低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II（7）
第一部分 轻规格钢结构住宅的应用和特点
第三章 概要
钢结构建筑的材料是逐步的从铸铁转向了铸钢、锻钢和热轧钢材，再进一步向冷轧钢材（也称为轻规格钢材）方向发展。1928年，在纽约就有了冷轧钢材住宅。1932年芝加哥世界博览会就已经展示了钢材骨架住宅。1940年末，1950年初，许多公司就开始用轻规格钢材建造住宅。1946年，康奈尔大学的乔治·温特尔博士首次为冷轧钢材制定了规范。20世纪50年代后期，在美国高层建筑里普遍采用轻规格钢材骨架。二战后，镀锌钢板问世。早在1970年，美国期待优质住宅的高端住宅买家就已经开始在他们的建筑中使用轻规格钢材替代木材。1980年，轻规格钢材定制住宅市场开始在美国兴旺起来，并且有许多公司都活跃起来并加入轻规格钢结构住宅市场的开发中。20世纪90年代以后，冷轧钢材住宅已经风靡全球。钢材骨架从来就没有过像20世纪90年代那样的大范围的用在住宅建筑上。在20世纪90年代初期，美国大约有55000套住宅是采用镀锌钢材建造的。1996年，由美国钢铁协会（AISI）开发，由美国钢铁协会住宅咨询组的说明性方法小组委员会领导。由美国钢铁协会（AISI）、美国住宅和城市发展部（HUD）和美国全国住宅建造商协会（NAHB）提供资助，由美国全国住宅建造商协会研究中心（NAHBRC）执行，历时4年，完成了《住宅冷轧钢骨架说明性方法96版》（Prescriptive Method for ResidentialCold-Formed Steel FramingYear 1996 Edition）。这项研究和开发程序得到了指导、咨询和工程委员会的帮助和指导。这些委员会分别代表钢材制造商、钢材生产商、规范官员、学术团体、研究人员、专业工程师和有冷轧钢骨架经验的建造商的利益。紧接着于1997年又推出了《住宅冷轧钢骨架说明性方法97版》（Prescriptive Method for ResidentialCold-Formed Steel FramingYear 1997 Edition）。1997年（图3-1），中国深圳从美国引进了的冷轧钢材骨架住宅。
图3-1在1998年，美国钢铁协会（AISI）的成员公司成立了住宅钢材合作企业（RSP）。这个组织的使命是创造一个能够和鼓励在住宅建筑里应用、节约和普遍使用钢材的环境。住宅钢材合作企业（RSP）的活动将包括创造标准、培训骨架施工人员和其它的商业伙伴、定义有效的分销渠道和在新住宅买家市场里促进消费钢材骨架。2000年，在早先的二个版本（即96版和97版）基础上，由Nader R. Elhajj专业工程师和Kevin Bielat为北美钢材骨架联盟（NASFA）开发出了《住宅冷轧钢材骨架说明性方法2000版》（Prescriptive Method for ResidentialCold-Formed Steel FramingYear 2000 Edition）。到2000年左右，美国就激增到325000套镀锌钢材新住宅。2001年，推出了《冷轧钢骨架住宅标准——一和二个家庭住所说明性方法2001版》（Standardfor Cold-Formed SteelFraming-PrescriptiveMethod for One and Two Family Dwellings - 2001）。2004年又推出了2001年颁布，2004年勘误的《冷轧钢骨架标准——一和二个家庭住所说明性方法》。本书着重介绍的是2001年颁布，2004年勘误的《冷轧钢骨架标准——一和二个家庭住所说明性方法》（以下简称《说明性方法》）的应用范围、特点、荷载和结构设计方法。本书里规定的荷载、荷载组合和其它设计参数是基于《国际住宅规范》（ICC，2000b）、《国际建筑规范》（ICC，2000a）。本书里没有的规定包含在《国际住宅规范》（ICC，2000b）和美国土木工程师协会标准ASCE7（ASCE，1998）里。第一节 范围由冷轧钢材楼层、墙和屋顶骨架说明性要求组成的《说明性方法》是用于建造一和二个家庭住所、联排住宅，以及其它采用重复的成一直线骨架习惯的、高度没有超过二层的独立式家庭住所。一、应用限制《说明性方法》不适用所有可能存在的使用条件，只适用于表A1-1和表A1-2里提出的适用性限制。适用性限制必须要定义出合理的边界条件，必须要考虑正在开发中的说明性建筑要求。在使用《说明性方法》时，应该小心的理解适用性限制所定义的重要的约束条件。表A1-1 适用性限制特征限制概要建筑物尺寸最宽（B）12.2m①最长（L）18m②层数带有地下室的2层基本风速（V）（3秒阵风）一直到209km/hr③风位向位向C（开阔地）位向A/B（郊外/森林）地面雪荷载（S）3.35kN/m2最大地面雪荷载地震设计等级A、B和C（地震烈度I~VIII）楼层楼层静荷载（Df）0.48kN/m2最大第一层活荷载（Lf）1.92kN/m2最大第二层活荷载（Lf）（卧房）1.44kN/m2最大悬臂最大610mm最大墙墙静荷载（Dw）0.48kN/m2最大承重墙高（H）3.05m最大屋顶屋顶/天花静荷载（Dr/Dc）0.58kN/m2最大全部屋顶和天花荷载0.34kN/m2只涵盖屋顶的最大荷载地面雪荷载（S）3.35kN/m2最大地面雪荷载屋顶活荷载（Lr）0.77kN/m2最小屋顶活荷载天花静荷载（Dc）0.24kN/m2最大屋顶坡度3:12~12:12耙子悬挑305mm最大拱腹（屋檐）悬挑（B’）610mm最大阁楼活荷载（LA）（有限制储藏室阁楼）0.96kN/m2最大阁楼活荷载（LA）（不作为储藏室阁楼）0.48kN/m2最大注：1inch=25.4mm，1psf=0.0479kN/m2，1mph=1.61km/hr=0.447m/sec，1feet=0.305m。①建筑物宽度是在墙柱支撑的水平骨架构件的方向上。②建筑物长度是在垂直于楼层托梁、天花托梁或屋顶桁架的方向上。③请参考表A1-3转换最大风速英里风。表A1-2 在高地震区域里的额外限制特征限制概要层数在参考水准面上2层混凝土地面，或连续的混凝土或砌块基础①地面雪荷载（S）3.35kN/m2，最大，带有正常或轻重量②屋顶系统1.44kN/m2，最大，带有重重量③屋顶系统地震设计等级D1、D2和E④（地震烈度VIII~IX）墙墙静荷载（Dw）0.34kN/m2，最大，针对轻重量墙系统0.68kN/m2，最大，针对重重量墙系统屋顶屋顶/天花静荷载（Dr/Dc）0.57kN/m2，最大全荷载，针对轻重量屋顶系统0.72kN/m2，最大全荷载，针对正常重量屋顶系统1.20kN/m2，最大全荷载，针对重屋顶系统屋顶坡度3:12~6:12注：1inch=25.4mm，1psf=0.0479kN/m2，1mph=1.61km/hr=0.447m/sec，1feet=0.305m。①从平均参考水准面到平均屋顶高度的最大高度应该限制在10.1m。②正常、轻和重重量屋顶系统是按照该表的定义。③在高地震区域里，地面雪荷载大于1.44kN/m2，带有正常或轻重量屋顶系统的建筑物，应该根据带有重重量屋顶系统的建筑物要求来建造。④按照这个标准，在地震设计种类E里建造的建筑物限制为正规的建筑物，不得带有任何超出外墙的楼层悬臂。风的强度常用风速来表达，可分为范围风速和工程风速。范围风速是将风速按一定范围划分等级，常用的有蒲福风速表和福基达龙卷风风力等级表。蒲福风速表根据风速的大小划分为18级，一般7级或7级以上的风力才能对工程结构造成威胁或破坏（表3.1-1）；福基达龙卷风风力等级表共分7级（表3.1-2），0级龙卷风在蒲福风力等级表范围之内，两个风力等级表具有连续性。表中风力强度存在一段范围，不便于工程计算，常用于气象工作中。在工程设计中需要的是某一确定的风速，称为工程风速，一般根据数理统计方法求出计算风速。美国过去的建筑标准采用的是最大英里风速，但最近改为了3秒阵风。这是因为当建筑物遭遇强风吹袭时，不需要很长的持续时间，就会遭到破坏，因此3秒阵风更能体现建筑物所遭遇的真实风环境。在美国是从标准风速图（详细的风图请参考ASCE 7-98）里选择现场的设计风速。在ASCE 7-98里的风速图包括了最准确的设计风速数据和关于设计风速的有用分析。新的风速可能比老的设计风速图所用的数据显得要高。差别是由于单独使用了“3秒阵风（或尖峰阵风）”来定义风速，比老的风速图里采用的“最大英里风速”所描述的平均风速好。在美国大多数地方的名义设计3秒阵风（或尖峰阵风）风速通常是137～145km/h；然而，沿着飓风易发生海湾和大西洋海岸，3秒阵风（或尖峰阵风）的名义设计风速范围是从161～241km/h。最大英里风速指得是在最短时间（平均1min）内，1英里的风穿过风速计达到的平均风速（即1min时距风速。例如：如果1英里的风穿过风速计的最短时间是60秒，那么最大英里风速就应该是每60秒1英里，或60mph）。这个风速就像登塔一样，是逐步升高的。3秒阵风指得是在3秒阵风中测得的平均最高风速（即3秒时距风速，通常比最大英里风速高）。3秒阵风风速通常是气象评论员报告用语。因为风对工程结构的作用是以风压的作用体现的，所以我国工程界的习惯是采用风压来表示风力的大小。中国荷载规范定义的基本风压为：以当地比较平坦空旷地面上10m高度统计所得的50年一遇10min平均最大风速（简称10min时距风速）为标准。表3.1-3列出了各种不同时距风速与10min时距风速的换算系数。由于各地海拔高度、纬度、气压、温度、湿度都不同，而且地理位置，地形地貌千变万化，使得风速与风压的换算关系非常复杂。而对低层住宅设计来说，完全没有必要考虑得这么复杂，因而设计师可以根据表3.1-4把最大风速英里、3秒阵风和10min时距风速简单的换算成最大风压。一旦按照尖峰阵风确定了名义设计风速，设计师就可以根据表3.1-4来选择基本速度压力。基本速度压力是一个参考风压，是应用压力系数来确定建筑物的表面压力。表3.1-4里的速度压力是基于典型的住宅建筑条件，也就是郊外的地形位向（位向是根据所在地以往实际侵袭的风速确定。A/B级位向指的是大城市或郊外的地区，或森林地形，C位向是指只有少量障碍物的开阔地）和相对平坦或起伏不平的地形，没有地形加速影响风。在建筑规范或当地法令是根据10min时距风速控制建筑物建造的地方，应该根据表3.1-3确定等效基本风速（3秒阵风）。表3.1-1 中、美、日三国热带气旋分类T-number①蒲福氏風級（中国）热带气旋分类（中国）10min时距风速范围（km/hr）损坏程度中国美国日本1.038～62烟示风向1.5＜46吹起尘土2.046～55小树摇摆2.56热带低压49～6256～6563～87电线有声7步行困难3.08热带风暴63～8766～85折毁树枝9小损房屋3.510强热带风暴88～11786～10088～117建筑破坏4.011101～120118～152损毁严重12台风＞118摧毁巨大4.5121～1405.0141～165153～1765.5166～185177～2076.0186～210208～2486.5211～2357.0236～260＞2487.5261～2908.0＞290① 纯T指数(T-number)也是用来分析热带气旋強度的，是通用的国际标准。它更细致的把热带气旋级別进一步细分，有助于预测及估计热带气旋的強度变化。表3.1-2 福基达龙卷风风级与其对应的最大1/4英里、3秒阵风、10min时距风速和蒲福氏風級福基达风级最大1/4英里风速①3秒阵风风速10min时距风速蒲福氏風級（中国）mphkm/hrmphkm/hrkm/hrF040~7216.1~29.045~7772.4~123.950.5~86.46,7,8,9F173~11229.4~45.178~118125.5~189.987.5~132.410,11,12F2113~15745.5~63.2119~163191.5~262.3133.6~182.9＞12F3158~20663.6~82.9164~210263.9~338.0184.1~235.7F4207~26083.3~104.6211~262339.6~421.6236.8~294.0F5≥261≥105.0≥263≥423.3≥295.2① 最大1/4英里风速指得是在最短时间内，1/4英里的风穿过风速计达到的平均风速，（例如：如果1/4英里的风穿过风速计的最短时间是60秒，那么最大英里风速就应该是每60秒1/4英里，或15mph）。表3.1-3 各种不同时距风速与10min时距风速的换算系数风速时距1h10 min5 min2 min1 min0.5 min20s10s5s3s瞬时换算系数0.9411.071.161.201.261.281.351.391.431.5表3.1-4 最大英里、3秒阵风和10min时距风速转换最大英里风速mile/h70758090100110km/h113121129145161177风速时距②min1.171.251.331.501.671.83换算系数③1.19931.19901.19971.19801.19731.1967最大英里风速对应的10min时距风速④km/h92.61011081211351483秒阵风mile/h8590100110120130km/h1371451611771932093秒阵风对应的10min时距风速⑤km/h95101112123135146最大风压⑥kN/m20.610.700.801.011.251.51① 允许线性插入。② 风速时距=最大英里风速/60s。即70/60=1.17；75/60=1.25；80/60=1.33；90/60=1.50；100/60=1.67；110/60=1.83；③ 风速时距都在2min~1min之间，根据表1.1-5采用插入法求得表中的换算系数。也可以按照表3.1-3，直接取1min时距风速的换算系数为1.2。④ 换算系数乘以最大英里风速就得到了表中的10min时距风速（与3秒阵风风速换算的10min时距风速接近）。⑤ 在表1.1-5中查得3s换算系数为1.434，乘以3秒阵风风速，就得到了表中的10min时距风速（与最大英里风速换算的10min时距风速接近）。⑥ ω0是风压值。表3.1-4 郊外地形的基本速度压力（N/m2）①设计风速，V（km/h，尖峰阵风或3秒阵风）一层建筑物(KZ=0.6)②二层建筑物(KZ=0.67)②三层建筑物(KZ=0.75)13745050356514550856563216162769978017775784394319390010061125209105811781322225122613691532256140815711757① 速度压力（N/m2）等于0.047KDKZV2，KZ是与郊外地形里建筑物平均屋顶高度处的垂直风速分布有关的速度压力位向系数。KD是默认值为0.85的风向系数。② 这二个KZ系数是基于新近的近地风分布研究，从ASCE 7里调整而来的。对于遵守ASCE 7-98的，在位向B（郊外地形）里的一层或二层的建筑物，只有组件和覆盖层的设计应该用一个最小为0.7的KZ来确定速度压力。对于位向C，必须把所有列表值乘以1.4之外，该数值是与ASCE 7-98一致的，不需要做调整。针对典型住宅建筑应用的适用性限制，达成了工程理论和可以利用的实验数据之间的合理的平衡，并且得到了现场习惯的证实。在忙于大量新建住宅时，适用性限制是打算防止滥用。特别需要把注意力集中在下面所涉及的适用性限制条款上。然而，《说明性方法》没有限制通过工程设计来应用可以选择的方法或材料。建筑物几何学：把《说明性方法》里的规定应用到独立的一和二个家庭住所、联排住宅和其它高度没有超过二层的附联式独立家庭住所。当把它应用到具有复杂的几何外形住宅上时，使用者要小心的解释，并且因此而可能需要工程设计支持。最普通的建筑物宽度（或深度）范围从7.3m到12.2m，承重墙高度一直到3.1m。在《说明性方法》里所用的建筑物宽度是沿着最外侧承重墙之间的桁架或托梁（楼层或天花）的长度测量的尺寸。建筑物的最大长度限于18.3m，是在平行于屋脊或垂直于楼层托梁或屋顶桁架方向测量的长度。场地条件：每个场地条件都必须由使用者来确定。当地条件包括地面雪荷载、基本风速和地震设计种类。雪荷载：通常是根据建筑规范，ASCE7（ASCE，1998）里的地面雪荷载图或由当地习惯给出雪荷载值。美国的国家典型规范既采用ASCE7雪荷载要求，也采用规范里公布的类似的图。在《说明性方法》里采用的0到3.35kN/m2地面雪荷载涵盖了90%的美国国土，也包括大多数期望利用这份文件的建筑物。在大于3.35kN/m2雪荷载区域里的建筑物，没有咨询设计专业人员，就不应该采用这份文件。基本风速：按照ASCE7（ASCE，1998），美国所有地区都属于145到210km/hr（3秒阵风）设计风速范围。在《说明性方法》里的风位向种类是限于位向A、B和C。在《说明性方法》里定义了风速和位向。风位向是确定给定场地风荷载的关键，并且应该在各个案例基础上根据良好的判断来做决定。紧挨着海岸线建造的建筑物（即海滩前的物业）是属于位向D，并且因此如果没有咨询设计专业人员，就不能采用这份文件。在《说明性方法》里使用的3秒阵风风速是与ASCE7里定义的一样。虽然ASCE7有241km/hr的风速轮廓线，在南佛罗里达的末端只发生过的241km/hr的风速轮廓线。因而，在《说明性方法》里把风速限制到210km/hr是比较适当的。地震设计种类：《说明性方法》涵盖了地震设计种类A、B、C、D1、D2和E（在表A1-1和表A1-2适用性限制之内）里的所有住宅建筑。荷载：建筑物规范和标准采用不同的荷载和荷载组合。根据主要建筑物规范和标准的评估来确定统一的设计荷载数值。这一荷载评估的结果收录在《说明性方法》里的适用性限制表格之内。在这份文件的设计范例里，按荷载和荷载组合要求计算分析了住宅的结构部件和组件。表明在ASEC7里的荷载和抵抗系数设计（LRFD）荷载组合是用来开发《说明性方法》里的表格和其它规定的。二、在高地震和疾风区域里的限制㈠ 在高地震和疾风区域里的不规则建筑物㈡ 在疾风和高地震区域里必须要考虑额外的限制。简单来说，在这个版本的《说明性方法》里，不允许平面和垂直偏移。在使用者希望超过不规则限制的地方，应该咨询设计专业人员。第二节 定义在《说明性方法》里的许多术语都是不需加以说明的。只定义那些需加以说明的术语，或在《说明性方法》提供的参考文件里没有定义的术语。