前言
20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(yáng)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(guó)國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)主編的《門(mén)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(shū)。
需要說(shuō)明的是美國(guó)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(méi)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(wú)章，看上去毫無(wú)規(guī)則，例如煙囪里冒出來(lái)的滾滾濃煙，這就是湍流，也叫紊流。雖然國(guó)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(shuō)來(lái)，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(mén)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(méi)有科學(xué)依據(jù)的。
需要注意的是公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義與國(guó)內(nèi)風(fēng)速是不同的，國(guó)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(zhǎng)度為一英里的空氣通過(guò)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(guò)簡(jiǎn)單的單位換算后，對(duì)兩種風(fēng)速進(jìn)行大小比較。
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(guò)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(guó)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(guò)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(guó)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(guó)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(lèi)（相當(dāng)于國(guó)內(nèi)規(guī)范B類(lèi)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(guó)規(guī)范中地面粗糙度類(lèi)別定義如下：
A類(lèi)：大城市中心周?chē)谐^(guò)50%的建筑物高度超過(guò)70英尺（約20米）；
B類(lèi)：市內(nèi)或郊區(qū)，樹(shù)木繁茂區(qū)或密集住宅及較大建筑物；
C類(lèi)：開(kāi)闊地區(qū)或零星阻擋物；
D類(lèi)：平坦區(qū)域無(wú)阻擋物阻礙風(fēng)吹過(guò)。
分別對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的D~A類(lèi)“地面粗糙度”。
1.3 風(fēng)荷載大小的確定
1.3.1 建筑物的類(lèi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)開(kāi)口與建筑物的內(nèi)部壓力關(guān)系緊密。這里說(shuō)的的開(kāi)口（Opening）是指建筑物表面永久性的無(wú)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(kāi)口的面積率和分布情況的不同，將建筑物分為以下三類(lèi)：
封閉式建筑（Enclosed Buildings）是指在其圍護(hù)結(jié)構(gòu)上無(wú)開(kāi)口或開(kāi)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(lái)源于外墻面門(mén)窗的開(kāi)關(guān)，室內(nèi)門(mén)窗的開(kāi)關(guān)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破損和開(kāi)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(mén)窗，可不作為開(kāi)口考慮。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮門(mén)、窗、墻面采光板等建筑附件的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，否則門(mén)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(kāi)口主要集中于一面墻上，該面墻上的開(kāi)口面積之和大于該墻面積的5%，同時(shí)超過(guò)其余墻面及屋面開(kāi)口面積總和 ，且其余墻面及屋面開(kāi)口面積總和不超過(guò)其余墻面及屋面總和的20%的一類(lèi)建筑物。這一類(lèi)建筑物的特點(diǎn)是，有大開(kāi)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(kāi)敞式建筑物（Open Buildings）是指至少有80%的墻面開(kāi)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。
---- 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)。
