从风荷载对轻钢结构房屋的破坏看抗风设计

作者:建筑钢结构网    
时间:2009-12-22 20:26:03 [收藏]
李文波 王赛宁
    关键词:从风荷载对轻钢结构房屋的破坏看抗风设计
    李文波 王赛宁
    摘要 本文着重介绍了美国MBMA96 和FM关于轻钢结构房屋的风荷载设计方法和规定,并对国内轻钢房屋风载设计提出一些建议。
    关键词 低层房屋 设计风压 压力系数 开口 刚架 围护结构 有效受风面积
    前言
    20世纪90年代以来,我国钢结构建筑的发展十分迅速,特别是轻钢结构的发展更是,如火如荼。轻钢结构由于具有施工周期短,综合经济效益好,利于环保等优点,并且随着近年来防火、防腐技术的不断完善,使得它在工业厂房以及民用建筑中获得了广泛的应用。在中国经济强劲增长,今年钢产量预计可达2.65亿吨的宏观大背景下,可以预言,21世纪初期将是钢结构快速发展时期,长期以来由混凝土结构、砌体结构一统天下的传统格局将发生逆转,它的崛起必将给建筑业带来一次产业革命。从事钢结构制造的企业、各建筑设计院正面临着前所未有的机遇与挑战。
    但是,不容回避的事实是,每当各地有大的风灾、雪灾发生时,轻钢结构较其它结构相比,往往都遭受到更严重的破坏。如2004年第14号台风“云娜”在浙江省温岭市登陆,造成1800多万人受灾,183人死亡,9人失踪,直接经济损失201亿元。全市工业企业厂房倒塌272.2万平方米,厂房破损756.2万平方米,其中绝大部分是轻钢厂房或轻钢围护厂房。
    台州部分工业厂房在这次台风中遭受如此重大损失,有其偶然性:因为遭遇了超强台风的袭击。据气象部门统计资料显示,这次台风,是1956年以来,台州遭遇到的风速最快、风力最强、台风持续时间最长的超强台风。台风登陆时中心气压950百帕,台州全境风力均达12级以上,内陆最大风速达53.5米/秒,大大超过十二级台风36.9米/秒的上限,创国内实测最高记录, “云娜”是继1956年“8•1”台风之后近48年来登陆浙江最强的台风,也是1996年第15号台风之后近8年来登陆我国大陆最强的台风。台风过境期间除少部分轻钢结构厂房倒塌外,更多的情况是轻钢结构厂房虽未倒塌,(甚至檩条也未遭严重破坏)但屋面板被掀去,致使大量机械设备、成品、半成品、原材料遭水浸泡是本次风灾经济损失巨大的重要原因之一。
    台州部分工业厂房在这次台风中遭受如此重大损失,也有其必然性:因为部分业主片面追求低价,降低了建筑物的安全性能,致使部分工业厂房的工程质量太差,抗风能力太低。台风过后,台州市建设规划局马上组织了30位专家,对该市62个工业企业的78个工程进行了调查和分析研究。他们的结论之一:“彩钢板厚度和强度不足。据调查,受损彩钢板屋盖大部分采用Ⅰ(Q235)级钢,板厚大多小于0.4毫米”;结论之二:“采用暗扣安装形式的屋盖,暗扣质量差,暗扣本身厚度和强度不足,暗扣数量偏少或漏设,在风力作用下,暗扣被拉直或拉脱”;结论之三:“采用螺栓(螺钉)安装形式的屋盖,螺栓(螺钉)数量偏少,螺帽下又未加设钢板垫片,彩钢板螺栓(螺钉)孔处在风载集中应力反复作用下,孔洞不断扩大,彩钢板产生疲劳破坏或撕裂;有的螺栓(螺钉)本身的质量差,在风力作用被拉出或拉断;有的钢檩条间距过大,刚度不足,在风力作用下,钢檩条产生变形弯曲,造成屋盖破坏。”结论之四:“轻钢结构厂房的薄弱部位没有加强抗风处理,台风袭击过程中,往往这些薄弱部门先行破坏,导致整个厂房围护破坏”。
    纵观以上结论,可以看出根本问题就是围护系统的抗风能力不足,设计及施工存在缺陷。这种现象如得不到纠正,必定会对轻钢结构带来负面影响,阻碍整个行业的发展。那末是不是轻钢结构真的不适合建造在沿海风力较大地区呢?结论当然是否定的。由巴特勒公司设计制造的“钱江摩托”等工业厂房经受住了该次台风的考验,不仅结构安全可靠,屋面漏雨的情况都未发生,可以说毫发无损,这就是一个很好的例证。
    由于全世界风灾引起的损失每年达100亿美元以上,我国又是风灾严重国家,而工程损伤和破坏又是风灾损失的重要成份,因而工程抗风设计计算合理和全面与否是工程安全的抗风防灾的重要因素。同时由于轻钢结构自重轻,风荷载是其最主要的破坏因素,更应当给予特殊的重视。美国的轻钢结构发展最早,技术最成熟,同时美国也是风灾频发的国家,其关于低层钢结构房屋抗风设计技术和经验是非常独到和先进的。下面根据本人的理解介绍一下美国MBMA和FM关于风荷载的设计,供大家参考。

    1.低层房屋建筑系统手册(LOW RISE BUILDING SYSTEMS MANUAL)
    《低层房屋建筑系统手册》(1996)版(以下简称手册)是由美国钢结构房屋制造商协会(METAL BUILDING MANUFACTURE ASSOCIATION)编纂的技术规程。它反映了美国在低层钢结构房屋建筑系统方面几十年的研究成果和经验积累。其关于低层建筑风荷载的取用和计算部分是该手册的精华所在,使其成为轻钢结构设计最重要的参考资料之一。我国建筑金属结构协会主编的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102:2002) 中的风荷载体型系数即参考和引用自该书。
    需要说明的是美国的规范、规程允许多种新旧版本并存,如MBMA 2002 为最新版规程,但MBMA 86 和MBMA 96迄今仍是应用最为广泛的版本。
    1.1 低层房屋的定义
    该手册中低层房屋指屋面为平屋面、坡度小于30°的单坡屋面、双坡屋面,屋面平均高度小于60英尺(约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。之所以有这样的要求,是由于其风荷载的设计计算方法是在紊流边界层风洞实验的基础上获得的,而用于风洞实验的研究模型具有上述几何特点,所以当建筑物不满足该项要求时,应参照其它规程(如ASCE-7 或UBC 等)确定风荷载值。
    自然界中的流体运动(例如风)存在着二种不同的形式:一种是层流,看上去平顺、清晰,没有掺混现象,例如靠近燃烧着的香烟头附近细细的烟流;另一种则显得杂乱无章,看上去毫无规则,例如烟囱里冒出来的滚滚浓烟,这就是湍流,也叫紊流。虽然国内外的风荷载研究均是建立在风洞实验的基础上的,但不同规范之间由于其适用对象的不同、研究手段的差异,使风荷载计算值相差较大,因此根据实际项目的自身特点,选择合适的规范非常重要。一般说来,当设计对象为多、高层建筑时,应选用主要以层流边界层风洞实验为研究基础的规范,如《建筑结构荷载规范》;当设计对象为低矮建筑时,应选用主要以紊流边界层风洞实验为研究基础的规范,如《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》。有些人认为两种风荷载计算方法并存是不合理的,然而这非但不是“不合理”的,反而恰恰是对自然界真实的、合理的、科学的反映。还有些人认为采用哪个规范计算偏安全,就采用那个规范,这样的观点也是不科学的,如果实验研究证明它只会承受那么大的风荷载,设计中就取用那么大的风荷载就可以了,人为去放大它是没有科学依据的。
    1.2 设计风压
    设计风压表达式:p= IW q(G Cp)

    p ---- 设计风压(psf);
    q ---- 速度风压(psf);

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

    IW ---- 风荷载重要性系数;

    V ---- 地面粗糙度C类,50年一遇的离地33英尺(约10米)高度处的里程风速(mph),当里程风速小于70 mph时,取70 mph ;
    H ---- 屋面平均高度(feet),对于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度,但不小于15英尺(约4.5米)。
    GCp ---- 主框架或构件的组合压力系数峰值。
    主结构选用表5.2(a),(b)
    次结构选用表5.7(a),(b)
    需要注意的是公式中的V(里程风速)其物理意义与国内风速是不同的,国内风速测量时距为10分钟定值,而里程风速测量时距是长度为一英里的空气通过风速计所需要的时间。因此对不同的风速值,其测量时距是变值。所以不能通过简单的单位换算后,对两种风速进行大小比较。中国基本风压与美国里程风速对应关系详见表2。

    风荷载的重要性系数反应的是,对不同重要性的建筑物须采用不同重现周期的风速,通过系数1.07和0.95 分别将50年一遇里程风速调整为100年一遇及25年一遇的里程风速。
    对于一栋建筑,只对应一个q(速度风压)值,用于计算整个建筑系统不同构件的风荷载值,并且不随构件所处的标高变化而变化,这是与国内规范的不同点之一。
    GCp 是主框架或构件的组合压力系数峰值,其中G表示阵风反应系数,是一个考虑了风的紊流而取的放大系数;CpI内部压力系数,CpE外部压力系数,Cp组合压力系数(相当于内部压力系数和外部压力系数组合后的系数)。由于研究过程中进行了广泛的风洞实验,借助传感器“峰值系数”是可以监测到的,它就是GCp,所以在本规程中G和Cp总是以乘积的形式出现,并不真的有独立的阵风反应系数值或组合压力系数值。CpE外部压力系数在物理意义上相当于国内规范中的“风载体型系数”。
    (H/33)2/7 既地面粗糙度系数KZ ,相当于国内规范中的“风压高度变化系数”,需要指出的是,该规程在确定风荷载时,并未对不同建筑物所在场地的地面粗糙度进行区分,而是偏安全的统一取为C类(相当于国内规范B类地面粗糙度,µzB=(z/10)0.32)。所以在手册中该值仅与建筑物屋面平均高度有关。
    美国规范中地面粗糙度类别定义如下:
    A类 :大城市中心周围有超过50%的建筑物高度超过70英尺(约20米);
    B类 :市内或郊区,树木繁茂区或密集住宅及较大建筑物;
    C类 :开阔地区或零星阻挡物;
    D类:平坦区域无阻挡物阻碍风吹过。
    分别对应国内《建筑结构荷载规范》的D~A类“地面粗糙度”。
    1.3 风荷载大小的确定
    1.3.1 建筑物的类型
    建筑物的内部压力是由所谓“鼓风效应”和“吸风效应”产生的。迎风面墙上的开口使风吹入房屋内部,此时就如同吹气球一样, 产生一个作用于所有屋面、墙面的内部压力。当开口位于背对风(或侧对风)墙上时,由于该位置为风荷载的负压区,部分空气由室内流失,产生一个作用于所有屋面、墙面的内部吸力,由此可见开口与建筑物的内部压力关系紧密。这里说的的开口(Opening)是指建筑物表面永久性的无有效遮蔽的,并且是根据设计要求留设的洞口。该规程根据建筑物围护结构(屋面、墙面)上开口的面积率和分布情况的不同,将建筑物分为以下三类:
    封闭式建筑(Enclosed Buildings)是指在其围护结构上无开口或开口分布相对均匀的建筑物, 封闭式建筑的内部压力主要来源于外墙面门窗的开关,室内门窗的开关以及围护结构的破损和开口等情况,其内部压力系数CpI可取为+0.2(鼓风效应)和-0.2(吸风效应)。
    对于可有效承受风荷载的门窗,可不作为开口考虑。因此结构设计时必须考虑门、窗、墙面采光板等建筑附件的抗风设计,否则门窗一旦在风压下破损,将改变建筑物的内部压力,对结构产生不利影响。
    部分封闭式建筑(Partial Enclosed Buildings)是指墙面开口主要集中于一面墙上,该面墙上的开口面积之和大于该墙面积的5%,同时超过其余墙面及屋面开口面积总和 ,且其余墙面及屋面开口面积总和不超过其余墙面及屋面总和的20%的一类建筑物。这一类建筑物的特点是,有大开口,且分布极不均匀。 其内部压力系数值CpI可取为+0.6(鼓风效应)和-0.3(吸风效应)。
    开敞式建筑物(Open Buildings)是指至少有80%的墙面开敞的建筑物。
    凡不符合部分封闭式建筑和敞式建筑物定义的,均应视为封闭式建筑物。
    1.3.2 屋面及墙面分区


    Z ---- 建筑边缘带宽度,取建筑最小水平尺寸的10%或0.4H中的较小值,但
    不得小于0.04B或3英尺(约 1 米);计算刚架时的房屋端区宽度取Z(横向)和2Z(纵向);
    H ---- 屋面平均高度,对于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度;
    r ---- 屋面中区;
    s ---- 屋面边区;
    c ---- 屋面角区;
    w ---- 墙面中区;
    e ---- 墙面边区。

    1.3.3 刚架(Main Framing)组合压力系数的确定
    刚架的横(纵)向组合压力系数 GCp可直接通过查表获得,见表3、表4。
    由于风可以从任意方向吹来, 内部压力系数应根据最不利原则与外部压力系数组合,从而得到风荷载的控制工况。该规程通过“鼓风效应”和“吸风效应”分别与外部压力系数组合得到两种工况: 工况I为鼓风效应与外部压力系数组合; 工况II为吸风效应与外部压力系数组合。

    《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的“刚架的风荷载体型系数” 表 A.0.2-1中,横向风作用的部分选自其荷载工况I,而纵向风作用的部分选自其荷载工况II。理论上讲结构设计中两种工况均应考虑, 并取用最不利工况下的荷载,通过比较我们发现一般情况下的最不利组合恰好就是轻钢规程所推荐的那两种组合。
    需要注意的是MBMA规程规定:横向风作用时,当房屋端区宽度(既2Z)小于端柱距尺寸时,端区比中区额外大出的那部分风荷载可直接作用于端刚架,并不在端刚架与相邻中间刚架之间进行分配。考虑到端刚架刚度往往较中间刚架刚度大得多,所以这样的做法是合理的。
    由于在风荷载作用下的刚架侧移是一个关于使用功能方面(正常使用极限状态)的要求,而非强度或稳定方面(承载力极限状态)的要求,因此手册建议计算侧移时采用一个较低的(10年)重现期的风载,即0.75 p。实际上风荷载作用下的刚架侧移值远小于按普通方法分析得出的计算值,原因是分析中未考虑蒙皮效应,及工程铰的抗弯刚度等因素。
    1.3.4 附件及围护结构(Components and Cladding)组合压力系数的确定
    附件及围护结构包含的构件的种类较多,其组合压力系数GCp分别在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有详尽描述,在此不再重复讲述,仅谈几个设计中应注意的问题:
    围护结构组合压力系数为有效受风面积(Effective Wind Load Area)的函数,并与其线形相关。有效受风面积仅用于确定围护结构的组合压力系数,与受荷面积是完全不同的两个概念,设计中应加以区分。
    《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中给出的组合压力系数均为屋面角£10°的情况,由于组合压力系数对屋面角很敏感,因此对屋面角>10°的情况应参考“手册”相应条件下的系数。
    “手册”允许当屋面角£10°时,墙面组合压力系数减少10%。
    当构件同时位于两个分区时,如端开间的檩条和墙梁,应判断采用边区还是中区的系数,“手册”建议当构件超过一半的长度位于边区内时,采用边区系数;反之则采用中区系数。
    出屋面女儿墙组合压力系数迎风面为+1.3,背风面为-1.3,这与国内《建筑结构荷载规范》的规定是相同的。
    2.FM 的风荷载设计
    FM(Factory Mutual Insurance Company)是美国“FM Global”的简称,它是世界上最主要的工商财产保险组织之一,其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”,1999年美国三家最大的“FM”保险公司(Allendale Insurance, Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下属科研机构FMRC(Factory Mutual Research Corp.)发布的屋面系统抗风标准、抗风测试及产品认证在全世界得到广泛的认可,并在轻钢结构厂房屋面设计、制作、安装过程中得到广泛的借鉴和应用,为众多(被保险或未被保险的)企业避免或降低了风灾损失。这其中许多内容是值得国内轻钢结构设计、制作单位借鉴的。
    FM风荷载设计所要遵循的技术标准(FM Global Property Loss Prevention Date Sheets)主要有如下几个:
    LPD 1-28 Design Wind Loads
    LPD 1-31 Metal Roof System
    LPD 1-54 Roof Loads for New Construction (gravity loads)
    FM的风荷载取值源自美国土建工程师协会(American Society of Civil Engineers)编纂的ASCE 7 – 98 “Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”, (即《建筑结构最小荷载规范》,它是美国主流荷载规范之一)。FMRC对其作了如下修正:
    1.对所有建筑结构的风荷载重要性系数均取为 I=1.15 ,其意义在于将风速的重现期由50年调整为100年;
    2.当建筑位于地面粗糙度为A 类地区时,地面粗糙度取为B 类;
    3.对基本风速大于等于120mph的有飓风的海岸线,地面粗糙度取为C 类;
    4.按10sf ( 约1m2 )有效受风面积确定屋面系统的设计风压(p)。

    2.1 FM(ASCE 7 – 98)的设计风压
    设计风压表达式:p= qz [(G Cpf) - (G Cpi)]
    p ---- 设计风压(psf);
    qz ---- 速度风压(psf);

    qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I

    Kz ---- 地面粗糙度系数;
    Kzt ---- 地形条件修正系数(1.0);
    Kd ---- 风向系数(0.85);
    I ---- 风荷载重要性系数(1.15);
    V ---- 基本风速(Basic Wind Speed)指C 类场地10米高度处 3秒阵风速度;
    公式中的V(里程风速)其物理意义又与MBMA 96 有所不同,其风速测量时距为3秒,所以其风速表达值较其它规范显得偏大。国内主要城市的3秒阵风速度值,在LPD 1-28中已有规定,设计时仅依据城市名称便可查出该值。

    注:全国其它主要城市风速值详见 LPD 1-28 。
    G Cpi为内部压力系数,该规范规定:对封闭式建筑取为+0.18(鼓风效应)和-0.18(吸风效应);对办封闭式建筑取为+0.55(鼓风效应)和-0.55(吸风效应)。
    G Cpf为外部压力系数,外部压力系数分为刚架(Main Wind Force Resisting System)的外部压力系数,和附件及围护结构(Components and Cladding)的外部压力系数。分别见表-6和图-3至图-6。




    图-4和图-6中横坐标轴为有效受风面积(Effective Wind Load Area),单位为sf(m2),纵坐标轴为附件及围护结构的外部压力系数。须要注意的是图-4给出了屋面构件的风荷载压力系数,设计中风吸、风压应分别予以计算并确定最不利组合。当屋面角£10°时,墙面外部压力系数可减少10%。ASCE 7-98 中关于房屋类型和屋面分区“a”和“h”值的定义与MBMA 96 相同的。
    FM屋面分区与前面介绍的MBMA 96 的主要区别是:
    1.当屋面坡角大于10°时,屋脊处也会出现边区和角区,见图-3;
    2.当沿建筑物屋面四周有高度超过屋面1米的女儿墙,并且屋面坡角不大于10°时,角区由边区代替;
    3.FM(ASCE7-98)给出了屋面高度超过18米时的屋面分区,这对多层厂房屋面抗风设计有较大的指导意义;
    4.角区仅可能出现在建筑物屋面的阳角处,屋面阴角处为边区不出现角区。

    2.2 FM 屋面风暴等级确定
    根据上述步骤得到屋面中区有效受风面积为10sf ( 约1m2 )的设计风压p,便可根据下表确定屋面中区的风暴等级。

    1-60、1-75、1-90等 是FM的抗风暴等级,它表示该级别屋面系统经FMRC风荷载实验验证可承受的风压分别可达60psf(约2.87kn/m2),75psf(约3.59kn/m2),90psf(约4.31kn/m2)。其中1-60为最低抗风等级,相邻各级的级差为15psf(约0.718kn/m2)。通过观察我们会发现,所要求抗风暴等级的实际承载力总是>=2倍的设计风压 p,它相当于屋面系统得极限承载力。
    确定屋面中区风暴等级后,便可根据下表确定屋面边区和角区的风暴等级。


    2.3 FM 抗风设计的特点
    1.FMRC抗风设计侧重围护结构,尤其是屋面结构系统。它将不同公司的多种屋面系统根据其抗风能力的大小划分为1-60,1-90,1-135等几个抗风暴等级,而每一级别的屋面系统的抗风能力认证,则完全是通过实验验证的方法确定的。
    2.抗风能力是由包括屋面板、檩条、连接件及其相互之间的连接等在内的整个系统的抗风能力所决定的。单独某个构件的抗风能力是不确定的。
    3.主结构(刚架)抗风设计满足规范(ASCE 7-98)要求即可,并无特殊风载要求,抗风设计的重点在围护结构上。
    对比国内,以上几点恰恰是值得我们学习借鉴的。国内一般强调的是单个的产品,如檩条、屋面板等,缺少“系统”的概念。轻钢企业卖给客户的所谓系统是市场上拼凑来的,少有自己研发的系统。这一方面反映了我们的市场还处于初级阶段,另一方面也跟我们行业的大气侯有关:结构设计资质在设计院,那么设计院必然要根据市场上的材料供应来设计项目,所以成了没有设计资质的檩条、屋面板的生产厂在领导市场,后果可想而知。而设计院也很难设计出完整的系统,仅就组成屋面系统的各种材料的材料标准一点而言,一般设计图纸很难能说清楚的。在美国,轻钢企业是有设计资质的,不同企业都能“开发”出自己的建筑系统,并清楚知道其建筑系统的承载力,市场上卖的是系统,而不是单个构件产品,因此其整体技术水平较国内企业高,这值得我们效仿。建筑系统的研发只能寄希望于企业,应当容许和鼓励轻钢企业取得设计资质,实现企业技术升级;同时适当提高行业准入门槛,净化市场环境,以利于整个行业的长远发展。
    痛定思痛,“云娜”台风给了我们整个行业一个教训,加强轻钢结构的抗风设计已刻不容缓。台州市建设规划局的灾后调查结论中关于轻钢结构厂房的章节,句句紧扣围护、连接结构,直指板与次结构的连接破坏为祸首。这与我们自己的现场调查结果是吻合的。我公司的厂房没出现破损现象,这是我们平时注重建筑系统的研发,重视实验,并较好握了建筑系统抗风设计技术的必然结果。

    3. 结束语
    工程实践不断表明,轻钢结构的抗风设计是异常重要的,围护结构又是抗风设计的重点。
    本文关于MBMA 96 的介绍,是希望设计人员能在理解的基础上更好的使用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》;关于FM的介绍,是希望能为整个行业抗风技术发展提供一个思路。
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