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從風荷載對輕鋼結構房屋的破壞看抗風設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
李文波 王賽寧
    關鍵詞：從風荷載對輕鋼結構房屋的破壞看抗風設計
    李文波 王賽寧
    摘要 本文著重介紹了美國MBMA96 和FM關于輕鋼結構房屋的風荷載設計方法和規定，并對國內輕鋼房屋風載設計提出一些建議。
    關鍵詞 低層房屋 設計風壓 壓力系數 開口 剛架 圍護結構 有效受風面積
    前言
    20世紀90年代以來，我國鋼結構建筑的發展十分迅速，特別是輕鋼結構的發展更是，如火如荼。輕鋼結構由于具有施工周期短，綜合經濟效益好，利于環保等優點，并且隨著近年來防火、防腐技術的不斷完善，使得它在工業廠房以及民用建筑中獲得了廣泛的應用。在中國經濟強勁增長，今年鋼產量預計可達2.65億噸的宏觀大背景下，可以預言，21世紀初期將是鋼結構快速發展時期，長期以來由混凝土結構、砌體結構一統天下的傳統格局將發生逆轉，它的崛起必將給建筑業帶來一次產業革命。從事鋼結構制造的企業、各建筑設計院正面臨著前所未有的機遇與挑戰。
    但是，不容回避的事實是，每當各地有大的風災、雪災發生時，輕鋼結構較其它結構相比，往往都遭受到更嚴重的破壞。如2004年第14號臺風“云娜”在浙江省溫嶺市登陸，造成1800多萬人受災，183人死亡，9人失蹤，直接經濟損失201億元。全市工業企業廠房倒塌272.2萬平方米，廠房破損756.2萬平方米，其中絕大部分是輕鋼廠房或輕鋼圍護廠房。
    臺州部分工業廠房在這次臺風中遭受如此重大損失，有其偶然性：因為遭遇了超強臺風的襲擊。據氣象部門統計資料顯示，這次臺風，是1956年以來，臺州遭遇到的風速最快、風力最強、臺風持續時間最長的超強臺風。臺風登陸時中心氣壓950百帕，臺州全境風力均達12級以上，內陸最大風速達53.5米/秒，大大超過十二級臺風36.9米／秒的上限，創國內實測最高記錄， “云娜”是繼1956年“8•1”臺風之后近48年來登陸浙江最強的臺風，也是1996年第15號臺風之后近8年來登陸我國大陸最強的臺風。臺風過境期間除少部分輕鋼結構廠房倒塌外，更多的情況是輕鋼結構廠房雖未倒塌，（甚至檁條也未遭嚴重破壞）但屋面板被掀去，致使大量機械設備、成品、半成品、原材料遭水浸泡是本次風災經濟損失巨大的重要原因之一。
    臺州部分工業廠房在這次臺風中遭受如此重大損失，也有其必然性：因為部分業主片面追求低價，降低了建筑物的安全性能，致使部分工業廠房的工程質量太差，抗風能力太低。臺風過后，臺州市建設規劃局馬上組織了30位專家，對該市62個工業企業的78個工程進行了調查和分析研究。他們的結論之一：“彩鋼板厚度和強度不足。據調查，受損彩鋼板屋蓋大部分采用Ⅰ(Q235)級鋼，板厚大多小于0.4毫米”；結論之二：“采用暗扣安裝形式的屋蓋，暗扣質量差，暗扣本身厚度和強度不足，暗扣數量偏少或漏設，在風力作用下，暗扣被拉直或拉脫”；結論之三：“采用螺栓（螺釘）安裝形式的屋蓋，螺栓（螺釘）數量偏少，螺帽下又未加設鋼板墊片，彩鋼板螺栓（螺釘）孔處在風載集中應力反復作用下，孔洞不斷擴大，彩鋼板產生疲勞破壞或撕裂；有的螺栓（螺釘）本身的質量差，在風力作用被拉出或拉斷；有的鋼檁條間距過大，剛度不足，在風力作用下，鋼檁條產生變形彎曲，造成屋蓋破壞。”結論之四：“輕鋼結構廠房的薄弱部位沒有加強抗風處理，臺風襲擊過程中，往往這些薄弱部門先行破壞，導致整個廠房圍護破壞”。
    縱觀以上結論，可以看出根本問題就是圍護系統的抗風能力不足，設計及施工存在缺陷。這種現象如得不到糾正，必定會對輕鋼結構帶來負面影響，阻礙整個行業的發展。那末是不是輕鋼結構真的不適合建造在沿海風力較大地區呢？結論當然是否定的。由巴特勒公司設計制造的“錢江摩托”等工業廠房經受住了該次臺風的考驗，不僅結構安全可靠，屋面漏雨的情況都未發生，可以說毫發無損，這就是一個很好的例證。
    由于全世界風災引起的損失每年達１００億美元以上，我國又是風災嚴重國家，而工程損傷和破壞又是風災損失的重要成份，因而工程抗風設計計算合理和全面與否是工程安全的抗風防災的重要因素。同時由于輕鋼結構自重輕，風荷載是其最主要的破壞因素，更應當給予特殊的重視。美國的輕鋼結構發展最早，技術最成熟，同時美國也是風災頻發的國家，其關于低層鋼結構房屋抗風設計技術和經驗是非常獨到和先進的。下面根據本人的理解介紹一下美國MBMA和FM關于風荷載的設計，供大家參考。

    1．低層房屋建筑系統手冊(LOW RISE BUILDING SYSTEMS MANUAL)
    《低層房屋建筑系統手冊》（1996）版（以下簡稱手冊）是由美國鋼結構房屋制造商協會(METAL BUILDING MANUFACTURE ASSOCIATION)編纂的技術規程。它反映了美國在低層鋼結構房屋建筑系統方面幾十年的研究成果和經驗積累。其關于低層建筑風荷載的取用和計算部分是該手冊的精華所在，使其成為輕鋼結構設計最重要的參考資料之一。我國建筑金屬結構協會主編的《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(CECS 102:2002) 中的風荷載體型系數即參考和引用自該書。
    需要說明的是美國的規范、規程允許多種新舊版本并存，如MBMA 2002 為最新版規程，但MBMA 86 和MBMA 96迄今仍是應用最為廣泛的版本。
    1.1 低層房屋的定義
    該手冊中低層房屋指屋面為平屋面、坡度小于30°的單坡屋面、雙坡屋面，屋面平均高度小于60英尺（約18米），檐口高度不大于建筑物最小平面尺寸的已完工建筑物。之所以有這樣的要求，是由于其風荷載的設計計算方法是在紊流邊界層風洞實驗的基礎上獲得的，而用于風洞實驗的研究模型具有上述幾何特點，所以當建筑物不滿足該項要求時，應參照其它規程（如ASCE-7 或UBC 等）確定風荷載值。
    自然界中的流體運動（例如風）存在著二種不同的形式：一種是層流，看上去平順、清晰，沒有摻混現象，例如靠近燃燒著的香煙頭附近細細的煙流；另一種則顯得雜亂無章，看上去毫無規則，例如煙囪里冒出來的滾滾濃煙，這就是湍流，也叫紊流。雖然國內外的風荷載研究均是建立在風洞實驗的基礎上的，但不同規范之間由于其適用對象的不同、研究手段的差異，使風荷載計算值相差較大，因此根據實際項目的自身特點，選擇合適的規范非常重要。一般說來，當設計對象為多、高層建筑時，應選用主要以層流邊界層風洞實驗為研究基礎的規范，如《建筑結構荷載規范》；當設計對象為低矮建筑時，應選用主要以紊流邊界層風洞實驗為研究基礎的規范，如《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》。有些人認為兩種風荷載計算方法并存是不合理的，然而這非但不是“不合理”的，反而恰恰是對自然界真實的、合理的、科學的反映。還有些人認為采用哪個規范計算偏安全，就采用那個規范，這樣的觀點也是不科學的，如果實驗研究證明它只會承受那么大的風荷載，設計中就取用那么大的風荷載就可以了，人為去放大它是沒有科學依據的。
    1.2 設計風壓
    設計風壓表達式：p= IW q(G Cp)

    p ---- 設計風壓（psf）；
    q ---- 速度風壓（psf）；

    q=0.00256V2(H/33)2/7

    IW ---- 風荷載重要性系數；

    V ---- 地面粗糙度C類，50年一遇的離地33英尺（約10米）高度處的里程風速（mph），當里程風速小于70 mph時，取70 mph ；
    H ---- 屋面平均高度(feet)，對于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度，但不小于15英尺（約4.5米）。
    GCp ---- 主框架或構件的組合壓力系數峰值。
    主結構選用表5.2（a），（b）
    次結構選用表5.7（a），（b）
    需要注意的是公式中的V(里程風速)其物理意義與國內風速是不同的，國內風速測量時距為10分鐘定值，而里程風速測量時距是長度為一英里的空氣通過風速計所需要的時間。因此對不同的風速值，其測量時距是變值。所以不能通過簡單的單位換算后，對兩種風速進行大小比較。中國基本風壓與美國里程風速對應關系詳見表2。

    風荷載的重要性系數反應的是，對不同重要性的建筑物須采用不同重現周期的風速，通過系數1.07和0.95 分別將50年一遇里程風速調整為100年一遇及25年一遇的里程風速。
    對于一棟建筑，只對應一個q（速度風壓）值，用于計算整個建筑系統不同構件的風荷載值，并且不隨構件所處的標高變化而變化，這是與國內規范的不同點之一。
    GCp 是主框架或構件的組合壓力系數峰值，其中G表示陣風反應系數，是一個考慮了風的紊流而取的放大系數；CpI內部壓力系數，CpE外部壓力系數，Cp組合壓力系數（相當于內部壓力系數和外部壓力系數組合后的系數）。由于研究過程中進行了廣泛的風洞實驗，借助傳感器“峰值系數”是可以監測到的，它就是GCp，所以在本規程中G和Cp總是以乘積的形式出現，并不真的有獨立的陣風反應系數值或組合壓力系數值。CpE外部壓力系數在物理意義上相當于國內規范中的“風載體型系數”。
    (H/33)2/7 既地面粗糙度系數KZ ，相當于國內規范中的“風壓高度變化系數”，需要指出的是，該規程在確定風荷載時，并未對不同建筑物所在場地的地面粗糙度進行區分，而是偏安全的統一取為C類（相當于國內規范B類地面粗糙度，µzB=(z/10)0.32）。所以在手冊中該值僅與建筑物屋面平均高度有關。
    美國規范中地面粗糙度類別定義如下：
    A類 ：大城市中心周圍有超過50%的建筑物高度超過70英尺（約20米）；
    B類 ：市內或郊區，樹木繁茂區或密集住宅及較大建筑物；
    C類 ：開闊地區或零星阻擋物；
    D類：平坦區域無阻擋物阻礙風吹過。
    分別對應國內《建筑結構荷載規范》的D~A類“地面粗糙度”。
    1.3 風荷載大小的確定
    1.3.1 建筑物的類型
    建筑物的內部壓力是由所謂“鼓風效應”和“吸風效應”產生的。迎風面墻上的開口使風吹入房屋內部，此時就如同吹氣球一樣， 產生一個作用于所有屋面、墻面的內部壓力。當開口位于背對風(或側對風)墻上時，由于該位置為風荷載的負壓區，部分空氣由室內流失，產生一個作用于所有屋面、墻面的內部吸力，由此可見開口與建筑物的內部壓力關系緊密。這里說的的開口（Opening）是指建筑物表面永久性的無有效遮蔽的，并且是根據設計要求留設的洞口。該規程根據建筑物圍護結構(屋面、墻面)上開口的面積率和分布情況的不同，將建筑物分為以下三類：
    封閉式建筑（Enclosed Buildings）是指在其圍護結構上無開口或開口分布相對均勻的建筑物, 封閉式建筑的內部壓力主要來源于外墻面門窗的開關，室內門窗的開關以及圍護結構的破損和開口等情況，其內部壓力系數CpI可取為+0.2（鼓風效應）和-0.2（吸風效應）。
    對于可有效承受風荷載的門窗，可不作為開口考慮。因此結構設計時必須考慮門、窗、墻面采光板等建筑附件的抗風設計，否則門窗一旦在風壓下破損，將改變建筑物的內部壓力，對結構產生不利影響。
    部分封閉式建筑（Partial Enclosed Buildings）是指墻面開口主要集中于一面墻上，該面墻上的開口面積之和大于該墻面積的5%，同時超過其余墻面及屋面開口面積總和 ，且其余墻面及屋面開口面積總和不超過其余墻面及屋面總和的20%的一類建筑物。這一類建筑物的特點是，有大開口，且分布極不均勻。 其內部壓力系數值CpI可取為+0.6（鼓風效應）和-0.3（吸風效應）。
    開敞式建筑物（Open Buildings）是指至少有80%的墻面開敞的建筑物。
    凡不符合部分封閉式建筑和敞式建筑物定義的，均應視為封閉式建筑物。
    1.3.2 屋面及墻面分區


    Z ---- 建筑邊緣帶寬度，取建筑最小水平尺寸的10%或0.4H中的較小值，但
    不得小于0.04B或3英尺（約 1 米）；計算剛架時的房屋端區寬度取Z(橫向)和2Z(縱向)；
    H ---- 屋面平均高度，對于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度；
    r ---- 屋面中區；
    s ---- 屋面邊區；
    c ---- 屋面角區；
    w ---- 墻面中區；
    e ---- 墻面邊區。

    1.3.3 剛架(Main Framing)組合壓力系數的確定
    剛架的橫（縱）向組合壓力系數 GCp可直接通過查表獲得，見表3、表4。
    由于風可以從任意方向吹來， 內部壓力系數應根據最不利原則與外部壓力系數組合，從而得到風荷載的控制工況。該規程通過“鼓風效應”和“吸風效應”分別與外部壓力系數組合得到兩種工況： 工況I為鼓風效應與外部壓力系數組合； 工況II為吸風效應與外部壓力系數組合。

    《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的“剛架的風荷載體型系數” 表 A.0.2-1中，橫向風作用的部分選自其荷載工況I，而縱向風作用的部分選自其荷載工況II。理論上講結構設計中兩種工況均應考慮， 并取用最不利工況下的荷載，通過比較我們發現一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規程所推薦的那兩種組合。
    需要注意的是MBMA規程規定：橫向風作用時，當房屋端區寬度（既2Z）小于端柱距尺寸時，端區比中區額外大出的那部分風荷載可直接作用于端剛架，并不在端剛架與相鄰中間剛架之間進行分配?？紤]到端剛架剛度往往較中間剛架剛度大得多，所以這樣的做法是合理的。
    由于在風荷載作用下的剛架側移是一個關于使用功能方面（正常使用極限狀態）的要求，而非強度或穩定方面（承載力極限狀態）的要求，因此手冊建議計算側移時采用一個較低的（10年）重現期的風載，即0.75 p。實際上風荷載作用下的剛架側移值遠小于按普通方法分析得出的計算值，原因是分析中未考慮蒙皮效應，及工程鉸的抗彎剛度等因素。
    1.3.4 附件及圍護結構(Components and Cladding)組合壓力系數的確定
    附件及圍護結構包含的構件的種類較多，其組合壓力系數GCp分別在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有詳盡描述，在此不再重復講述，僅談幾個設計中應注意的問題：
    圍護結構組合壓力系數為有效受風面積（Effective Wind Load Area）的函數，并與其線形相關。有效受風面積僅用于確定圍護結構的組合壓力系數，與受荷面積是完全不同的兩個概念，設計中應加以區分。
    《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中給出的組合壓力系數均為屋面角£10°的情況，由于組合壓力系數對屋面角很敏感，因此對屋面角>10°的情況應參考“手冊”相應條件下的系數。
    “手冊”允許當屋面角£10°時，墻面組合壓力系數減少10%。
    當構件同時位于兩個分區時，如端開間的檁條和墻梁，應判斷采用邊區還是中區的系數，“手冊”建議當構件超過一半的長度位于邊區內時，采用邊區系數；反之則采用中區系數。
    出屋面女兒墻組合壓力系數迎風面為+1.3，背風面為-1.3，這與國內《建筑結構荷載規范》的規定是相同的。
    2．FM 的風荷載設計
    FM（Factory Mutual Insurance Company）是美國“FM Global”的簡稱，它是世界上最主要的工商財產保險組織之一，其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”，1999年美國三家最大的“FM”保險公司(Allendale Insurance， Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機構FMRC（Factory Mutual Research Corp.）發布的屋面系統抗風標準、抗風測試及產品認證在全世界得到廣泛的認可，并在輕鋼結構廠房屋面設計、制作、安裝過程中得到廣泛的借鑒和應用，為眾多（被保險或未被保險的）企業避免或降低了風災損失。這其中許多內容是值得國內輕鋼結構設計、制作單位借鑒的。
    FM風荷載設計所要遵循的技術標準（FM Global Property Loss Prevention Date Sheets）主要有如下幾個：
    LPD 1-28 Design Wind Loads
    LPD 1-31 Metal Roof System
    LPD 1-54 Roof Loads for New Construction (gravity loads)
    FM的風荷載取值源自美國土建工程師協會（American Society of Civil Engineers）編纂的ASCE 7 – 98 “Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”， （即《建筑結構最小荷載規范》，它是美國主流荷載規范之一）。FMRC對其作了如下修正：
    1．對所有建筑結構的風荷載重要性系數均取為 I=1.15　，其意義在于將風速的重現期由50年調整為100年；
    2．當建筑位于地面粗糙度為A 類地區時，地面粗糙度取為B 類；
    3．對基本風速大于等于120mph的有颶風的海岸線，地面粗糙度取為C 類；
    4．按10sf （ 約1m2 ）有效受風面積確定屋面系統的設計風壓（p）。

    2.1 FM（ASCE 7 – 98）的設計風壓
    設計風壓表達式：p= qz [(G Cpf) - (G Cpi)]
    p ---- 設計風壓（psf）；
    qz ---- 速度風壓（psf）；

    qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I

    Kz ---- 地面粗糙度系數；
    Kzt ---- 地形條件修正系數（1.0）；
    Kd ---- 風向系數（0.85）；
    I ---- 風荷載重要性系數（1.15）；
    V ---- 基本風速（Basic Wind Speed）指C 類場地10米高度處 3秒陣風速度；
    公式中的V(里程風速)其物理意義又與MBMA 96 有所不同，其風速測量時距為3秒，所以其風速表達值較其它規范顯得偏大。國內主要城市的3秒陣風速度值，在LPD 1-28中已有規定，設計時僅依據城市名稱便可查出該值。

    注：全國其它主要城市風速值詳見 LPD 1-28 。
    G Cpi為內部壓力系數，該規范規定：對封閉式建筑取為+0.18（鼓風效應）和-0.18（吸風效應）；對辦封閉式建筑取為+0.55（鼓風效應）和-0.55（吸風效應）。
    G Cpf為外部壓力系數，外部壓力系數分為剛架（Main Wind Force Resisting System）的外部壓力系數，和附件及圍護結構（Components and Cladding）的外部壓力系數。分別見表-6和圖-3至圖-6。




    圖-4和圖-6中橫坐標軸為有效受風面積（Effective Wind Load Area），單位為sf（m2），縱坐標軸為附件及圍護結構的外部壓力系數。須要注意的是圖-4給出了屋面構件的風荷載壓力系數，設計中風吸、風壓應分別予以計算并確定最不利組合。當屋面角£10°時，墻面外部壓力系數可減少10%。ASCE 7-98 中關于房屋類型和屋面分區“a”和“h”值的定義與MBMA 96 相同的。
    FM屋面分區與前面介紹的MBMA 96 的主要區別是：
    1．當屋面坡角大于10°時，屋脊處也會出現邊區和角區，見圖-3；
    2．當沿建筑物屋面四周有高度超過屋面1米的女兒墻，并且屋面坡角不大于10°時，角區由邊區代替；
    3．FM（ASCE7-98）給出了屋面高度超過18米時的屋面分區，這對多層廠房屋面抗風設計有較大的指導意義；
    4．角區僅可能出現在建筑物屋面的陽角處，屋面陰角處為邊區不出現角區。

    2.2 FM 屋面風暴等級確定
    根據上述步驟得到屋面中區有效受風面積為10sf （ 約1m2 ）的設計風壓p，便可根據下表確定屋面中區的風暴等級。

    1-60、1-75、1-90等 是FM的抗風暴等級，它表示該級別屋面系統經FMRC風荷載實驗驗證可承受的風壓分別可達60psf(約2.87kn/m2)，75psf(約3.59kn/m2)，90psf(約4.31kn/m2)。其中1-60為最低抗風等級，相鄰各級的級差為15psf(約0.718kn/m2)。通過觀察我們會發現，所要求抗風暴等級的實際承載力總是>=2倍的設計風壓 p，它相當于屋面系統得極限承載力。
    確定屋面中區風暴等級后，便可根據下表確定屋面邊區和角區的風暴等級。


    2.3 FM 抗風設計的特點
    1．FMRC抗風設計側重圍護結構，尤其是屋面結構系統。它將不同公司的多種屋面系統根據其抗風能力的大小劃分為1-60,1-90,1-135等幾個抗風暴等級，而每一級別的屋面系統的抗風能力認證，則完全是通過實驗驗證的方法確定的。
    2．抗風能力是由包括屋面板、檁條、連接件及其相互之間的連接等在內的整個系統的抗風能力所決定的。單獨某個構件的抗風能力是不確定的。
    3．主結構（剛架）抗風設計滿足規范（ASCE 7-98）要求即可，并無特殊風載要求，抗風設計的重點在圍護結構上。
    對比國內，以上幾點恰恰是值得我們學習借鑒的。國內一般強調的是單個的產品，如檁條、屋面板等，缺少“系統”的概念。輕鋼企業賣給客戶的所謂系統是市場上拼湊來的，少有自己研發的系統。這一方面反映了我們的市場還處于初級階段，另一方面也跟我們行業的大氣侯有關：結構設計資質在設計院，那么設計院必然要根據市場上的材料供應來設計項目，所以成了沒有設計資質的檁條、屋面板的生產廠在領導市場，后果可想而知。而設計院也很難設計出完整的系統，僅就組成屋面系統的各種材料的材料標準一點而言，一般設計圖紙很難能說清楚的。在美國，輕鋼企業是有設計資質的，不同企業都能“開發”出自己的建筑系統，并清楚知道其建筑系統的承載力，市場上賣的是系統，而不是單個構件產品，因此其整體技術水平較國內企業高，這值得我們效仿。建筑系統的研發只能寄希望于企業，應當容許和鼓勵輕鋼企業取得設計資質，實現企業技術升級；同時適當提高行業準入門檻，凈化市場環境，以利于整個行業的長遠發展。
    痛定思痛，“云娜”臺風給了我們整個行業一個教訓，加強輕鋼結構的抗風設計已刻不容緩。臺州市建設規劃局的災后調查結論中關于輕鋼結構廠房的章節，句句緊扣圍護、連接結構，直指板與次結構的連接破壞為禍首。這與我們自己的現場調查結果是吻合的。我公司的廠房沒出現破損現象，這是我們平時注重建筑系統的研發，重視實驗，并較好握了建筑系統抗風設計技術的必然結果。

    3. 結束語
    工程實踐不斷表明，輕鋼結構的抗風設計是異常重要的，圍護結構又是抗風設計的重點。
    本文關于MBMA 96 的介紹，是希望設計人員能在理解的基礎上更好的使用《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》；關于FM的介紹，是希望能為整個行業抗風技術發展提供一個思路。
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