中美规范中不均匀雪荷载分布的分析比较

邓慧程，戴素娟，李晓鹏

（1.山东科技大学土木建筑学院，山东 青岛 266590；2.中材高新材料股份有限公司，山东 淄博 255000）

0 前 言

近些年来，暴风雪灾害引起的建筑破坏案例时有发生。例如，2008年1月，我国南方地区遭受了50年一遇的特大冰雪灾害，造成了湖南、湖北等10大省区的大量轻钢屋盖等建筑倒塌。2010年12月，美国中西部地区遭遇了强暴风雪袭击，明尼苏达州最大城市的一处橄榄球场的圆形屋顶被积雪压塌。这些雪灾事件都给社会和国家造成了不可估算的经济损失。

暴风雪为建筑结构带来的灾害，原因一是创纪录的降雪量;原因二是风雪交加，造成了雪的不均匀堆积，使灾害程度再度加重。而在设计人员进行建筑设计过程中，往往忽视了雪荷载的不均匀分布，或者在设计过程中对雪荷载不均匀分布的情况计算不够完善，从而容易造成安全隐患。本文针对雪荷载的不均匀分布情况，对我国规范《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)与美国的ASCE7-10两种规范进行了分析比较，本文着重以单跨双坡屋面为例进行说明。

1 中美规范中不均匀雪荷载分布的规定

1.1 GB5009-2012关于雪荷载不均匀分布的相关规定

1.1.1 雪荷载标准值

屋面水平投影面上的雪荷载标准值为

式中：Ur为屋面积雪分布系数，按表7.2.1采用；SO为基本雪压，按概率50年一遇的雪压采用，其值可以从GB5009-2012[1]的附表E.5查到。

1.1.2 不均匀雪荷载分布的考虑

对于屋面坡度小于20°的门式刚架结构，不考虑雪的不均匀分布。单跨双坡屋面仅当20°≤α≤30°时，可采用不均匀分布[1]，积雪分布系数迎风面取0.75μr，背风面取1.25μ。单跨双坡屋面的积雪分布系数如图1所示。

1.2 ASCE7-10关于雪荷载不均匀分布的相关规定

当屋面坡度θ≤5°时，平屋顶雪荷载为：

当屋面坡度5°＜θ≤70°时，假定雪荷载施加于屋面的水平投影面上，坡屋面雪荷载为

式中：Ce为日照系数；Ct为温度系数；I 为结构重要性系数；Pe为地面雪荷载；Cs为坡度系数。

对于坡度在25°～45°之间的双坡屋面，应按照两种情况考虑不均匀雪荷载：第一种情况，屋面坡度为2.5°～14°时，一坡面上承受0.5Pf的均布雪荷载;第二种情况，屋面坡度为14°～25°时，应考虑单坡承受1.0Pf而另一坡不考虑雪荷载[3,4]。

双坡屋面的坡度为θ>70°或者θ＜max（2.38°,70°/W+0.5）时，不考虑不均匀雪荷载。当水平投影距离W≤6.1m，且平行于坡度方向设有梁时，不考虑迎风面的不均匀雪荷载，背风面的不均匀雪荷载为IPg。其它情况下，迎风面的不均匀雪荷载为0.3Ps，背风面距屋脊水平投影距离/3以内的部分，不均匀雪荷载为，其余区域的不均匀雪荷载取为Ps[5]，其中堆雪厚度-1.5，雪荷载分布情况如图2所示。

2 案例分析比较

条件：某仓库屋盖为粘土瓦、木板、木椽条、圆木檩条、木屋架结构体系，屋面坡度分为两种，α1=26.56°（15°～45°）和α2=12°（2.5°～14°）。屋檐至屋脊水平距离为3m，该地区基本雪压为0.35kN/m2。

参数：地面雪荷载Pg=15psf=0.718kPa；结构重要系数=1.0；暴露系数Ce=1.0；坡度系数Cs=1.0；温度系数Ct=1.0。

分别用两种规范计算雪荷载如下。

2.1 按GB50009-2012计算

2.1.1 α1=26.56°（15°～45°）的情形

①根据《规范》7.2.2条第一款的规定，檩条的积雪荷载应按不均匀分布的最不利情况考虑。

②因α1=26.56°符合20°≤α≤30°的条件，查GB50009-2012表7.2.1第一项，通过内插得屋面积雪分布系数0.2=0.94

③结合式（1）与图1计算得不均匀雪荷载如下。

迎风面均布荷载：Sk=0.75μrS0=0.75×0.94×0.35=0.25kPa

背风面均布荷载:Sk=1.25μrS0=1.25×0.94×0.35=0.41kPa

图1 GB5009-2012中双坡屋面取值

图2 ASCE7-10中雪荷载分布

2.1.2 α2=12°（2.5°～14°）的情形

①因α2=12°不符合20°≤α≤30°，积雪荷载不考虑不均匀分布。取μr=1.0。

②均匀雪荷载Sk=μrS0=1.0×0.35=0.35kPa

2.2 按ASCE7-10计算（为计算方便，中美单位之间运用了直接转换）

2.2.1 α1=26.56°（15°～45°）的情形

①由式（2）和式（3）可得坡屋顶雪荷载：

均匀雪荷载Ps=CsPf

②不均匀雪荷载：Cs·0.7CeCtIPg0.7×1.0×1.0×1.0×1.0×0.718=0.503kPa

由于α1=26.56°＞max（2.38，70°/W+0.5）=7.61°，必须考虑不均匀雪荷载作用。以左风不均匀雪荷载计算为例。W=3m=9.84ft＜25ft，取W=25ft。

雪容重：λ=0.426S0+2.2=0.426×0.35+2.2=2.349kN/m3

迎风面均布荷载：0.3Ps=0.3×0.503=0.151kPa

背风面1.648m内附加荷载：

2.2.2 α2=12°（2.5°～14°）的情形

同（1）的计算方法，可以得到

迎风面均布荷载：03Ps=0.151kPa

背风面均布荷载：Ps=0.503kPa

2.3 按照中美两种规范计算和两种情形的结果（见表1）

按中美规范计算不同屋面坡度下的雪荷载结果比较 表1

3 中美不同计算结果的分析比较

由表1可看出，按照中美两种规范计算得到的雪荷载差异较大。规范GB50009-2012中规定屋面坡度为20°≤α≤30°时考虑雪荷载不均匀分布，而美国规范规定屋面坡度为25°≤α≤45°时考虑雪荷载不均匀分布，且分为2.5°～14°和14°～45°两种情况考虑。可见，我国规范在考虑雪荷载不均匀分布时的坡度范围较美国规范小。

从计算结果看，尤其是背风面不均匀雪荷载，当α 为14°～45°之间时，按GB50009-2012计算的结果较按ASCE7-10计算的结果小；当为2.5°～14°时，按规范GB50009-2012不需考虑雪荷载不均匀分布。而按规范ASCE7-10则考虑了雪荷载不均匀分布，结果显示，我国规范计算出的背风面雪荷载偏小。在计算方法上，我国规范将所有考虑因素集中体现在积雪分布系数μr上；而美国规范综合了多方面的影响因素，计算方法相对繁琐，对不同的参数取值进行了规定，如参数I、Ce、Cs和Ct等。

4 结 论

我国的规范GB50009-2012对雪荷载不均匀分布问题的计算较简便快捷，便于设计人员使用，但在背风面雪荷载不均匀分布情况下雪荷载值偏小。而美国的ASCE7-10规范中，尽管方法比较繁琐，但计算结果更为细致全面，且提高了在不均匀雪荷载作用下的结构安全度。建议在易发生雪灾的地区以及重要的建筑设计时，参照美国规范考虑雪荷载的计算，以保证建筑结构的安全可靠。

[1]GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[2]American Society of Civil Engineers Standard.ASCE/SEI 7-10.Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].2010.

[3]赵征,郭启勇.雪荷载在门式刚架轻型房屋设计中的作用[J].钢结构,2007（7）.

[4]郑治强,郑秀萍.谈工业建筑设计中屋面雪荷载的堆积[J].建筑与结构设计,2008(8).

[5]梁志远,张航,杨蔚彪,王佳.中美规范雪荷载取值方法的比较[J].钢结构,2010(S1).