臺風地區門式剛架輕型房屋的抗風設計

冉艷華

（中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101 ）

門式剛架輕型房屋因其柱網尺寸布置靈活、空間跨度大、現場施工組裝快捷方便、建設周期短、具有較高經濟效益，廣泛應用于各類建筑中，尤其是在工業廠房中。但在近幾年的臺風受災情況中，輕型門式剛架房屋受災現象較多，因此，在可能遭受臺風地區，門式剛架房屋的抗風設計非常重要。本文通過工程實例，提出在臺風地區如何對門式剛架輕型房屋進行結構設計。

1 臺風地區門式剛架房屋的破壞形態及原因分析

1.1 主體結構強風作用下破壞形態及原因分析

臺風來臨時，風荷載急劇增大，在強風吸力作用下，門式剛架廠房主體結構常發生如下破壞形態：

（1） 剛架之間無柱間支撐或支撐薄弱，縱向連接薄弱，整體剛度小，導致主體剛架倒塌；

（2） 柱腳螺栓直徑太小或數量不夠，地腳螺栓被拉斷；

（3） 鋼柱與底板之間的焊縫強度不夠或焊縫質量不合格，鋼柱與底板脫開，底板翹曲；

（4） 基礎埋深太淺或重量較輕，基礎整體被拔出；

（5） 剛架屋面、墻面角部、邊區等薄弱部位未進行加強處理，檁條變形導致屋面、墻面局部破壞或整體被封刮落。

1.2 圍護構件強風作用下破壞形態及原因分析

強風作用下，風荷載對屋面及背風墻面產生風吸力，在強風吸力作用下，門式剛架廠房的圍護構件常發生如下破壞形態：

（1）屋面壓型鋼板變形、被掀起，甚至脫離結構檁條直接被刮飛；

（2）臺風來臨時，廠房門窗未及時關閉或遭遇風攜物沖擊砸壞屋面或墻面，形成開孔，風從開孔處涌入，致使建筑物內風壓急劇增大，圍護構件在內外風壓共同作用下極易破壞；

（3）強風吸力作用下，屋面檁條下翼緣、墻面檁條內側翼緣受壓，失穩遭受破壞，檁條變形及破壞使屋面板、墻面板變形更加嚴重，加速圍護構件的破壞。

2 工程實例抗風設計

2.1 工程概況

某門式剛架輕型房屋，位于廣東省沿海地區，近幾年曾為臺風登陸口，臨近廠區有門式剛架輕型房屋在臺風來臨時受損嚴重。此廠房共兩跨，單跨跨度16 米，雙坡屋面，封閉式房屋，檐口高7.2 米，柱間距6 米，縱向總長60 米。

2.2 風荷載取值

對于重要的或體型復雜的建筑，應由風洞試驗確定風荷載。風荷載計算時，應取風洞試驗檢測數據與按照規范計算數值的大者。

計算風荷載時，應根據建筑物封閉、開洞、懸挑檐口等實際情況，充分考慮建筑內部壓力的影響。在臺風季節施工的，還需對施工狀態進行驗算。

根據荷載規范GB50009 與DBJ 15-101，本項目場區所在市區的基本風壓W0=0.55kN/m2，因廠房所在場區位于海邊，離市區有一定距離，且曾為臺風登陸口，初步判定該風壓值偏低，要求業主提供場地的氣象資料，根據氣象資料計算所得基本風壓W0=0.80kN/m2，二者取大值，W0=0.80kN/m2，地面粗糙程度為A 類。

相關規范要求，該房屋屬于自重較輕的對風荷載敏感的結構，基本風壓應適當提高[1]，提高系數為β，主鋼架計算時，β=1.1；墻梁、墻面板、中間區的屋檁、屋面板與檁條連接計算時，取β=1.5；邊區的屋檁、屋面板與檁條連接計算時，取β=1.8；角部的屋檁、屋面板與檁條連接計算時，取β=2.25[2-3]。

2.3 主體結構抗風設計

2.3.1 主體結構布置設計

廠房無吊車，柱底采用鉸接，為提高經濟效益，剛架梁、柱均采用腹板高度變化的變截面構件，鋼柱、鋼梁的側向穩定依靠與墻梁、屋檁連接的隅撐起支撐作用。在廠房端部第一開間與廠房中部設置三道柱間支撐與屋面支撐，剛架之間設置剛性系桿連接，以提高廠房的整體縱向剛度，保證主體剛架的整體穩定性。屋面鋼構件布置詳見圖1（圖中，SC 為屋面支撐，ZC 為柱間支撐，XG 為剛性系桿）。

圖1 屋面鋼構件布置平面圖

2.3.2 柱腳設計

臺風來臨時，廠房所受上拔力很大，柱腳錨栓、鋼柱與底板的焊縫受拉，容易破壞，設計時柱腳采取可靠措施保證結構安全：

（1）為保證柱腳底板具有足夠的剛度、抗彎能力，受彎時不發生翹曲變形失效，底板厚度不小于錨栓直徑；

（2）加強柱腳與底板的焊縫強度，鋼柱腹板與底板采用雙面角焊縫，焊縫高度同腹板厚度；翼緣采用全熔透對接焊縫；

（3）鉸接柱腳設置四個錨栓，在柱腳底板上表面加焊加強墊板，計算錨栓受拉承載力時，采用螺紋處的有效截面面積，且外露螺母采用雙螺母以防松動，基礎內保證足夠的錨固長度；

（4）為避免錨栓在拉、剪復雜應力下破壞，柱腳設置抗剪鍵承擔柱底水平剪力。

2.4 圍護構件抗風設計

圖2 風荷載系數分區

2.4.1 屋面、墻面檁條設計

（1）臺風作用下，屋面板的角部、邊區和墻面板的角部區域破壞嚴重，為避免檁條在強風作用下遭受破壞，加強此區域的檁條設計。為施工方便，加快施工進度，使檁條高度取值相等，屋面邊區、墻面角部區域通過加厚檁條厚度的措施加強，屋面角部的檁條間距減小，取中間區相應檁條間距的一半，從而保證結構安全。

2.4.2 屋面、墻面板設計

（1）項目位于海邊，海洋大氣對金屬材料破壞很嚴重，其腐蝕的程度比內陸大氣高出許多倍，材料的防腐處理至關重要，是保證材料使用和耐久性的關鍵，屋面、墻面采用高耐腐蝕性的鍍鋁鋅壓型鋼板。

（2）壓型鋼板屋面是輕質、薄壁結構構件，在風荷載作用下產生較大變形，且變形不能通過計算得出，應采用通過抗風揭試驗的屋面板；為避免屋面板在強風荷載作用下被風攜物沖擊砸壞，成為風荷載突破口，采用通過抗風攜碎物沖擊性能測試的屋面板；

（3）屋面、墻面板采用雙層暗藏型金屬板，從構造上保證風吸力作用下檁條下翼緣的穩定性，且需保證壓型板在風載內壓下的強度及抗風能力，單層壓型鋼板厚度大于1.0mm。

（4）為了加強屋面板的固定，在屋脊、檐口等邊角區域設置通長冷彎角鋼50X3。

2.4.3 屋面、墻面板與檁條連接設計

（1）支承結構采用螺栓連接時，螺栓擰緊后，普通螺栓尾部外露螺紋不應少于2 扣，高強螺栓尾部外露螺紋為2～3 絲扣。

（2）關于屋面板與檁條連接，當采用扣合式或直立縫鎖邊連接時，屋面板不能作為檁條的側向支撐；采用螺釘連接時，屋面板可以作為檁條的側向支撐[2]。在強風作用下，當屋面板的某個連接支座破壞，該支座所受荷載肯定會傳給相鄰的支座，故臨近的支座荷載瞬間增大，支座被拔出檁條而失效，連鎖反應，支座連續破壞，屋面板脫離檁條被刮飛。本廠房采用螺釘與屋面板連接，但在風吸力作用下，屋面板由周邊支撐變為點支撐，自攻螺釘的抗拔承載力必須計算，本廠房采用計算滿足的抗臺風自攻螺釘。

（3）當固定屋面壓型鋼板與檁條的自攻螺釘的釘頭直徑小或壓型鋼板強度不足時，強風作用下，常發生屋面板被風掀開，自攻螺釘留在檁條上；普通自攻螺釘牙距較大、牙厚較小，自攻螺釘與檁條有效連接的牙厚抗剪強度不足，導致自攻螺釘與檁條的咬合力不夠，強風作用下，可能發生自攻螺釘連同壓型鋼板均被掀起。為避免這種破壞，本工程采用牙距較小、牙厚較大的抗臺風屋面防漏水鉆尾螺絲自攻螺釘。

2.4.4 門窗設計

門式剛架廠房設計時，為了廠房的通透性，在廠房縱向大面積設置了門窗。門窗在臺風來臨時有可能被砂石等雜物砸壞形成開孔，風灌進廠房內部，而從使廠房由封閉式房屋變為部分封閉式，風荷載體型系數增大，實際風壓比計算風壓增大很多，造成廠房圍護構件破壞。當窗框或門框型材較薄時，在強風作用下，會導致窗框、門框變形，窗玻璃損壞。

為避免此類情況出現，對門窗進行如下抗風計算或采取相應抗風措施，以保證門窗的安全。

（1）玻璃厚度需計算，計算時地面粗糙度類別為A 類。

（2）面積大于1.5m2的單塊玻璃，采用安全玻璃。

（3）門窗型材規格、型號選用時應滿足抗風要求。連接門窗型材的構件應預埋，如只能后裝，固定件宜采用M12 以上結構用膨脹螺絲，間距小于1m[4]。

（4）臺風來臨前，應檢查門窗是否關好，特別是廠房內高窗，減少不必要損失。

3 結語

輕型門式剛架廠房因其自重輕、縱向剛度弱等特點，在臺風作用下極易遭受破壞，工程設計時，應重點了解臺風作用下的風壓實際值與設計計算值之間的差異，確定正確的計算方法。除按規范要求進行結構計算，更需從細節上采取必要的構造措施進行薄弱部位加固設計，以保證廠房滿足臺風地區的抗風要求，保證廠房安全。

本文通過工程實例，進行臺風地區門式剛架輕型房屋的破壞特點及原因分析，提出了在臺風地區對門式剛架輕型房屋進行結構設計的建議和措施，供以后臺風地區門式剛架設計參考。設計重點注意事項如下：

（1）首先注意，在南部沿地區，對于門式鋼架輕型房屋，一定需對各構件進行抗風計算，采取可靠抗風措施，保證結構安全。

（2）抗風計算時，選取基本風壓值時，應取風洞試驗檢測數據與按照規范計算數值的大者。且門式鋼架輕型房屋屬于自重較輕的對風荷載敏感的結構，基本風壓應根據對風的敏感程度分區域適當成衣不同增大系數。

（3）進行結構主體抗風設計時，對剛架及柱腳進行抗風計算，且合理布置柱間支撐、屋面水平支撐、屋面縱向剛架連接，保證結構主體安全。

（4）進行結構圍護構件抗風設計時，不僅對各構件進行抗風計算，還需注意構件之間的連接，采取可靠措施保證房屋圍護構件安全。