輕鋼結(jié)構(gòu)屋面抗風(fēng)設(shè)計及施工淺析

鐘凱

摘 要：本文首先簡要闡述了輕鋼結(jié)構(gòu)屋面板的破壞形式及抗風(fēng)設(shè)計，然后從設(shè)計和施工兩個方面分別對輕鋼結(jié)構(gòu)屋面板的破壞原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu);屋面系統(tǒng);抗風(fēng)設(shè)計

中圖分類號：TU352.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0081-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，輕鋼結(jié)構(gòu)以其施工周期短、抗震性好、環(huán)保、結(jié)構(gòu)布置靈活多樣、綜合經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，在我國被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房及民用建筑中。隨著新的結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展及高效鋼材的應(yīng)用，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑材料逐漸向著輕質(zhì)高強(qiáng)的方向發(fā)展，因而對風(fēng)荷載也就更加敏感。若輕鋼結(jié)構(gòu)建筑維護(hù)系統(tǒng)的抗風(fēng)能力若不足，設(shè)計及施工存在問題，遭遇大風(fēng)的情況下往往會受到嚴(yán)重的破壞。我國是風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重國家，尤其是在東南沿海地區(qū)，經(jīng)常會遭遇臺風(fēng)。2017年，“天鴿”臺風(fēng)襲卷廣東珠海等地，最強(qiáng)風(fēng)力達(dá)到16級，所過之處80%的鋼結(jié)構(gòu)工廠受到不同程度的破壞，財產(chǎn)損失200多億人民幣，給受災(zāi)企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展造成重創(chuàng)。臺風(fēng)過境，除少部分輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房倒塌外，大部分輕鋼結(jié)構(gòu)廠房主體結(jié)構(gòu)并未受到嚴(yán)重破壞，但屋面板被掀起或者破壞嚴(yán)重。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)屋面板的破壞形式及抗風(fēng)設(shè)計

輕鋼結(jié)構(gòu)屋面板的破壞形式有以下幾種：鋼板脫離支座被掀起、屋脊屋面鋼板大面積被臺風(fēng)掀起吹走、高跨范圍的屋面鋼板全部掀起破壞、局部屋面鋼板條狀撕開，保溫巖棉外露、屋面鋼板起鼓，咬口接縫松動，保溫巖棉外露、屋面鋼板被外物刮破致?lián)p等。

輕鋼結(jié)構(gòu)屋面板的抗風(fēng)設(shè)計，主要是對風(fēng)荷載取值進(jìn)行測試和分析，并對結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行計算，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)方案的安全性及舒適性評價，并以此完成方案的確認(rèn)或優(yōu)化。結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的測試及分析主要包括現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬。其中，風(fēng)洞試驗方法較為成熟，通過風(fēng)洞試驗，可以得到建筑表面的荷載及施加到動力模型上的風(fēng)振響應(yīng)，是目前最主要的研究手段。近二十年來，隨著計算機(jī)軟硬件水平與計算流體力學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢和展現(xiàn)出的良好發(fā)展前景在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的研究中承擔(dān)起越來越重要的角色。通過對風(fēng)荷載的取值和分析，得到屋面板結(jié)構(gòu)的最大風(fēng)值響應(yīng)，并將之等效轉(zhuǎn)化為靜力荷載，也就是所謂的等效靜風(fēng)荷載，以方便設(shè)計計算。若最終方案的評價不滿足設(shè)計要求，則需要對方案進(jìn)行優(yōu)化。方案優(yōu)化的措施主要有對屋面板的表面增加豎條等處理，改變其表面粗糙度、設(shè)置阻尼器、通過調(diào)整屋面板的體型來改變其氣動荷載。

2 輕鋼結(jié)構(gòu)屋面破壞原因分析

2.1 設(shè)計缺陷

我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的設(shè)計水平良莠不齊，部分設(shè)計人員缺乏工程實踐經(jīng)驗，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計存在缺陷。在工程事故中，因鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的工程事故約占三分之一。常見的設(shè)計缺陷有以下幾種：

（1）設(shè)計深度不足以指導(dǎo)施工，以至于施工方在施工過程中憑經(jīng)驗、感覺施工。（2）設(shè)計選用屋面鋼板厚度和強(qiáng)度不足。受損屋面鋼板大多采用Q235鋼，厚度低于0.4mm。（3）采用暗扣安裝形式的屋面鋼板，暗扣數(shù)量偏少或漏設(shè)，導(dǎo)致在強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下暗扣被拉直或拉脫;采用螺栓安裝形式的屋面鋼板，螺栓數(shù)量偏少或漏設(shè)，導(dǎo)致在風(fēng)荷載狀態(tài)下受力不對稱，引發(fā)連鎖破壞，螺帽沒有安裝鋼板墊片，導(dǎo)致螺栓孔在風(fēng)荷載的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，螺栓孔增大，屋面鋼板疲勞破壞或撕裂;屋面板構(gòu)件連接所選用的自攻釘、拉鉚釘?shù)脑O(shè)計風(fēng)荷載承載力不足，致其在強(qiáng)風(fēng)作用下被拔出或拉斷。（4）未對風(fēng)荷載體型系數(shù)增大區(qū)域采取相應(yīng)的構(gòu)造處理措施，如對檁條間距和固定點加密。（5）對于與屋面板相連接的構(gòu)件，未采用與理論計算模型相一致的構(gòu)造措施，導(dǎo)致在風(fēng)荷載作用下的實際剛度不足。

2.2 施工質(zhì)量缺陷

很多施工方為降低人工成本，現(xiàn)場實際施工人員多為文化程度不高，專業(yè)素質(zhì)不夠的勞動者，缺乏一定的專業(yè)知識，這就導(dǎo)致在屋面板的施工過程中，施工方現(xiàn)場施工隨意性很大，不遵守操作規(guī)程。常見的施工缺陷有以下幾種：

（1）施工方不按圖紙施工，屋面板外形及尺寸不符合設(shè)計要求。（2）在施工過程中不注意對屋面圍護(hù)的保護(hù)，對屋面板隨意踩踏，導(dǎo)致屋面板不平整甚至存在涂層劃傷現(xiàn)象。（3）采用暗扣安裝形式的屋面鋼板，暗扣質(zhì)量較差，屋面板及扣件支座厚度及強(qiáng)度不足，屋面板與固定支座之間的咬合緊密度不足，導(dǎo)致在強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下暗扣被拉直或拉脫;采用螺栓安裝形式的屋面鋼板，螺栓質(zhì)量差，螺栓配置不足或未完全緊固，檁條未能與支座底板完全貼合，在強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下被拉出或拉斷。（4）靠近山墻、檐口的風(fēng)荷載體型系數(shù)增大區(qū)域，抗風(fēng)釘漏打或少打，造成灌風(fēng)現(xiàn)象，風(fēng)的吸力增大。（5）咬口機(jī)齒輪間隙調(diào)整不合理，導(dǎo)致咬合不到位，且為采取有效補(bǔ)救措施。

3 輕鋼結(jié)構(gòu)屋面抗風(fēng)設(shè)計及施工建議

3.1 設(shè)計方面

設(shè)計人員在對屋面板進(jìn)行設(shè)計時，要確保設(shè)計深度能到達(dá)到指導(dǎo)施工的要求。設(shè)計人員應(yīng)對屋面板的版型、厚度以及節(jié)點構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，明確自攻螺釘?shù)臄?shù)量及具體位置，避免出現(xiàn)由于缺少詳細(xì)的節(jié)點設(shè)計而導(dǎo)致施工方隨意選用節(jié)點，影響輕鋼建筑的質(zhì)量。對于自攻螺釘、鉚釘?shù)任菝姘逑到y(tǒng)的配件，設(shè)計人員應(yīng)在設(shè)計圖之中注明詳細(xì)的規(guī)格型號參數(shù)，不能因為缺乏設(shè)計經(jīng)驗而省略，造成施工方的隨意施工，選用規(guī)格質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的配件，從而影響整個屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)能力。在設(shè)計時，應(yīng)對連接極限承載力作出詳細(xì)要求，計算自攻螺釘?shù)目拱纬休d力，并要求施工方試驗確定。

在設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)綜合考慮建設(shè)地點、建筑物所處的環(huán)境條件以及建筑物尺寸等各項條件，以此來確定輕鋼結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)的各項技術(shù)要求。對于建筑物的檐口、山墻、端部、角部等不同部位，其風(fēng)荷載體形系數(shù)不盡相同，設(shè)計人員應(yīng)該區(qū)別對待。

屋面板型對輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的氣動荷載的影響很大，因此應(yīng)重視屋面板型的設(shè)計及選用。避免選用角馳型、簡易扣合型這類抗風(fēng)能力弱，容易被臺風(fēng)破壞的板型，推薦選用類似巴特勒360度匹茲堡雙鎖卷邊直立縫屋面系統(tǒng)的屋面板型。

在選材方面，要選用通過UL和FM權(quán)威安全認(rèn)證的輕鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。建筑物的系統(tǒng)抗風(fēng)能力主要由屋面板、支架、檁條、連接件及屋面相互連接件等結(jié)構(gòu)決定，某一單一構(gòu)件的抗風(fēng)能力是不確定的。對于輕鋼結(jié)構(gòu)屋面抗風(fēng)能力，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值大于0.5KN/m2或常發(fā)生臺風(fēng)的沿海地區(qū)，根據(jù)設(shè)計要求，采取如下的結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行設(shè)計：屋面采用鋼結(jié)構(gòu)支架，外板鋼板厚度不應(yīng)小于0.48mm，鋼板屈服強(qiáng)度不應(yīng)低于235MPa，常發(fā)生臺風(fēng)的沿海地區(qū)鋼板的材質(zhì)不應(yīng)低于345MPa;屋面板固定支架選材不應(yīng)低于235MPa，風(fēng)載荷在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)設(shè)計厚度1mm，風(fēng)載荷大于0.6KN/m2時屋面板厚度選用1.2mm;在與檁條連接處用自攻釘進(jìn)行錯位連接，屋面板不應(yīng)小于10mm搭接，當(dāng)屋面板過長單坡大于27米時，屋面板支架可以采用移動式支架;屋面板與周邊件接觸部位，均應(yīng)加裝抗風(fēng)加強(qiáng)釘，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗與山墻邊接觸位置加強(qiáng)釘?shù)拈g距不應(yīng)大于250mm，且配置防水墊圈，在屋脊的波谷內(nèi)加裝2個抗風(fēng)自攻釘;采用可穿透式連接的板型或帶有鎖縫的咬口式板型，屋板面采用咬合式板型時，應(yīng)加設(shè)固定支架，增強(qiáng)檁條位置的抗風(fēng)能力;確保屋面抗風(fēng)能力，應(yīng)保證屋面板咬合質(zhì)量，咬合角度應(yīng)符合設(shè)計要求，采用機(jī)械式咬合方法。

在實際中風(fēng)載荷超出設(shè)計水平是造成輕鋼結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，因此設(shè)計時應(yīng)在特定項目檢測和結(jié)構(gòu)驗算分析進(jìn)行綜合評定。對于較大截面的輕鋼結(jié)構(gòu)屋面，應(yīng)檢查屋面的鋼板厚度、連接螺栓是否失效、屋面咬合處有無開裂、屋面檁條是否變形、屋面排水系統(tǒng)是否失效等，定期檢查直接承受載荷的部件、構(gòu)件變形是否在可控范圍內(nèi)、屋面是否產(chǎn)生疲勞裂縫。輕鋼結(jié)構(gòu)的塑性變形較好，但連接構(gòu)件處較容易出現(xiàn)脆性破壞，在夏季高溫天氣應(yīng)對構(gòu)件的變形及涂層進(jìn)行檢查，全面檢查得出有針對性的措施，有效的預(yù)防輕鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷較大的環(huán)境下發(fā)生破壞。

3.2 施工安裝方面

施工方在安裝施工過程中，應(yīng)重視施工組織設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場實際情況制定合適的抗風(fēng)施工組織方案，確保施工中的輕鋼建筑能夠保持有利的抗風(fēng)體型。重視施工質(zhì)量，做好輕鋼結(jié)構(gòu)屋面板的施工質(zhì)量控制。要確保施工工藝完整性及工藝順序的正確性。對于屋面系統(tǒng)的正確的施工安裝工藝，首先要安裝屋面檁條，然后安裝拉條，對檁條進(jìn)行校正。確保檁條安裝合格后，安裝屋面的第一排支架。支架安裝完畢，將屋面板扣合并用咬口機(jī)鎖邊。最后安裝屋脊的收邊板。施工單位完成對屋面系統(tǒng)的安裝后，應(yīng)進(jìn)行自檢，確保屋面板的施工安裝合乎相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求。

屋面板采用360度匹茲堡雙鎖卷邊（類同易拉罐的卷邊原理）直立縫屋面系統(tǒng)，需要用專用電咬口機(jī)鎖邊，要鎖勻、鎖牢，密封膠充滿密實，避免出現(xiàn)咬合不勻或者咬合不完全等現(xiàn)象，導(dǎo)致連接強(qiáng)度降低。咬口機(jī)要求：定期對咬口機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，如對錕輪定期加油，定期對加油嘴添加潤滑油，保證使用壽命;使用前，先空轉(zhuǎn)電觀察電機(jī)是否正常工作，然后調(diào)整兩側(cè)腳支架高度，將咬口機(jī)放置屋面板的結(jié)合處，壓合時注意滾輪是否處于屋面板所要壓合的位置;機(jī)器工作時，操作者必須跟隨機(jī)器運動，觀察屋面板壓合情況，若有面板松脫，應(yīng)立即停機(jī)調(diào)整好位置后重新開機(jī);通常情況壓合屋面板的寬度在10～15mm，壓合時應(yīng)注意機(jī)器是否跑偏，壓合過程中必須保證面板結(jié)合處能緊密壓合在一起，否則機(jī)器很容易脫離面板。

對于大型空間結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)以及沿?；蝻L(fēng)荷載較大的地區(qū)，可以通過使用抗風(fēng)夾及特殊鋁合金夾對邊區(qū)及角區(qū)進(jìn)行加固處理（見圖1），來進(jìn)一步提升屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)能力。

采用預(yù)沖孔技術(shù)，在次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)之間的連接、次結(jié)構(gòu)與屋面（或墻面）外板連接、次結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)之間的連接，都預(yù)先沖孔。要保證預(yù)沖孔的精度控制在0.5mm內(nèi)，以保證構(gòu)件的連接精度，便于構(gòu)件的安裝，使輕鋼結(jié)構(gòu)屋面更平直，整體性能更好。在屋面夾和檁條的連接上使用高強(qiáng)度、堅固的專業(yè)粗緊固件，加強(qiáng)構(gòu)造連接的施工質(zhì)量，增強(qiáng)屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能。

4 結(jié)語

工程實踐表明，工程抗風(fēng)設(shè)計及施工質(zhì)量，對工程安全抗風(fēng)防災(zāi)至關(guān)重要。對輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計加以研究，從設(shè)計和施工兩方面入手，分析屋面系統(tǒng)的破壞原因及有效解決措施，對今后的輕鋼結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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