建筑结构丨看轻钢结构如何抵御台风的袭击

本文转载自iStructure微信公众号

风是影响结构设计的主要荷载之一。所谓的风荷载，不是吹面不寒的杨柳春风，而是“大风”。大到什么程度？

它能把结构“推倒”!

甚至“掰弯”!

近年来极端气候频繁发生，结构被大风破坏的案例数不胜数，特别是跨度大、自重轻的轻钢结构和空间钢结构建筑。本期由特约作者“程贤树”带来风灾现场的报道。

轻钢房屋的用钢量低、工业化程度高、施工速度快，因而广泛应用于工业厂房等建筑中。轻钢房屋对风荷载比较敏感，在强风或者台风条件下发生损坏的惨例时有发生。

9级风作用下，某体育馆屋面系统破坏

屋面板和檩条破坏后散落

屋面檩条构件和连接等薄弱部位破坏

2013年11月10日，海南某游客中心

屋顶被台风"海燕"掀翻

2015年强台风“彩虹”，某奥体中心

屋面板和保温防水层损坏,面积约10万平米 。

大风造成的破坏主要集中在二次结构、围护系统和附属结构上，需引起工程师重视。

轻钢屋面被大风“暴力”掀翻

下面详细介绍2016年第14号台风“莫兰蒂”，侵袭某在建轻钢厂房的案例。试图通过灾害分析，从设计和施工两方面提出防御台风的对策。

项目概况

本案例位于厦门市，距海边约15公里。工程包括3栋工业厂房、办公楼及配套用房等，厂房为单层轻型钢结构，办公楼及配套用房为钢筋混凝土结构。

3栋厂房的平面尺寸分别为300mx190m、320mx150m、120mx65m。屋面檩条为Z型冷弯薄壁型钢，屋面采用单层彩板+保温棉；墙梁为C型冷弯薄壁型钢，墙面采用内外层彩板+保温棉。

当地的设计基本风压为0.80 kN/㎡。受灾时工程尚未完工，厂房主钢架、屋面板、墙梁安装完毕，但是仅安装了少量的墙面内板，外墙板均未施工。

轻钢房屋破坏情况

台风“莫兰蒂”于2016年9月15日凌晨3点在厦门市沿海登陆。登陆时强台风级别为15级（48米/秒）。此次台风为当年最强台风，建国以来历史第2强。本项目受台风直面袭击，现场一片狼藉，损失较重。

台风过后，对现场进行勘查发现：厂房主体钢架及基础完好；围护系统中屋面破坏严重，而墙面围护破坏较小。在有混凝土附属房屋遮挡处，以及背风面，风速降低，屋面的破坏明显减轻。

从屋面板的损坏部位来看，损坏多发生屋面边缘、屋脊等部位，破坏形式是彩板变形、被掀起、在支座节点处破损脱离。

屋面板的破坏形式有以下几种：

彩钢板脱离支座被掀起

屋脊屋面彩板大面积被台风掀起吹走

高跨范围的屋面彩板全部掀起破坏

局部一条屋面彩板条状撕开，保温岩棉外露

屋面彩板起鼓、咬口接缝松动，保温岩棉外露

屋脊盖板被风掀起

屋面彩板被外物刮破、致损

在厂房屋檐、屋脊、屋面角部等边缘区域屋面板破坏最严重。彩板支座被拉变形破坏、支座铆钉被拔出或拉断，甚至整片屋面板脱离结构檩条。屋面板边缘带先发生局部破坏，然后引发更大面积的损坏。

被掀起的屋面板堆积于屋面上

破坏原因分析

以下从设计和施工现场情况两方面，分析此次风致损失的原因。

1.工程设计方面:

1.1 在屋檐、屋脊、屋面角部等边缘带，风荷载体型系数比较大，设计需对檩条间距和固定点加密。勘查中发现，现场大面积掀起破坏区域，在屋面边区及角部的彩板与结构檩条的支座间距与中间区相同，未进行加密，是抗风的薄弱部位。

1.2 屋面彩板与结构檩条的连接需进行加强。在强风下，只要有一个屋面板连接支座脱离檩条，其相邻的支座受力必然增大，导致支座被连续被拉拔破坏（或者彩板脱离支座），进而导致破坏范围扩大。

1.3 当屋面板采用自攻螺钉与檩条连接，在风吸力作用下，屋面板由周边支承变为点支承，应验算自攻螺钉的抗拔承载力。

当屋面板采用锁边咬合连接，则应保证支座的刚度和强度，计算支座与檩条连接的自攻螺钉抗拔承载力。

2.现场施工方面的原因

2.1 未根据项目特点进行防台风施工组织。2016年台风“莫兰蒂”登陆厦门，适逢天文大潮期，大风、暴雨和风暴潮三碰头。风来临时，本项目屋面板全部铺设完毕，但是局部外墙内板和内隔墙尚未安装。

结构设计时按封闭式房屋考虑，而现场形成了部分封闭式房屋或开敞式房屋，风荷载作用的体型系数相差很大。对于有三面墙体与屋面形成了兜风的“袋口”形房屋，根据《荷载规范》单面开敞式双坡屋面开口迎风屋面体型系数高达-1.3，远大于封闭式房屋。施工过程中房屋体型的变化，是风致损失不可忽视的因素。对于可能受台风影响的项目，施工组织设计时应综合考虑施工顺序。

本案例的场地南面临海，如果考虑主钢架的有利遮挡作用，先施工最北侧厂房围护结构。围护结构先施工屋面板，再施工迎风面墙板→侧面墙板→背风面墙板，避免形成“大袋口”形兜风房屋，使施工中的房屋一直保持有利的抗风体型。

2.2 屋面板的直立锁边施工质量不到位：

屋面板直立锁边支座

屋面板采用支座+360°直立锁边形式，安装需专用电动锁边机，而且一定要锁匀、锁牢，密封胶要充满密实。咬合不均、咬合不完全等施工质量缺陷，将大幅降低连接强度。在大型空间结构屋面系统中，也可以采用抗风夹加强屋面板抗风揭能力。

抗风夹加强屋面板抗风揭能力

2.3 屋面板T型支座的施工质量不到位。连接螺栓配置不足，或者未完全紧固，导致支座底板与檩条没有完全贴合，连接承载力低。在强风吸力作用下，支座从檩条上拔出，造成整块屋面板的掀起破坏。

2.4 檐沟、屋脊盖板、侧墙女儿墙盖板等部位的构造不合理、连接强度不足，造成屋面局部破坏。

防御台风灾害的工程对策

a. 重视围护系统的设计。轻钢房屋的主刚架、檩条、墙梁按照现行规范设计，破坏现象很少。大风造成的破坏主要集中在二次结构、围护系统和附属结构上，需加强连接的强度和构造。

b. 重视施工质量。做好屋面彩板锁缝、连接支座、拉铆钉等的施工质量控制。

c. 重视台风区的轻钢房屋施工组织设计。制定抗风施工组织方案，使施工中的轻钢房屋保持有利的抗风体型，尽可能减小风灾损失。

参考资料：

金玉芬, 杨庆山, 李启. 轻钢房屋围护结构的台风灾害调查与分析[J]. 建筑结构学报,2010.

再补充一些高层建筑抗风的知识

建筑的设计风荷载

结构抗风，可分为建筑表皮围护结构和主体结构两个方面。对于超高层建筑来说，最主要的围护结构就是玻璃幕墙。通常是通过风洞试验，测试表面风压系数和阵风系数，得到设计围护结构的风荷载。

台风导致的玻璃幕墙破坏

主体结构的抗风设计，包括测试和分析风荷载取值，计算结构在风荷载作用下的响应，从而评价结构方案的安全性和舒适性。

当建筑超过一定高度后，风致响应可能比地震响应更大，成为控制主体结构设计的主要作用。这时应谨慎对待风荷载的取值，通常需要借助风洞试验和数值模拟。

通过风洞实验，不仅得到建筑表面的荷载，也得到施加到动力模型上的风振响应。目前主要用频域的方法，并用CQC或SRSS方法等进行振型组合。

超高层结构表面风压分布 吴天河 罗兴隆

在完成以上分析之后，得到结构的最大风致响应，并进一步得到“等效静风荷载“。所谓的等效静风荷载，是把风荷载的最大动力作用等效转化为静力荷载，方便设计计算。

一般的方案修改建议和抗风措施包括，对建筑表面进行处理（如表面增加竖条以改变粗糙度）、调整整体或部分体型以改变所受气动荷载、设置阻尼器等。

结构的气动荷载与建筑体形密切相关。通过对建筑外形的精心设计，以减少结构风荷载是一个高效的方法。超高层建筑体型比选和优化是一个重要的研究课题。

武汉绿地中心：形体和风槽可显著减小风荷载

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