钢结构建筑风灾及防治

康文梅;戚豹

【摘 要】风灾对钢结构建筑产生的经济损失居各种自然灾害之首.通过对钢结构建筑在风灾中的破坏形式和原因进行分析,风灾导致破坏的主要原因为瞬时风荷载过大造成围护结构或附属结构破坏、梁柱构件节点破坏、基础向上位移过大及主体结构倒塌破坏等,并提出了在设计时考虑阵风系数、围护结构采用可靠连接、加强柱脚与基础的连接,增加结构整体刚度及加强施工质量管理等防治措施. 【期刊名称】《江苏建筑职业技术学院学报》 【年(卷),期】2010(010)004 【总页数】3页(P13-15)

【关键词】钢结构;风灾损失;防治措施 【作 者】康文梅;戚豹

【作者单位】徐州建筑职业技术学院,建筑工程管理学院,江苏,徐州,221116;徐州建筑职业技术学院,建筑工程管理学院,江苏,徐州,221116 【正文语种】中 文 【中图分类】TU391

钢结构建筑堪称“绿色建筑”,在体育场馆、航站楼、火车站等大型人员密集型公共建筑中应用越来越普遍.钢结构具有自重轻、强度高、施工方便、综合造价低、易拆装、可回收利用、造型美观、现代感强等优点[1].但是,由于钢结构外围护结构,

特别是在檐口部位的构件壁薄、重量轻、稳定性差等特点,决定了其抗风性能较差.据有关资料显示,风灾造成的钢结构围护结构的损失,居各种自然灾害之首.为了提高钢结构的抗风能力,减少风灾损失,本文对钢结构建筑风灾破坏形式及原因进行了分析,提出相应的防治措施,可为钢结构建筑抗风设计提供借鉴和帮助. 1 钢结构风灾破坏形式及原因分析

由风灾引起钢结构的破坏可分为围护结构或附属结构破坏、钢结构主体结构或基础破坏两大类.

1.1 围护结构或附属结构风灾破坏分析

钢结构建筑围护结构或附属结构风灾破坏形式,一般表现为钢结构的主体结构保持完好,只是房屋的屋面、墙板、天沟等围护结构和广告牌面板发生局部或整体破坏,造成的经济损失相对较小,比较容易修复.破坏形式具体表现为:房屋的四周钢天沟部分或全部发生严重变形,屋面、墙板发生局部破坏;房屋的屋面、墙板广告牌的面板全部破坏,被风刮落,墙梁和广告牌钢骨架上出现拉铆钉被拉断或拉脱现象,檩条和墙梁发生变形;灯箱广告牌因与柱子连接的螺栓的抗风能力不够而被刮落,只剩下钢骨架[2].

造成上述破坏的原因主要有以下几点:

(1)钢天沟的刚度小或不锈钢天沟固定支架间距过大,抗风能力差,在风荷载作用下发生扭曲变形.

(2)由被风吹下的其它损坏物砸坏所产生的次生破坏[3].

(3)由于屋面板、墙板、广告牌面板与钢骨架的连接,一般采用螺栓和拉铆钉连接,在风吸力作用下,由周边支承变为点支承,屋面板、墙板、广告牌面板发生冲剪破坏或螺栓、拉铆钉拉断或被拔出而破坏.

(4)卡扣式压型钢板屋面在风吸力作用下,发生脱卡现象而被风吹走[3],如深圳宝安游泳馆一次台风造成围护结构损失达 80余万元,如图1所示.

(5)在风吸力作用下,屋面檩条的下翼缘和墙梁的内侧受压,由于在屋面檩条的下翼缘和墙梁的内侧没有加劲肋和侧向支撑,致使檩条和墙梁发生失稳破坏. 1.2 主体结构或基础风灾破坏分析

钢结构建筑主体结构风灾破坏形式一般发生在轻钢结构中,主体结构发生部分或整体倒塌,柱子出现折断或被拔起,基础被拔出,致使结构无法修复,造成巨大的经济损失.破坏形式具体表现为:整体门式刚架倒塌;柱子变截面处或柱底因扭断或折断而破坏;柱子与底板的焊缝被拉开,地脚螺栓被拉断,底板发生翘曲;采用埋入式柱脚的柱子因埋入基础的深度不够而被拔出;基础的埋深不够或基础重量偏轻,导致基础抗拔能力不够而拔出.

图1 宝安游泳馆风灾损坏Fig.1 Losses to Bao＇an natatoriumby wind hazard 造成上述破坏的原因主要有以下几点:

(1)主刚架柱和山墙刚架柱以及广告牌墙架柱之间无柱间支撑或支撑强度不够,导致结构的整体刚度小,抗风能力差,致使结构整体倒塌.

(2)柱截面变化不合理,刚度突变过大,造成在柱变截面处发生扭断或折断.

(3)柱脚构造不合理.主要体现为:采用埋入式柱脚时,柱子因埋入基础的深度不够被拔出而失效;采用外露式柱脚时,柱底板太薄,刚度不够,抗弯能力不足,在受弯时柱底板发生翘曲而失效;地脚螺栓数量少或直径小,在剪应力和拉应力的共同作用下被拉断而破坏;底板焊缝设计不合理,柱子与底板的焊缝用单边角焊缝,焊缝质量不合格,强度不够,有虚焊、漏焊和未焊透现象,导致柱子与底板的焊缝被拉开. (4)基础的埋深不够或基础重量偏轻,导致基础抗拔能力不够而失效.

(5)风荷载计算有误,取值偏小.对于轻钢结构,在以往的设计中,取风振系数为1,只考虑了基本风压,而台风瞬时风力过大,由于其脉动效应产生的瞬时风压比基本风压要大得多,风荷载设计值取值偏小,钢构件之间的连接强度和基础的抗拔能力不够,导致轻钢结构在台风作用下发生破坏的一个重要原因.

2 减少钢结构建筑风灾损失的主要措施

为了提高钢结构的抗风能力,减小钢结构的风灾损失,根据其风灾损失特点和破坏原因,在风灾多发区,要从建筑外形和布置上考虑抗风,采用有利于空气流动,不易产生兜风的建筑形式,可采用抗风能力强的推拉门,不宜采用抗风能力弱的卷帘门.另外,要从结构设计、施工、管理等方面预防破坏. 2.1 考虑阵风系数

台风破坏力极强,作用范围小、周期短,具有明显的紊乱性和随机性,属于脉动风[4].我国基本风压采用的是10 min的平均风速,其周期远大于台风周期.在设计时,若取风振系数为1.0,就没有考虑台风脉动效应的影响.所以,在台风多发区,不考虑风振系数时,须考虑风压脉动的阵风系数,以求得准确的风荷载. 2.2 屋面、墙板接缝宜采用可靠连接

尽量减少屋面、墙板的接缝,不宜采用抗风能力较弱的拉铆钉或卡扣式连接,应采用自攻螺丝.加强屋面板和檩条、墙板和墙梁的连接,增加面板对檩条、墙梁以及柱的蒙皮效应,从而增加结构的刚度,提高结构的抗风性能.

屋面板、墙板、广告牌面板的连接计算,应按风吸力作用下点支承计算确定,对面板进行抗冲剪验算,对连接件(拉铆钉、自攻螺丝)进行抗拉和抗拔验算. 2.3 采用可靠柱脚节点

采用埋入式柱脚时,柱子埋入基础的深度不能太浅,建议采用3倍的钢柱截面高度或直径;采用外露式柱脚时,柱底板不宜太薄,要保证底板具有足够的刚度和抗弯能力,在受弯时不至于使底板发生翘曲而失效.为了更好地保护柱脚,在柱子施工完成后宜用混凝土包裹;为了防止地脚螺栓在剪、拉复杂应力作用下发生破坏,不宜使地脚螺栓承担柱底水平剪力,水平剪力可由板底和混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键承担,使地脚螺栓只受拉力作用[5].适当增加地脚螺栓数量或增大其直径,对地脚螺栓进行抗拉能力验算;柱子翼缘与底板的焊缝采用剖口焊,柱子腹板与底板的焊缝采用双边

角焊缝.不宜采用单边角焊缝. 2.4 增加结构刚度

增加结构整体刚度.在厂房、仓库的主排架柱和山墙排架柱,以及广告牌墙架柱之间设置柱间支撑.屋盖设置屋架支撑和刚性系杆,以增加结构的整体刚度,有必要时可以设置柱间水平支撑,以减小柱子的计算长度,提高柱子的稳定性和增加结构的整体刚度.

2.5 严格施工质量管理

在风灾事故中,施工质量(特别是焊缝的质量)不合格,也是导致结构破坏的一个重要原因.施工必须严格按照国家规范、规程进行,不得偷工减料,以次充好,以劣代优.要加强对设计和施工的监督和管理,防止一些部门和单位不按国家的有关设计和施工规范、规程进行设计和施工. 3 结语

钢结构建筑由于风灾造成的经济损失居各种自然灾害引起的损失之首,特别是轻钢结构的抗风设计比抗震设计更重要.所以,在台风多发区,轻钢结构的抗风设计应引起有关设计人员的重视,要对本地区以往风灾造成钢结构建筑损坏的案例进行充分分析,对可能发生的风灾要有合理的预估,要对钢结构建筑预留安全储备.在建筑设计时,采用合理体型,结构设计时,考虑阵风系数及尽可能增大结构的整体刚度.围护结构节点采用自攻螺丝连接,施工管理时严抓材料及焊缝质量等措施,提高钢结构建筑的抗风性能,把风灾损失减至最小. 参考文献:

【相关文献】

[1]弓晓芸.轻钢结构建筑的应用及发展[J].工业建筑,2000,30(1):13-17. [2]汤德英.广告牌抗风设计和加强措施探讨[J].建筑结构,2000,30(9):26-27. [3]弓晓芸.台风灾害中轻钢结构建筑的破坏及分析[J].工业建筑,1997,10(27):51-55. [4]张相庭.工程抗风设计计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[5]俞广东,王恒华,施红军.东南大学校医院大楼轻钢结构增层设计[J].徐州建筑职业技术学院学报,2002,2(1):38-40.