NBCC和工程结构通用规范雪载荷的计算方法 (Snow Load)

1. 引言

对于大多数岩土(土木)工程师，特别是那些主要从事岩土工程勘察的工程师来说，由于侧重点在地基和基础，一般情况下不需要计算结构载荷的单项数值，因为结构工程师已经给出了地基所需的承载力；少数情况下，例如设计塔的桩基础以及石油和天然气管线(Pipeline)的桩基础，岩土工程师可能需要慎重考虑风载荷和雪载荷，尤其在那些气候相对寒冷以及永久性冻土的地区，在这样的地区，风和雪经常是共生的。以前讨论过风载荷的计算方法【 风荷载计算 】，本文回顾了《 加拿大国家建筑规范(NBCC) 》雪载荷的计算方法，NBCC提供了确定建筑物风荷载和雪荷载的指南，以确保建筑物的安全和结构完整性；同时简要比较了国内 《 工程结构通用规范 》(GB 55001-2021)雪载荷的计算方法。

2. 雪载荷计算方法

雪荷载是指建筑物屋顶积雪的重量，设计雪荷载通过地面雪荷载乘以各种因素来确定。 按照NBCC, 设计雪载荷S计算方法如下：

其中，

Is -- 雪载荷重要系数

Ss -- 50年一遇的地面雪载荷 (kPa)

Cb -- 基本屋顶雪载荷系数

Cw -- 风暴露系数

Cs -- 坡度系数

Ca -- 积雪系数

Sr -- 50年一遇的雨载荷，但不大于Ss*Cb*Cw*Cs*Ca.

3. 参数取值方法

3.1 雪载荷重要系数

雪 载荷重要系 数(importance factor for snow load)ls是根据结构的重要性类别确定的，该类别反映了结构发生破坏时对人类生命和整个社区的风险程度。按照NBCC，ls的取值方法如下：

(1) 低重要性建筑 ls=0.8

(2) 一般重要性建筑 ls=1.0

(3) 高度重要性建筑 ls=1.15

(4) 极重要性建筑(灾后建筑) ls=1.25

这些数值用于极限状态 (ULS) 设计；对于适用性限制状态 (SLS) 设计，所有类别的重要系数均为 0.9。

3.2  50年一遇的地面雪载荷

50年一遇的地面雪载荷代表在特定重现期50年内地面上单位面积积雪的重量。NBCC在其附录中提供了表格和地图，给出了加拿大不同地区的地面雪荷载值，这些数值考虑了海拔高度、雪密度和暴露程度等因素。卡尔加里(Calgary)的地面雪载荷为1.1kPa。

3.3  基本 屋顶雪载荷系数

基本 屋顶雪载荷系数(basic roof snow load factor)Cb考虑了屋顶形状和类型对积雪的影 响。 根据NBCC，Cb的确定方法如下：

(1) 对于第 9 部分建筑，Cb=0.55

(2) 对于第 4 部分建筑，Cb=0.8

(3) 如果整个屋顶宽度不超过4.3米，则基本屋顶雪荷载系数Cb=0.45

3.4  风暴露系数

风暴露系数(wind exposure factor) Cw考虑了结构暴露在风中的影响。暴露系数根据地形特征和结构高度确定。例如，由于附近的建筑物、地形或植被，较矮的建筑物暴露在风中的可能性较小，而较高的建筑物即使有其他建筑物，暴露在风中的可能性也较大。暴露程度越高，设计风荷载就越大。

(1) 对于开阔地形, Cw = (h/10)^0.2，但不小于 0.9

(2) 对 于崎岖地形，Cw = 0.7* (h/12)^0.3，但不小于 0.7

其中h为建筑物表面的参考高度(m)

3.5 坡度系数

坡度系数(slope factor)Cs 考虑了屋顶坡度对积雪的影响。 一般来说，雪荷载会随着屋顶坡度的增加而减小， 屋顶越陡，部分积雪滑落或吹走的几率就越大。 屋顶的表面材料对克服摩擦力和发生滑动的点也有很大影响。NBCC 建议从适用的基本雪屋顶荷载开始线性减少，30°度斜坡时的全荷载减少到 70°斜坡时的 "零 "荷载。 然而，尽管坡屋顶可以从降低 雪荷载中受益，但从此类屋顶滑落到较低屋顶的积雪可能会大大增加较低屋顶的荷载。 对于无遮挡的湿滑屋顶：

(1) 屋顶坡角α 小于等于15°时，Cs = 1.0

(2) 屋顶坡角α 大于60° 时，Cs = 0

(3) 屋顶坡角α 在上述二者之间时，Cs = (60°-α )/45°

3.6 积雪系数

积雪 系数(accumulation factor)Ca 考虑了屋顶形状对积雪的影响。

(1) 对于有障碍物积雪的屋顶， Ca是根据屋顶的几何形状和积雪在某些区域积聚的可能性确定的。

(2) 对于无遮挡的屋顶，积雪不会积聚，Ca=1.0。

3.7  50年一遇的雨载 荷

50年一遇的雨载荷Sr 是根据建筑物所在位置 和省份确定的。NBCC在其附录中提供了表格和地图，给出了加拿大不同地区的相关雨荷载值。 卡尔加里的Sr=0.1kPa。

4. 工程结构通用规范

《工程结构通用规范》(GB 55001-2021)对雪荷载和覆冰荷载的规定如下：

(1) 屋面水平投影面上的雪荷载标准值应为屋面积雪分布系数和基本雪压的乘积。

(2) 基本雪压应根据空旷平坦地形条件下的降雪观测资料，采用适当的概率分布模型，按50年重现期进行计算。对雪荷载敏感的结构，应按照100年重现期雪压和基本雪压的比值，提高其雪荷载取值。

(3) 确定基本雪压时，应以年最大雪压观测值为分析基础；当没有雪压观测数据时，年最大雪压计算值应表示为地区平均等效积雪密度、年最大雪深观测值和重力加速度的乘积。

(4) 屋面积雪分布系数应根据屋面形式确定，并应同时考虑均匀分布和非均匀分布等各种可能的积雪分布情况。屋面积雪的滑落不受阻挡时，积雪分布系数在屋面坡度大于等于60°时应为0。

(5) 当考虑周边环境对屋面积雪的有利影响而对积雪分布系数进行调整时，调整系数不应低于0.90。

(6) 计算塔桅结构、输电塔和钢索等结构的覆冰荷载时，应根据覆冰厚度及覆冰的物理特性确定其荷载值。计算覆冰条件下结构的风荷载，应考虑覆冰造成的挡风面积增加和风阻系数变化的不利影响，并应评估覆冰造成的动力效应。当下方可能有行人经过时，尚应对覆冰坠落风险进行评价并采取相应措施。

(7) 雪荷载的组合值系数应取0.7,频遇值系数应取0.6,准永久值系数应根据气候条件的不同，分别取0.5、0.2和0。

按照规范，佳木斯市50年一遇的基本雪载荷为 0.85kPa 。