臺風地區(qū)門式剛架輕型房屋的抗風設(shè)計

冉艷華

（中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101 ）

門式剛架輕型房屋因其柱網(wǎng)尺寸布置靈活、空間跨度大、現(xiàn)場施工組裝快捷方便、建設(shè)周期短、具有較高經(jīng)濟效益，廣泛應(yīng)用于各類建筑中，尤其是在工業(yè)廠房中。但在近幾年的臺風受災(zāi)情況中，輕型門式剛架房屋受災(zāi)現(xiàn)象較多，因此，在可能遭受臺風地區(qū)，門式剛架房屋的抗風設(shè)計非常重要。本文通過工程實例，提出在臺風地區(qū)如何對門式剛架輕型房屋進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 臺風地區(qū)門式剛架房屋的破壞形態(tài)及原因分析

1.1 主體結(jié)構(gòu)強風作用下破壞形態(tài)及原因分析

臺風來臨時，風荷載急劇增大，在強風吸力作用下，門式剛架廠房主體結(jié)構(gòu)常發(fā)生如下破壞形態(tài)：

（1） 剛架之間無柱間支撐或支撐薄弱，縱向連接薄弱，整體剛度小，導(dǎo)致主體剛架倒塌；

（2） 柱腳螺栓直徑太小或數(shù)量不夠，地腳螺栓被拉斷；

（3） 鋼柱與底板之間的焊縫強度不夠或焊縫質(zhì)量不合格，鋼柱與底板脫開，底板翹曲；

（4） 基礎(chǔ)埋深太淺或重量較輕，基礎(chǔ)整體被拔出；

（5） 剛架屋面、墻面角部、邊區(qū)等薄弱部位未進行加強處理，檁條變形導(dǎo)致屋面、墻面局部破壞或整體被封刮落。

1.2 圍護構(gòu)件強風作用下破壞形態(tài)及原因分析

強風作用下，風荷載對屋面及背風墻面產(chǎn)生風吸力，在強風吸力作用下，門式剛架廠房的圍護構(gòu)件常發(fā)生如下破壞形態(tài)：

（1）屋面壓型鋼板變形、被掀起，甚至脫離結(jié)構(gòu)檁條直接被刮飛；

（2）臺風來臨時，廠房門窗未及時關(guān)閉或遭遇風攜物沖擊砸壞屋面或墻面，形成開孔，風從開孔處涌入，致使建筑物內(nèi)風壓急劇增大，圍護構(gòu)件在內(nèi)外風壓共同作用下極易破壞；

（3）強風吸力作用下，屋面檁條下翼緣、墻面檁條內(nèi)側(cè)翼緣受壓，失穩(wěn)遭受破壞，檁條變形及破壞使屋面板、墻面板變形更加嚴重，加速圍護構(gòu)件的破壞。

2 工程實例抗風設(shè)計

2.1 工程概況

某門式剛架輕型房屋，位于廣東省沿海地區(qū)，近幾年曾為臺風登陸口，臨近廠區(qū)有門式剛架輕型房屋在臺風來臨時受損嚴重。此廠房共兩跨，單跨跨度16 米，雙坡屋面，封閉式房屋，檐口高7.2 米，柱間距6 米，縱向總長60 米。

2.2 風荷載取值

對于重要的或體型復(fù)雜的建筑，應(yīng)由風洞試驗確定風荷載。風荷載計算時，應(yīng)取風洞試驗檢測數(shù)據(jù)與按照規(guī)范計算數(shù)值的大者。

計算風荷載時，應(yīng)根據(jù)建筑物封閉、開洞、懸挑檐口等實際情況，充分考慮建筑內(nèi)部壓力的影響。在臺風季節(jié)施工的，還需對施工狀態(tài)進行驗算。

根據(jù)荷載規(guī)范GB50009 與DBJ 15-101，本項目場區(qū)所在市區(qū)的基本風壓W0=0.55kN/m2，因廠房所在場區(qū)位于海邊，離市區(qū)有一定距離，且曾為臺風登陸口，初步判定該風壓值偏低，要求業(yè)主提供場地的氣象資料，根據(jù)氣象資料計算所得基本風壓W0=0.80kN/m2，二者取大值，W0=0.80kN/m2，地面粗糙程度為A 類。

相關(guān)規(guī)范要求，該房屋屬于自重較輕的對風荷載敏感的結(jié)構(gòu)，基本風壓應(yīng)適當提高[1]，提高系數(shù)為β，主鋼架計算時，β=1.1；墻梁、墻面板、中間區(qū)的屋檁、屋面板與檁條連接計算時，取β=1.5；邊區(qū)的屋檁、屋面板與檁條連接計算時，取β=1.8；角部的屋檁、屋面板與檁條連接計算時，取β=2.25[2-3]。

2.3 主體結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計

2.3.1 主體結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

廠房無吊車，柱底采用鉸接，為提高經(jīng)濟效益，剛架梁、柱均采用腹板高度變化的變截面構(gòu)件，鋼柱、鋼梁的側(cè)向穩(wěn)定依靠與墻梁、屋檁連接的隅撐起支撐作用。在廠房端部第一開間與廠房中部設(shè)置三道柱間支撐與屋面支撐，剛架之間設(shè)置剛性系桿連接，以提高廠房的整體縱向剛度，保證主體剛架的整體穩(wěn)定性。屋面鋼構(gòu)件布置詳見圖1（圖中，SC 為屋面支撐，ZC 為柱間支撐，XG 為剛性系桿）。

圖1 屋面鋼構(gòu)件布置平面圖

2.3.2 柱腳設(shè)計

臺風來臨時，廠房所受上拔力很大，柱腳錨栓、鋼柱與底板的焊縫受拉，容易破壞，設(shè)計時柱腳采取可靠措施保證結(jié)構(gòu)安全：

（1）為保證柱腳底板具有足夠的剛度、抗彎能力，受彎時不發(fā)生翹曲變形失效，底板厚度不小于錨栓直徑；

（2）加強柱腳與底板的焊縫強度，鋼柱腹板與底板采用雙面角焊縫，焊縫高度同腹板厚度；翼緣采用全熔透對接焊縫；

（3）鉸接柱腳設(shè)置四個錨栓，在柱腳底板上表面加焊加強墊板，計算錨栓受拉承載力時，采用螺紋處的有效截面面積，且外露螺母采用雙螺母以防松動，基礎(chǔ)內(nèi)保證足夠的錨固長度；

（4）為避免錨栓在拉、剪復(fù)雜應(yīng)力下破壞，柱腳設(shè)置抗剪鍵承擔柱底水平剪力。

2.4 圍護構(gòu)件抗風設(shè)計

圖2 風荷載系數(shù)分區(qū)

2.4.1 屋面、墻面檁條設(shè)計

（1）臺風作用下，屋面板的角部、邊區(qū)和墻面板的角部區(qū)域破壞嚴重，為避免檁條在強風作用下遭受破壞，加強此區(qū)域的檁條設(shè)計。為施工方便，加快施工進度，使檁條高度取值相等，屋面邊區(qū)、墻面角部區(qū)域通過加厚檁條厚度的措施加強，屋面角部的檁條間距減小，取中間區(qū)相應(yīng)檁條間距的一半，從而保證結(jié)構(gòu)安全。

2.4.2 屋面、墻面板設(shè)計

（1）項目位于海邊，海洋大氣對金屬材料破壞很嚴重，其腐蝕的程度比內(nèi)陸大氣高出許多倍，材料的防腐處理至關(guān)重要，是保證材料使用和耐久性的關(guān)鍵，屋面、墻面采用高耐腐蝕性的鍍鋁鋅壓型鋼板。

（2）壓型鋼板屋面是輕質(zhì)、薄壁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在風荷載作用下產(chǎn)生較大變形，且變形不能通過計算得出，應(yīng)采用通過抗風揭試驗的屋面板；為避免屋面板在強風荷載作用下被風攜物沖擊砸壞，成為風荷載突破口，采用通過抗風攜碎物沖擊性能測試的屋面板；

（3）屋面、墻面板采用雙層暗藏型金屬板，從構(gòu)造上保證風吸力作用下檁條下翼緣的穩(wěn)定性，且需保證壓型板在風載內(nèi)壓下的強度及抗風能力，單層壓型鋼板厚度大于1.0mm。

（4）為了加強屋面板的固定，在屋脊、檐口等邊角區(qū)域設(shè)置通長冷彎角鋼50X3。

2.4.3 屋面、墻面板與檁條連接設(shè)計

（1）支承結(jié)構(gòu)采用螺栓連接時，螺栓擰緊后，普通螺栓尾部外露螺紋不應(yīng)少于2 扣，高強螺栓尾部外露螺紋為2～3 絲扣。

（2）關(guān)于屋面板與檁條連接，當采用扣合式或直立縫鎖邊連接時，屋面板不能作為檁條的側(cè)向支撐；采用螺釘連接時，屋面板可以作為檁條的側(cè)向支撐[2]。在強風作用下，當屋面板的某個連接支座破壞，該支座所受荷載肯定會傳給相鄰的支座，故臨近的支座荷載瞬間增大，支座被拔出檁條而失效，連鎖反應(yīng)，支座連續(xù)破壞，屋面板脫離檁條被刮飛。本廠房采用螺釘與屋面板連接，但在風吸力作用下，屋面板由周邊支撐變?yōu)辄c支撐，自攻螺釘?shù)目拱纬休d力必須計算，本廠房采用計算滿足的抗臺風自攻螺釘。

（3）當固定屋面壓型鋼板與檁條的自攻螺釘?shù)尼旑^直徑小或壓型鋼板強度不足時，強風作用下，常發(fā)生屋面板被風掀開，自攻螺釘留在檁條上；普通自攻螺釘牙距較大、牙厚較小，自攻螺釘與檁條有效連接的牙厚抗剪強度不足，導(dǎo)致自攻螺釘與檁條的咬合力不夠，強風作用下，可能發(fā)生自攻螺釘連同壓型鋼板均被掀起。為避免這種破壞，本工程采用牙距較小、牙厚較大的抗臺風屋面防漏水鉆尾螺絲自攻螺釘。

2.4.4 門窗設(shè)計

門式剛架廠房設(shè)計時，為了廠房的通透性，在廠房縱向大面積設(shè)置了門窗。門窗在臺風來臨時有可能被砂石等雜物砸壞形成開孔，風灌進廠房內(nèi)部，而從使廠房由封閉式房屋變?yōu)椴糠址忾]式，風荷載體型系數(shù)增大，實際風壓比計算風壓增大很多，造成廠房圍護構(gòu)件破壞。當窗框或門框型材較薄時，在強風作用下，會導(dǎo)致窗框、門框變形，窗玻璃損壞。

為避免此類情況出現(xiàn)，對門窗進行如下抗風計算或采取相應(yīng)抗風措施，以保證門窗的安全。

（1）玻璃厚度需計算，計算時地面粗糙度類別為A 類。

（2）面積大于1.5m2的單塊玻璃，采用安全玻璃。

（3）門窗型材規(guī)格、型號選用時應(yīng)滿足抗風要求。連接門窗型材的構(gòu)件應(yīng)預(yù)埋，如只能后裝，固定件宜采用M12 以上結(jié)構(gòu)用膨脹螺絲，間距小于1m[4]。

（4）臺風來臨前，應(yīng)檢查門窗是否關(guān)好，特別是廠房內(nèi)高窗，減少不必要損失。

3 結(jié)語

輕型門式剛架廠房因其自重輕、縱向剛度弱等特點，在臺風作用下極易遭受破壞，工程設(shè)計時，應(yīng)重點了解臺風作用下的風壓實際值與設(shè)計計算值之間的差異，確定正確的計算方法。除按規(guī)范要求進行結(jié)構(gòu)計算，更需從細節(jié)上采取必要的構(gòu)造措施進行薄弱部位加固設(shè)計，以保證廠房滿足臺風地區(qū)的抗風要求，保證廠房安全。

本文通過工程實例，進行臺風地區(qū)門式剛架輕型房屋的破壞特點及原因分析，提出了在臺風地區(qū)對門式剛架輕型房屋進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的建議和措施，供以后臺風地區(qū)門式剛架設(shè)計參考。設(shè)計重點注意事項如下：

（1）首先注意，在南部沿地區(qū)，對于門式鋼架輕型房屋，一定需對各構(gòu)件進行抗風計算，采取可靠抗風措施，保證結(jié)構(gòu)安全。

（2）抗風計算時，選取基本風壓值時，應(yīng)取風洞試驗檢測數(shù)據(jù)與按照規(guī)范計算數(shù)值的大者。且門式鋼架輕型房屋屬于自重較輕的對風荷載敏感的結(jié)構(gòu)，基本風壓應(yīng)根據(jù)對風的敏感程度分區(qū)域適當成衣不同增大系數(shù)。

（3）進行結(jié)構(gòu)主體抗風設(shè)計時，對剛架及柱腳進行抗風計算，且合理布置柱間支撐、屋面水平支撐、屋面縱向剛架連接，保證結(jié)構(gòu)主體安全。

（4）進行結(jié)構(gòu)圍護構(gòu)件抗風設(shè)計時，不僅對各構(gòu)件進行抗風計算，還需注意構(gòu)件之間的連接，采取可靠措施保證房屋圍護構(gòu)件安全。