
    當(dāng)，hd> hr－ hb時(shí)，w＝4hd2/4（hr－ hb）≤8hc
     
    3.5 與國家現(xiàn)行規(guī)范雪荷載設(shè)計(jì)規(guī)定的對(duì)比
    3.5.1．荷載規(guī)范中雪荷載取值的規(guī)定
    荷載規(guī)范中提供的雪荷載沒有明確是地面還是屋面雪荷載，通常設(shè)計(jì)人會(huì)直接認(rèn)為是屋面雪荷載。顯然我們并沒有將建筑屋面周圍環(huán)境因素影響考慮到屋面雪荷載取值過程中，從而造成“不管環(huán)境如何在同一地區(qū)不同建筑單體屋面雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值總是相同。”這樣不科學(xué)的計(jì)算方法。
    3.5.2．荷載規(guī)范雪荷載堆積規(guī)定
    雪堆積計(jì)算與現(xiàn)行國家荷載規(guī)范差別最大?，F(xiàn)行國家荷載規(guī)范規(guī)定：雪堆積分布范圍為高差的2倍（且不小于4、不大于8米），即堆積荷載為2.0 Pf ，雪荷載堆積按矩形考慮。其實(shí)雪荷載的堆積形狀為接近三角形，這一點(diǎn)雪后觀察就可發(fā)現(xiàn)。如果高差均為3米，高屋面長100米，低屋面長100米，基本雪壓為0.4kN/m2，按國家規(guī)范計(jì)算出的雪堆積荷載為0.8 kN/m2，堆積范圍為6米；按照MBMA96的規(guī)定，計(jì)算出堆積最高點(diǎn)荷載為3.749 kN/m2，堆積三角形范圍為5.65米，從而看出按照MBMA96計(jì)算出的三角形最高點(diǎn)雪荷是0.8 kN/m2的4.686倍；但雪堆積范圍要小于6米。
    \
    3.5.3
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