中_美_加_欧屋面雪荷载规范对比.docx

中、美、加、欧屋面雪荷载规范对比峰1 ，莫华美1 ，洪汉平2范( 1 哈尔滨工业大学 土木工程学院，150090 哈尔滨，gordonmo 163 com;2 加拿大西安大略大学 土木与环境工程系，n6a 5b9 安大略 伦敦)摘 要: 陈述了我国规范与美国、加拿大和欧盟规范在雪荷载取值方面的差异 结果表明: 我国规范的雪荷载计算公式过于简单，不能充分考虑各种相关因素对雪荷载的影响; 我国规范规定的屋面雪荷载临界坡度在4 本规范中最小; 在双坡、拱形和高低屋面中，我国规范的雪荷载剖面与国外规范差异较大; 最后给出对我国 规范雪荷载取值规定的一些初步修改建议，为我国雪荷载规范的修订和完善提供思路和参考关键词: 雪荷载; 规范对比; 修改建议中图分类号: tu312 + 1文献标志码: a文章编号: 0367 6234( 2011) 12 0018 05comparison of snow load requirements in design codesused in china，usa，canada and eufan feng1 ，mo hua-mei1 ，hong han-ping2( 1 school of civil engineering，harbin institute of technology，150090 harbin，china，gordonmo 163 com;2 department of civil and environmental engineering，the university of western ontario，on n6a 5b9 london，canada)abstract: this study compares the snow load provisions recommended in design codes used in china，usa，canada and the eu it shows that the basic snow load requirements in chinese standard are too simplistic to cope with major factors that control the complex roof snow load patterns the recommended critical roof slope in chinese standard is the lowest among the considered four design codes furthermore，the recommended snow loads for the gable，arched and step roofs in chinese standard differ from the other three design codes in terms of the snow load pattern the comparison allowed us to suggest some preliminary modifications to snow load requirements in chinese standard，although a detailed probability-based calibration is needed to confirm the recommended changeskey words: snow load provisions; comparison; modifications suggestions工程实践表明，雪荷载取值对结构安全有重要意义 我国 gb500092001建筑结构荷载规 范1( 简称我国规范) 对雪荷载取值进行了较为 详细的规定 但是，随着时间的推移和社会经济的 发展，这些取值规定的合理性与适用性需要重新 审视 尤其是近年来冰雪灾害频发，因积雪造成的 结构坍塌事故时有发生与欧美加等发达国家或地区的规范进行对比，可以吸收他们的先进经验 为此，本文选取美国 asce 规范2( asce / sei 7 05 ) ，加拿大国家 建筑规范3 4( nbc 规范) 和 eu 规范5，与我国 规范的雪荷载取值规定进行对比，为我国荷载规 范的修订提供参考基本计算公式对荷载规范来说，基本计算公式全面反映其 思想和内涵 基本计算式的结构、参数类型和数量 等，是读者了解规范核心思想的重要门户我国规范、asce 规范、nbc 规范和 eu 规范 的雪荷载基本计算式分别为1收稿日期: 2010 11 22基金项目:“十一五”国家科技支撑项目: “高性能建筑结构设计 关键技术研究”( 2006baj01b02) 作者简介: 范 峰( 1971) ，男，教授，博士生导师范峰，等: 中、美、加、欧屋面雪荷载规范对比第 12 期19sk = r s0 ，ps = 0. 7cs ce ct ipg ，s = isss ( cb cw cs ca ) + sr ，时，屋面雪荷载为 0，eu 规范认为这个临界坡度是 60，asce 规范和 nbc 规范则认为是 70 可 见，在坡度多大时屋面可以免于雪荷载的问题上， asce 规范与 nbc 规范更为保守，eu 规范次之， 而我国规范最为乐观 目前，相关试验正在进行， 以研究是否能将该临界坡度提高到 60或 70s= i ce ct su 式中: sk ，ps ，s 分别为屋面雪荷载;s0 ，pg ，s s ，su分别为基本雪压; r 为雪荷载分布系数; c s 为倾斜系数，反映屋面坡度的影响; ce 为遮挡系数，反映周围环境对建筑的遮挡效应; c t 为热力系数，反映建筑采暖情况的影响; i ，is 为建筑重要性系数; c b 为屋面雪荷载基本系数，除大跨度屋面有特殊规定外，一般情况下均取 0. 8; c w 为风力系数; ca ，i 为屋面形状系数; s r 为关联雨水荷载，表 1我国规范中 与屋面坡度 的关系r r25( 25 ，50 )501 02 /250其值不大于 s s (c b c w c s c a ) 表 2asce 规范中 cs 与 的关系(ct 1. 0 时)4 本规范基本计算式的结构形式基本一样，即屋面雪荷载等于基本雪压乘以一系列相关系 数 但很明显，我国规范的计算公式最简略，只包 含一个系数( 该系数主要反映屋面坡度的影响， 与其他规范里的倾斜系数相当) 而其他 3 本规 范所考虑的因素均较全面 以 asce 规范为例，其 根据建筑物发生结构破坏时所造成后果的严重程 度，将建筑物划分为 4 个等级( 其划分标准 与我国建筑抗震设防分类标准中的丁 甲类 似) ，分别赋予 0. 8 1. 2 不等的重要性系数 其 次，根据建筑物所处环境的空旷程度不同，赋予0. 7 1. 2 不等的遮挡系数 另外，建筑物的采暖 情况，在其计算公式中也有所体现，对不同的建筑 物，其采暖系数取值 0. 85 1. 2 不等 从生活出 发，读者不难理解这些系数的意义所在 反观我国 规范，由于缺乏相应的基础研究工作，其雪荷载基 本公式还停留在比较粗糙的阶段 调研采暖措施、 环境空旷度等因素对屋面雪荷载的影响，应成为 荷载规范修订工作的一个努力方向c s30( 30 ，70 )701 07 /4 /400表 3nbc 规范中 cs 、ca 与 的关系c sc a30( 30 ，70 )701 07 /4 /4001 01 01 0表 4eu 规范中 与 的关系i1230( 30 ，60 )600 80. 8( 60 ) /3000 8 + 0 8 /301 6注: 1 用于计算均匀荷载，2 用于计算非均匀荷载2. 2双坡屋面对于双坡屋面，4 本规范均要求考虑非均匀 荷载 而均匀荷载的计算方法与单坡屋面相同，故 本小节只讨论非均匀荷载 以后各小节也将专注 于非均匀荷载的对比我国 规 范 在 迎 风 面 取 0. 75 r ，背 风 面 取1. 25r eu 规范与此相似，迎风面取 0. 5 1 ，背风主要屋面形式的参数对比单坡屋面对于坡度为 的单坡屋面，4 本规范均只考22. 1虑均匀荷载作用，而不考虑非均匀荷载 表 1 4是 4 本规范中主要参数的取值规定1 5 asce 规 范和 nbc 规范把屋面分光滑和非光滑 2 种，此处 给出的只是对非光滑屋面的规定不失普遍性，若 asce 规范中的 c e 、c t 与 i ， nbc 规范中的 i s 、c w ，eu 规范中的 c e 、c t 均假 设为 1. 0，nbc 规范中的 c b 取 0. 8，考虑屋面雪荷 载与基本雪荷载的比值可以看到，我国规范在 30 时要明显大于、而在 30 时小于另外3 本规范 另外，我国规范认为在屋面坡度50面取 而 nbc 规范则规定迎风面为 0，背风面1取( 1. 0 1. 25) 倍均匀荷载，见表 5asce 规范根据屋面平面尺寸的大小，将屋面分为 w 6. 1 m ( 20 ft ( 英尺) ) 和 w 6. 1 m22 种 取值规定见图 1，其中 l 为屋面升高 1 个单位时对应的水平方向上的长度，h d 为堆雪高度( ft) ， 为积雪密度( pcf，磅每立方英尺) 对于双坡屋面的非均匀分布积雪荷载，尽管4 本规范的主要思想一致，均认为迎风面积雪荷哈 尔 滨 工 业大 学 学 报第 43 卷20eu 规范的取值见图 45，2 个三角形的荷载峰值分别为 0. 5 3 和 3 ，其中 3 计算式为 当 60时， 3 = 0;当 60时，3 = 0. 2 + 10 h / b，且 3 2. 0 式中: 为屋面切线角，h 为矢高，b 为跨度 按常 见矢跨比 1 /8 1 /5 计算，雪荷载峰值为1. 45 2 倍的基本雪压载有所减小，而背风面则有所增加 但是，在具体到有多少积雪从迎风面转移到背风面及在背风面 如何重分布的问题上，4 本规范却不尽相同 我国 规范认为在风的作用下，迎风面上积雪的侵蚀量 为 25% ，asce 规范、nbc 规范和 eu 规范分别认 为是 70% 、100% 和 50% 显然，我国规范对风的 作用的估计最小 在背风面上，除 asce 规范认为 部分积雪集中在距屋檐一定距离的矩形范围内之 外，其他 3 本规范都认为积雪是均匀分布的表 5 nbc 规范中非均匀分布荷载的形状系数cs=1.0 的部分pfcs*均匀分布c a屋檐屋檐702pfc*7015 ，20( 20 ，900. 25 + /201. 25s /ce风向0.5pf非均匀分布屋脊屋檐i*pg屋檐7070w6.1 m8 hd 姨 l3图 2asce 规范中拱形屋面的雪荷载取值风向0.3pshd酌 / 姨 lf(琢)s3+srps其他情况（）30屋脊s=2ss+sr图 1 asce 规范中双坡屋面的雪荷载取值orourke 等6 针对积雪漂移所做的研究表 明，asce 7 05 对双坡屋面的规定在大多数情况 下过于保守，只有在屋面宽度处于 7. 6 15. 2 m( 25 50 ft) 时才勉强可以接受 类似的工作也需 尽快在我国开展，以确定更合理的屋面雪荷载2. 3拱形屋面对于拱形屋面，我国规范只考虑均匀分布的 情况，雪荷载分布系数 r = l /8 f 且 0. 4 r 1. 0 与坡型屋面一样，当屋面切线角达到 50 时雪荷载为 0asce 规范根据屋檐处切线角不同，分为 3 种情况，若以 e 表示屋檐处的切线角，则这 3 种 情况分别为 e 30，30 e 70和 e 70f(琢)情况（）屋脊30图 3nbc 规范拱形屋面非均匀雪荷载取值滋 30.5滋3风向情况()屋脊6060ls/4ls/4ls/4ls/4图 4eu 规范拱形屋面非均匀雪荷载取值我国规范明显不同于另外 3 本规范的地方:没有考虑非均匀分布的工况 asce 规范、nbc 规 范和 eu 规范对此的规定也不尽相同 asce 规范 认为迎风面上雪荷载为 0，背风面荷载峰值出现 在屋面切线角等于 30 的地方 nbc 规范与之类 似 而 eu 规范则认为迎风面和背风面都有三角 形荷载，峰值出现在屋脊两侧各自中点处，迎风面 的峰值是背风面峰值的 50% 另外一个区别，正 如前面所提，我国规范认为屋面切线角达到 50 时雪荷 载 为 0，asce 规 范 与 nbc 规 范 认 为 是70，而 eu 规范认为是 60hochstenbach 等8的研究表明，对于矢跨比图 22给出了 70 时的取值情况 可以看到，easce 认为堆雪荷载在屋面切线角等于 30 时取最大值，其峰值为 2 p f c s / c e ，其中 c s 是指屋面切线角为 30 时对应的倾斜系数 此峰值约为平屋面雪荷载的 2 倍nbc 规范把拱形屋面也分为光滑和非光滑 2*种 如前所述，只讨论更具广泛性的非光滑屋面的规定 同 asce 规范一样，nbc 规范也认为雪荷载 在屋面切线角等于 30 时取得最大值，其值见图33 4 其中情况( ) 直接给定了峰值的具体数 值，情况( ) 的峰值为地面雪荷载的 2 倍ls风向风向风向30屋脊 3030屋脊 30范峰，等: 中、美、加、欧屋面雪荷载规范对比第 12 期21大于 1 /8 的拱形屋面，计算所得的屋面非均匀荷载视地区不同或小于或大于 asce 和 nbc 规范 的规定，相应的规范条文总体来说可以接受 该研 究同时表明，即使是矢跨比小于 1 /8 的拱形屋面， 也存在非均匀分布的雪荷载，因此把矢跨比小于1 /8 的拱形屋面看成平屋面而不设计非均匀分布 雪荷载，将是危险的 文献9 10也显示，拱形 屋面上的非均匀荷载确是存在 如此看来，对我国 规范的这一规定持怀疑态度，是不无道理的根据屋面形式，按照相应计算方法计算 而对于低屋面，其雪荷载形状系数在原有 1 的基础上，还 应考虑堆雪效应的影响，eu 规范假定堆雪形状为 三角形，长度为 l s = 2 h( 5 m l s 15 m) 峰值 处雪荷载形状系数为 2 = s + w ，其中 s 为考 虑高屋面积雪滑落的形状系数， w 为考虑风作用 的形状系数 s 的取值: 当 15 时， s = 0; 当 时， s 等于高屋面形状系数的一半 15高低屋面我国规范在高低屋面中考虑了堆雪效应的影 响，并假定堆雪荷载为矩形，高度为 2. 0 s 0 ，长度 为 a = 2 h ( 且 4 m a 8 m) ，其中 h 为屋面高 差 在此范围之外，雪荷载分布系数均为 1. 0 这 些分布系数均与高屋面的尺寸和形状无关，之后 将会看到，这是我国规范有别于其他 3 本规范的 地方之一asce 规范认为不论低屋面处于上风向还是 下风向，屋面雪荷载均受堆雪效应的影响，并假设 堆雪荷载为三角形 当低屋面处于下风向时，有 w 的取值: w = (+ b 2 ) /2 h h / s u ，2. 4b1 可以取 2 kn / m3 对于高低屋面，4 本规范中只有我国规范对 堆雪荷载取矩形，其他 3 本都是取三角形 而且我 国规范中堆雪荷载的分布系数要求取 2. 0，而没 有考虑高屋面的大小、坡度等因素，其他 3 本规范 则都考虑了高屋面的影响; 其中，nbc 和 eu 规范 都将堆雪荷载分为风力所致和滑落所致两部分2010 年 3 月进行的实地测量( 图 5) 显示，在屋 面发生高度变化的区域附近，积雪深度的分布更趋 于三角形 cocca 等7的数值模拟表明，对于宽为1 /31 /4hd = 0. 43( lu )( pg + 10) 1. 5式中: h d 为 堆 雪 高 度 ( ft ) ，l u 为高屋面的宽度 ( ft) ，当 l u 25 ft 时取 l u = 25 ft，当低屋面处于迎风面时，堆雪高度取上式的 3 /4，或将低屋面的宽度代替上式的 l u 进行计算( 取两者中的较大值) 对于堆雪长度 w 有: 当 h d h c 时，w = 4hd ;15. 2 45. 7 m ( 50 150ft ) 的阶梯型高低屋面，asce 的规定基本能让人接受 当屋面尺寸大于此范围 时，这些规定则显 得 过 于 保 守 o rourke 等11和 taylor12分别针对 asce 规范和 nbc 规范 阶梯型屋面堆雪荷载所做的调查研究也表明，现实 中观测到的堆雪荷载剖面，确实多为三角形2当 h d h c 时，w/ h c ，且堆雪高度取hc = 4h d605040302010并且任何情况下均应满足 w 8h c ，其中 h c 为屋面高差( ft) nbc 规范根据高屋面的结构形式，分为 2 种 情况，2 种情况下堆雪荷载均为三角形 当高屋面 是平屋面时，峰值处的形状系数为 c a ( 0 ) ，并线 性减小至 1. 0 倾斜系数 c s 仍按表 3 进行计算 峰 值 c a ( 0) 与堆雪长度 x d 的计算方法为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13测点距离/m图 5 哈工大校内某带女儿墙屋面的积雪深度分布ca ( 0)= max( h / cb ss ，f / cb ) ，结论3= max5( h cb ss / ) ，5( ss / ) ( f cb ) ，xd我国规范与 asce、nbc、eu 规范在雪荷载取值方面主要差异:1) 基本计算式的参数过于简单 其他 3 本规 范在确定屋面雪荷载时考虑了诸如环境遮挡、建 筑采暖和建筑物的重要性程度等因素2) 考虑屋面雪荷载与基本雪荷载的比值可 见，屋面坡度 30 时，我国规范要明显大于另外3 本规范，而在坡度 30 时小于它们 我国规范 认为屋面坡度 30时，屋面上的雪荷载等于当地 的基本雪压 但由于受到风和其他相关因素的作= max2，0. 35( lc / ss 6( hp / ss )2 0. 5)+ cb f式中: h 为屋面高差，h p 为高屋面的女儿墙高度，2/ l 为高屋面的特征长度，w 为高屋面l c = 2 w w宽度，l 为高屋面长度当高屋面是坡屋面时，堆雪荷载在上述规定 的基础上，还应增加一部分由于积雪滑落所引起 的荷载 对于这部分荷载，nbc 规范规定取高屋 面朝向低屋面一侧积雪总量的一半，按照三角形 分布在低屋面上的堆雪范围内eu 规范规定，高低屋面中高屋面的雪荷载，积雪深度/cm哈 尔 滨 工 业大 学 学 报第 43 卷22用，即使是平屋面，其上的雪压也要比地面上的小9，13 但如果想更改这方面的条款，还需要对 我国建筑上的雪压做大量实地测量与统计分析3) 我国规范认为屋面坡度达到 50 时，即可 不用考虑雪荷载的作用 相比之下，eu 规范认为 是 60，而 asce 规范和 nbc 规范则认为是 70， 我国规范在这方面取值偏向不安全 初步建议将 这一临界值提高到 604) 对于双坡屋面，我国规范在迎风面上的取 值是最大的 鉴于 4 本规范对该屋面形式下的雪 荷载取值规定差异较大，应开展相应的调查研究 与模拟计算，以确定适合我国实际情况的取值 规定5) 4 本规范中，只有我国规范没有考虑拱形 屋面的非均匀分布荷载 从直观上讲，这是十分危 险的 文献8 10显示，拱形屋面上的堆雪效应 不可忽略 因此我国规范的这一条款需要修订，需 要开展具体的研究工作6) 对于高低屋面，我国规范假设堆雪荷载为 矩形，其峰值为一确定的数值，而与高屋面的尺 寸、形状无关 这些假设均有别于其他 3 本规范 因此可以考虑将我国规范的堆雪荷载形状也修改 成三角形荷载，并适当考虑高屋面的影响参考文献:3nrc-irc national building code of canada 2005 sottawa: nrcc，2005nrc-irc users guide-nbc 2005 structural commen- taries ( part 4 of division b) m ottawa: nrcc，2005bsi bs en 1991-1-3: 2003 eurocode 1-actions on structures-part 1-3: general actions-snow loads s london: bsi，2003orourke m，de gaeano a，tokarczyk j d analytical simulation of snow drift loadingj journal of structural engineering，2005，131( 4) : 660 667 cocca j，orourke m mathematical simulation of 50 year snow drift loads c/ / structures congress2008: crossing borders vancouver: asce，2008 hochstenbach f