美标风荷载层间位移控制

对于结构设计中的正常使用极限状态,需要明确层间位移限值,以防止由于过大的层间位移导致填充墙、玻璃幕墙、建筑装饰构件出现裂缝或损坏。根据调研,在不同层间位移比值下,常见非结构构件的破坏情况如下表所示。

层间位移比值变形是否肉眼可见典型现象
<1/1000不可见砖块开裂
1/1000 ~ 1/500不可见室内隔墙及装饰面层开裂
1/500 ~ 1/300可见一般建筑构件开始受损
1/300 ~ 1/200可见让人视觉不快
1/200 ~ 1/100可见门窗无法正常使用

本篇文章汇总了美标风荷载作用下,结构层间位移的设计限值的建议。不同于国标,美标没有在规范正文明确提出设计限值,而是在条文说明或设计指导中以建议的形式提出,也就意味着,层间位移的控制在现实工程设计中,给予了业主和工程师很大的选择空间,即高装饰标准的建筑,可以采用更严的限值;低装饰标准的建筑,可以选择更松的限值。一般情况下是由业主提出要求,以技术条款的形式,包含在项目合同文件中。

ASCE 7-16 附录C SERVICEABILITY CONSIDERATIONS 的条文说明中指出,可以使用重现期 10 25 50 100 的风荷载(大体上对应 1 2 3 4 类风险类别建筑,但不是强制对应关系),验算结构的层间位移。根据 ASCE Task Committee on Drift Control of Steel Building Structures 1988 的研究成果,规范建议对于一般建筑,风荷载作用下的层间位移比采用 1/600 ~ 1/400 范围内的限值,这个限值一般足以避免建筑围护构件和隔断构件的损坏。除了层间位移比值的限制以外,层间位移绝对值还需要控制在 10mm 以内,同样是为了避免门、窗、隔断、围护构件的损坏。

具体到单层钢结构厂房,特别是轻钢结构,由于采取金属墙板作为围护,且内部装修简陋,对结构层间位移的容许程度也不同于一般民用建筑物。

AISC Design Guide 3: Serviceability Design Considerations For Steel Buildings 中汇总了钢结构正常使用极限状态的相关实践做法,其中第4章指出,对于由檩条支撑的金属墙板围护结构,对于静定结构的情况下,金属墙板对层间位移的容许主要体现在建筑物角部墙板交汇处,因此建议结构在10年重现期风荷载作用下,垂直于墙面方向的水平位移最大允许值为 H/60 ~ H/100,而没有任何围护的开敞钢结构框架也可以参照此标准(有设备或管道特殊要求的情况下除外),此标准在以往项目中被证明是合格的;而墙檩在10年重现期风荷载(C&C风荷载)作用下,水平挠度不应超过 L/120。可以看出此标准要远低于 ASCE 7 中的针对民用建筑物的规定,同时美国轻钢结构设计手册 MBMA manual 中也直接运用了上述的条款。

接下来再看一下 PIP STC01015-17 Structural Design Criteria 中对风荷载下水平位移比的相关规定。条款 4.3.6 中规定,管道支架结构水平位移不应超过 H/100;一般使用功能的建筑物(包括生产性建筑)层间位移不应超过 H/200。而对于有吊车的情况,根据吊车的使用需求,又提出了更严格的位移限值。

正如本文说所阐述的观点,所有这些规定仅作为参考,业主在这方面有很大的决定权。然而了解层间位移相关的知识,可以让我们在面对业主过分严苛的要求时据理力争,为我们承包商争取有利条件。