輕鋼結構屋面抗風設計及施工淺析

鐘凱

摘 要：本文首先簡要闡述了輕鋼結構屋面板的破壞形式及抗風設計，然后從設計和施工兩個方面分別對輕鋼結構屋面板的破壞原因進行分析并提出相應的改進措施。

關鍵詞：輕鋼結構;屋面系統;抗風設計

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

隨著我國經濟的發展和科技的不斷進步，輕鋼結構以其施工周期短、抗震性好、環保、結構布置靈活多樣、綜合經濟效益好等優點，在我國被廣泛應用于工業廠房及民用建筑中。隨著新的結構形式的發展及高效鋼材的應用，輕鋼結構建筑材料逐漸向著輕質高強的方向發展，因而對風荷載也就更加敏感。若輕鋼結構建筑維護系統的抗風能力若不足，設計及施工存在問題，遭遇大風的情況下往往會受到嚴重的破壞。我國是風災嚴重國家，尤其是在東南沿海地區，經常會遭遇臺風。2017年，“天鴿”臺風襲卷廣東珠海等地，最強風力達到16級，所過之處80%的鋼結構工廠受到不同程度的破壞，財產損失200多億人民幣，給受災企業的穩定發展造成重創。臺風過境，除少部分輕鋼結構工業廠房倒塌外，大部分輕鋼結構廠房主體結構并未受到嚴重破壞，但屋面板被掀起或者破壞嚴重。

1 輕鋼結構屋面板的破壞形式及抗風設計

輕鋼結構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損等。

輕鋼結構屋面板的抗風設計，主要是對風荷載取值進行測試和分析，并對結構在風荷載作用下的響應進行計算，進而得到結構方案的安全性及舒適性評價，并以此完成方案的確認或優化。結構風荷載的測試及分析主要包括現場實測、風洞試驗和數值模擬。其中，風洞試驗方法較為成熟，通過風洞試驗，可以得到建筑表面的荷載及施加到動力模型上的風振響應，是目前最主要的研究手段。近二十年來，隨著計算機軟硬件水平與計算流體力學的快速發展，數值模擬技術以其顯著的優勢和展現出的良好發展前景在結構風工程領域的研究中承擔起越來越重要的角色。通過對風荷載的取值和分析，得到屋面板結構的最大風值響應，并將之等效轉化為靜力荷載，也就是所謂的等效靜風荷載，以方便設計計算。若最終方案的評價不滿足設計要求，則需要對方案進行優化。方案優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、設置阻尼器、通過調整屋面板的體型來改變其氣動荷載。

2 輕鋼結構屋面破壞原因分析

2.1 設計缺陷

我國鋼結構設計人員的設計水平良莠不齊，部分設計人員缺乏工程實踐經驗，鋼結構的設計存在缺陷。在工程事故中，因鋼結構設計不合理導致的工程事故約占三分之一。常見的設計缺陷有以下幾種：

（1）設計深度不足以指導施工，以至于施工方在施工過程中憑經驗、感覺施工。（2）設計選用屋面鋼板厚度和強度不足。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，暗扣數量偏少或漏設，導致在強風狀態下暗扣被拉直或拉脫;采用螺栓安裝形式的屋面鋼板，螺栓數量偏少或漏設，導致在風荷載狀態下受力不對稱，引發連鎖破壞，螺帽沒有安裝鋼板墊片，導致螺栓孔在風荷載的作用下產生應力集中現象，螺栓孔增大，屋面鋼板疲勞破壞或撕裂;屋面板構件連接所選用的自攻釘、拉鉚釘的設計風荷載承載力不足，致其在強風作用下被拔出或拉斷。（4）未對風荷載體型系數增大區域采取相應的構造處理措施，如對檁條間距和固定點加密。（5）對于與屋面板相連接的構件，未采用與理論計算模型相一致的構造措施，導致在風荷載作用下的實際剛度不足。

2.2 施工質量缺陷

很多施工方為降低人工成本，現場實際施工人員多為文化程度不高，專業素質不夠的勞動者，缺乏一定的專業知識，這就導致在屋面板的施工過程中，施工方現場施工隨意性很大，不遵守操作規程。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計要求。（2）在施工過程中不注意對屋面圍護的保護，對屋面板隨意踩踏，導致屋面板不平整甚至存在涂層劃傷現象。（3）采用暗扣安裝形式的屋面鋼板，暗扣質量較差，屋面板及扣件支座厚度及強度不足，屋面板與固定支座之間的咬合緊密度不足，導致在強風狀態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，在強風狀態下被拉出或拉斷。（4）靠近山墻、檐口的風荷載體型系數增大區域，抗風釘漏打或少打，造成灌風現象，風的吸力增大。（5）咬口機齒輪間隙調整不合理，導致咬合不到位，且為采取有效補救措施。

3 輕鋼結構屋面抗風設計及施工建議

3.1 設計方面

設計人員在對屋面板進行設計時，要確保設計深度能到達到指導施工的要求。設計人員應對屋面板的版型、厚度以及節點構造進行詳細設計，明確自攻螺釘的數量及具體位置，避免出現由于缺少詳細的節點設計而導致施工方隨意選用節點，影響輕鋼建筑的質量。對于自攻螺釘、鉚釘等屋面板系統的配件，設計人員應在設計圖之中注明詳細的規格型號參數，不能因為缺乏設計經驗而省略，造成施工方的隨意施工，選用規格質量不達標的配件，從而影響整個屋面系統的抗風能力。在設計時，應對連接極限承載力作出詳細要求，計算自攻螺釘的抗拔承載力，并要求施工方試驗確定。

在設計過程中，設計人員應綜合考慮建設地點、建筑物所處的環境條件以及建筑物尺寸等各項條件，以此來確定輕鋼結構屋面系統的各項技術要求。對于建筑物的檐口、山墻、端部、角部等不同部位，其風荷載體形系數不盡相同，設計人員應該區別對待。

屋面板型對輕鋼結構建筑的氣動荷載的影響很大，因此應重視屋面板型的設計及選用。避免選用角馳型、簡易扣合型這類抗風能力弱，容易被臺風破壞的板型，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的屋面板型。

在選材方面，要選用通過UL和FM權威安全認證的輕鋼結構產品。建筑物的系統抗風能力主要由屋面板、支架、檁條、連接件及屋面相互連接件等結構決定，某一單一構件的抗風能力是不確定的。對于輕鋼結構屋面抗風能力，在風荷載標準值大于0.5KN/m2或常發生臺風的沿海地區，根據設計要求，采取如下的結構措施進行設計：屋面采用鋼結構支架，外板鋼板厚度不應小于0.48mm，鋼板屈服強度不應低于235MPa，常發生臺風的沿海地區鋼板的材質不應低于345MPa;屋面板固定支架選材不應低于235MPa，風載荷在標準范圍內設計厚度1mm，風載荷大于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行錯位連接，屋面板不應小于10mm搭接，當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，均應加裝抗風加強釘，根據設計經驗與山墻邊接觸位置加強釘的間距不應大于250mm，且配置防水墊圈，在屋脊的波谷內加裝2個抗風自攻釘;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，應加設固定支架，增強檁條位置的抗風能力;確保屋面抗風能力，應保證屋面板咬合質量，咬合角度應符合設計要求，采用機械式咬合方法。

在實際中風載荷超出設計水平是造成輕鋼結構破壞的主要因素，因此設計時應在特定項目檢測和結構驗算分析進行綜合評定。對于較大截面的輕鋼結構屋面，應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、屋面排水系統是否失效等，定期檢查直接承受載荷的部件、構件變形是否在可控范圍內、屋面是否產生疲勞裂縫。輕鋼結構的塑性變形較好，但連接構件處較容易出現脆性破壞，在夏季高溫天氣應對構件的變形及涂層進行檢查，全面檢查得出有針對性的措施，有效的預防輕鋼結構在風載荷較大的環境下發生破壞。

3.2 施工安裝方面

施工方在安裝施工過程中，應重視施工組織設計，根據現場實際情況制定合適的抗風施工組織方案，確保施工中的輕鋼建筑能夠保持有利的抗風體型。重視施工質量，做好輕鋼結構屋面板的施工質量控制。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鎖邊。最后安裝屋脊的收邊板。施工單位完成對屋面系統的安裝后，應進行自檢，確保屋面板的施工安裝合乎相關規范及設計要求。

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，需要用專用電咬口機鎖邊，要鎖勻、鎖牢，密封膠充滿密實，避免出現咬合不勻或者咬合不完全等現象，導致連接強度降低。咬口機要求：定期對咬口機進行維護保養，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，先空轉電觀察電機是否正常工作，然后調整兩側腳支架高度，將咬口機放置屋面板的結合處，壓合時注意滾輪是否處于屋面板所要壓合的位置;機器工作時，操作者必須跟隨機器運動，觀察屋面板壓合情況，若有面板松脫，應立即停機調整好位置后重新開機;通常情況壓合屋面板的寬度在10～15mm，壓合時應注意機器是否跑偏，壓合過程中必須保證面板結合處能緊密壓合在一起，否則機器很容易脫離面板。

對于大型空間結構屋面系統以及沿海或風荷載較大的地區，可以通過使用抗風夾及特殊鋁合金夾對邊區及角區進行加固處理（見圖1），來進一步提升屋面系統的抗風能力。

采用預沖孔技術，在次結構與主結構之間的連接、次結構與屋面（或墻面）外板連接、次結構與次結構之間的連接，都預先沖孔。要保證預沖孔的精度控制在0.5mm內，以保證構件的連接精度，便于構件的安裝，使輕鋼結構屋面更平直，整體性能更好。在屋面夾和檁條的連接上使用高強度、堅固的專業粗緊固件，加強構造連接的施工質量，增強屋面系統的抗風性能。

4 結語

工程實踐表明，工程抗風設計及施工質量，對工程安全抗風防災至關重要。對輕鋼結構建筑的屋面系統的抗風設計加以研究，從設計和施工兩方面入手，分析屋面系統的破壞原因及有效解決措施，對今后的輕鋼結構屋面系統的抗風設計有一定的指導和借鑒意義。

參考文獻

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