低层轻型钢结构住宅设计荷载分析

低层轻型钢结构住宅设计荷载分析

摘要：本文讨论了北美低层钢骨结构住宅结构设计的荷载问题，包括各类荷载的取值和计算方法，以及荷载组合模式，并提出了在我国相关规范没有出台前，在国内进行设计时应该注意的一些问题。

关键词： 钢骨结构住宅，设计荷载，荷载分析，荷载组合

Abstract: this paper discusses the steel structure housing, lower North America bone structure design of the load problems, including all kinds of load value and calculation method, and the load combination mode, and put forward the relevant specification in China before not yet available in domestic design at should pay attention to the issue.

Keywords: steel bone structure housing, design load and load analysis, load combination

0 概述

本文讨论的低层住宅是一种轻型钢骨结构体系房屋，其墙体和屋面按400mm-600mm间距布置冷弯型钢，钢骨间布置有各种支撑体系，在两侧安装上结构板材或饰面板之后，形成了非常可靠的“板肋结构体系”，有着很强的抵抗地震和风等水平荷载以及建筑物自重等各种竖向荷载的作用。

1 结构设计准则与方法

设计目标的评估有多种方法。其一是理论分析法，例如安全性准则可以表述为各种设计公式，如美国的ASD，LRFD，我国的极限设计法等。但确定可接受的安全性水平指标多少是一件主观问题，严重依赖于对于以往成功和失败的设计和建设实践的解释，住宅设计的结构安全性大体上是一个有待工程界研究的领域。

其二是实验测试方法，由于实验主要是针对一些独立的标准构件（如简支梁、柱等），有关结构组合件或系统的信息很缺乏，或不能反映最终的使用条件和结构实际承载力和刚度，实验方法实际上有很大的局限性。但当当前的实践、有关规范或标准以及生产商的数据不能提供有效的、精确的和完整的设计依据时，实验是唯一可以依赖的方法。

2低层钢骨结构住宅荷载

2.1 恒载（D）

恒载系指永久的房屋材料如屋面、楼面、墙体基础系统以及面饰材料以及固定设备的重量。根据房屋实际应用的材料确定，或从常用材料重量表中查取。由于钢结构住宅所用材料的品种和来源的多样性，设计师选用的恒载必须能反映房屋的实际建造状况。表2.1为轻型钢骨结构住宅各系统材料总重量。

活载（L）

2.2.1活荷载标准值

不同区间的活荷载可参照表2.2选取，这是根据实际工作情况总结而得来的。当然，在不同的国家或地区，按相应地方建筑标准，取值会有变化。我们建议在实际设计中，取规范和表2.2中之值的较大者。

对于阁楼，通常有三种用途：①空置，取0.48KN/m2的活载，仅用于设计天花板托梁，以考虑安装，维护以及相关活动引起的荷载作用，不参与其它构件设计时的荷载组合。②作为储物间；③作为书房或卧室或是其它功能空间，则应将天花板按楼板设计，相应的活荷载按楼面取值。关于阳台或露台，当离地面不超过1.2m时,活载也可按楼面取1.92KN/m2，实践表明，露台和阳台的破坏,往往是由于其它主体结构间的连接点设计不合理导致的,而不是由于活载取值不合适引起的。

对于房屋中特别用途的空间，或其活荷载在表2.2中未列出的，应另行按实际考虑活荷载取值，包括住房中不常有的重型储物间、办公空间、书库等，一些特殊的设备荷载如浴盆，水床，健身器材等也要按实际情况另行考虑。

表2.2 结构活荷载

2.2.2 活载折减

表2.2中的数据是基于18.6m2的楼面确定的,对于超过这一面积的房间,出现同一水平的均布活载的可能性降低了。固而当某一层的构件支撑的楼面从属面积大于18.6m2时,可以采用折减后的楼面均布活载设计相应的构件。活载折减公式为：

L=L0(0.25+10.6/AT1/2)≥0.75

其中，从属面积AT≥18.6m2，L0为从表2.2中查得的活荷载。以上针对的是低层住宅，显然不同于商业建筑的折减。

在荷载组合中考虑多个楼层房屋楼面、屋面和阁楼活载时，活载总值应按如下统计：

L=L1+0.7（L2+L3+…..）

土侧压力（H）及特别的作用

对于排水通畅、轻微压紧的土壤，等效流体密度记为q，对于沙砾，淤积砂泥，淤积泥土以及粘土质土壤，q值分别取5，5.9，7.5和10 KN/m3；对于浸透土壤，q一般取值为13.4KN/m3。相应地，基础或挡土墙承受的侧压力按三角形分布，合力为H=qh2/2，其中h为基础埋深。

对于水中建筑或洪泛区建筑，尚需考虑水的动力和静力作用。在膨胀土壤地区，要么设计基础时考虑土的体积变化作用，要么在构造上避免土壤对结构性作用。在冻土地区，则应将基础设计在冻土层以下。

2.4风载(W)

2.4.1基本风速、暴露条件及基本风压

风载的确定基于基本风速的统计，本文引用的风速为3秒钟阵风速度，其于过去采用的最大英里风速的转换关系见表2.成3秒种阵风速度，见表2.3。

根据场地环境情况，风场暴露类别（也即地面粗糙度）可分为3个类别来考虑：

A敞开区：指平原乡村，草地或海岸区，场地开阔，只有少量不超9m的障碍物。

B郊区：城区，郊区，有树的地区，或有较多的房屋大小或更大的障碍物，有分散的敞开区。

C受保护区：密林地区，房屋高度不超过周围树木或房屋的障碍物的平均高度，且设计风速低于210km/小时。

场地暴露类别是非常重要的影响风载的因素，同时也是最难于合理定义的一个参数。在很多情况下，场地类型介于两种类型之间，另外周围的房屋和树木的高度和疏密也会变化，这需要设计师进行判断，取某一种值，或分析后取“平均值”。基本风压根据基本风速计算，这在各国是统一的。

表2.4低层房屋B类暴露情况下基本风压值

对于A和C两类地形，以上风压数据应分别剩以1.4和0.8的系数。

对于一层和两层的房屋，上表数据应分别乘系数0.8和0.9, 可以进行插值。

对于处于山顶、高地等突出位置的房屋应考虑风速增加的影响。

2.4.2房屋主体侧向风荷载和屋面风吸力

钢骨结构住宅设计有明确的主抗风系统：水平膈板（楼板和屋面）以及抗剪力墙体。作用在主体结构上的风荷载，按屋面和墙面的水平和垂直投影面积分别施加，水平风荷载分别作用在房屋的横向和纵向，屋面风吸力作用在屋面的水平投影面积上，方向向上。相应风荷载取表2.4基本风压乘表2.5之主体结构风压体型系数即可，这是一种简单实用的方法。需要注意的是，风向可能相反。对于单坡屋面，其在垂直方向的投影面积上的侧向风载的方向也可能相反。

2.4.2作用于结构构件及维护材料的风荷载

作用于结构构件及维护材料的风荷载体型系数见下表2.6，也是根据ASCE 7-98和结构特点确定。