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從風(fēng)荷載對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的破壞看抗風(fēng)設(shè)計(jì)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
李文波 王賽寧
    關(guān)鍵詞：
    李文波 王賽寧
    摘要 本文著重介紹了美國(guó)MBMA96 和FM關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)方法和規(guī)定，并對(duì)國(guó)內(nèi)輕鋼房屋風(fēng)載設(shè)計(jì)提出一些建議。
    關(guān)鍵詞 低層房屋 設(shè)計(jì)風(fēng)壓 壓力系數(shù) 開口 剛架 圍護(hù)結(jié)構(gòu) 有效受風(fēng)面積
    前言
    20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速，特別是輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展更是，如火如荼。輕鋼結(jié)構(gòu)由于具有施工周期短，綜合經(jīng)濟(jì)效益好，利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著近年來(lái)防火、防腐技術(shù)的不斷完善，使得它在工業(yè)廠房以及民用建筑中獲得了廣泛的應(yīng)用。在中國(guó)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，今年鋼產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)2.65億噸的宏觀大背景下，可以預(yù)言，21世紀(jì)初期將是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時(shí)期，長(zhǎng)期以來(lái)由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的傳統(tǒng)格局將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，它的崛起必將給建筑業(yè)帶來(lái)一次產(chǎn)業(yè)革命。從事鋼結(jié)構(gòu)制造的企業(yè)、各建筑設(shè)計(jì)院正面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
    但是，不容回避的事實(shí)是，每當(dāng)各地有大的風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)發(fā)生時(shí)，輕鋼結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)相比，往往都遭受到更嚴(yán)重的破壞。如2004年第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“云娜”在浙江省溫嶺市登陸，造成1800多萬(wàn)人受災(zāi)，183人死亡，9人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失201億元。全市工業(yè)企業(yè)廠房倒塌272.2萬(wàn)平方米，廠房破損756.2萬(wàn)平方米，其中絕大部分是輕鋼廠房或輕鋼圍護(hù)廠房。
    臺(tái)州部分工業(yè)廠房在這次臺(tái)風(fēng)中遭受如此重大損失，有其偶然性：因?yàn)樵庥隽顺瑥?qiáng)臺(tái)風(fēng)的襲擊。據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)資料顯示，這次臺(tái)風(fēng)，是1956年以來(lái)，臺(tái)州遭遇到的風(fēng)速最快、風(fēng)力最強(qiáng)、臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)中心氣壓950百帕，臺(tái)州全境風(fēng)力均達(dá)12級(jí)以上，內(nèi)陸最大風(fēng)速達(dá)53.5米/秒，大大超過(guò)十二級(jí)臺(tái)風(fēng)36.9米／秒的上限，創(chuàng)國(guó)內(nèi)實(shí)測(cè)最高記錄， “云娜”是繼1956年“8•1”臺(tái)風(fēng)之后近48年來(lái)登陸浙江最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，也是1996年第15號(hào)臺(tái)風(fēng)之后近8年來(lái)登陸我國(guó)大陸最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間除少部分輕鋼結(jié)構(gòu)廠房倒塌外，更多的情況是輕鋼結(jié)構(gòu)廠房雖未倒塌，（甚至檁條也未遭嚴(yán)重破壞）但屋面板被掀去，致使大量機(jī)械設(shè)備、成品、半成品、原材料遭水浸泡是本次風(fēng)災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失巨大的重要原因之一。
    臺(tái)州部分工業(yè)廠房在這次臺(tái)風(fēng)中遭受如此重大損失，也有其必然性：因?yàn)椴糠謽I(yè)主片面追求低價(jià)，降低了建筑物的安全性能，致使部分工業(yè)廠房的工程質(zhì)量太差，抗風(fēng)能力太低。臺(tái)風(fēng)過(guò)后，臺(tái)州市建設(shè)規(guī)劃局馬上組織了30位專家，對(duì)該市62個(gè)工業(yè)企業(yè)的78個(gè)工程進(jìn)行了調(diào)查和分析研究。他們的結(jié)論之一：“彩鋼板厚度和強(qiáng)度不足。據(jù)調(diào)查，受損彩鋼板屋蓋大部分采用Ⅰ(Q235)級(jí)鋼，板厚大多小于0.4毫米”；結(jié)論之二：“采用暗扣安裝形式的屋蓋，暗扣質(zhì)量差，暗扣本身厚度和強(qiáng)度不足，暗扣數(shù)量偏少或漏設(shè)，在風(fēng)力作用下，暗扣被拉直或拉脫”；結(jié)論之三：“采用螺栓（螺釘）安裝形式的屋蓋，螺栓（螺釘）數(shù)量偏少，螺帽下又未加設(shè)鋼板墊片，彩鋼板螺栓（螺釘）孔處在風(fēng)載集中應(yīng)力反復(fù)作用下，孔洞不斷擴(kuò)大，彩鋼板產(chǎn)生疲勞破壞或撕裂；有的螺栓（螺釘）本身的質(zhì)量差，在風(fēng)力作用被拉出或拉斷；有的鋼檁條間距過(guò)大，剛度不足，在風(fēng)力作用下，鋼檁條產(chǎn)生變形彎曲，造成屋蓋破壞。”結(jié)論之四：“輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的薄弱部位沒(méi)有加強(qiáng)抗風(fēng)處理，臺(tái)風(fēng)襲擊過(guò)程中，往往這些薄弱部門先行破壞，導(dǎo)致整個(gè)廠房圍護(hù)破壞”。
    縱觀以上結(jié)論，可以看出根本問(wèn)題就是圍護(hù)系統(tǒng)的抗風(fēng)能力不足，設(shè)計(jì)及施工存在缺陷。這種現(xiàn)象如得不到糾正，必定會(huì)對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)負(fù)面影響，阻礙整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。那末是不是輕鋼結(jié)構(gòu)真的不適合建造在沿海風(fēng)力較大地區(qū)呢？結(jié)論當(dāng)然是否定的。由巴特勒公司設(shè)計(jì)制造的“錢江摩托”等工業(yè)廠房經(jīng)受住了該次臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，不僅結(jié)構(gòu)安全可靠，屋面漏雨的情況都未發(fā)生，可以說(shuō)毫發(fā)無(wú)損，這就是一個(gè)很好的例證。
    由于全世界風(fēng)災(zāi)引起的損失每年達(dá)１００億美元以上，我國(guó)又是風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重國(guó)家，而工程損傷和破壞又是風(fēng)災(zāi)損失的重要成份，因而工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算合理和全面與否是工程安全的抗風(fēng)防災(zāi)的重要因素。同時(shí)由于輕鋼結(jié)構(gòu)自重輕，風(fēng)荷載是其最主要的破壞因素，更應(yīng)當(dāng)給予特殊的重視。美國(guó)的輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展最早，技術(shù)最成熟，同時(shí)美國(guó)也是風(fēng)災(zāi)頻發(fā)的國(guó)家，其關(guān)于低層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)是非常獨(dú)到和先進(jìn)的。下面根據(jù)本人的理解介紹一下美國(guó)MBMA和FM關(guān)于風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)，供大家參考。

    1．低層房屋建筑系統(tǒng)手冊(cè)(LOW RISE BUILDING SYSTEMS MANUAL)
    《低層房屋建筑系統(tǒng)手冊(cè)》（1996）版（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）是由美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)房屋制造商協(xié)會(huì)(METAL BUILDING MANUFACTURE ASSOCIATION)編纂的技術(shù)規(guī)程。它反映了美國(guó)在低層鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑系統(tǒng)方面幾十年的研究成果和經(jīng)驗(yàn)積累。其關(guān)于低層建筑風(fēng)荷載的取用和計(jì)算部分是該手冊(cè)的精華所在，使其成為輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的參考資料之一。我國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)主編的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102:2002) 中的風(fēng)荷載體型系數(shù)即參考和引用自該書。
    需要說(shuō)明的是美國(guó)的規(guī)范、規(guī)程允許多種新舊版本并存，如MBMA 2002 為最新版規(guī)程，但MBMA 86 和MBMA 96迄今仍是應(yīng)用最為廣泛的版本。
    1.1 低層房屋的定義
    該手冊(cè)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(fēng)荷載的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是在紊流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得的，而用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究模型具有上述幾何特點(diǎn)，所以當(dāng)建筑物不滿足該項(xiàng)要求時(shí)，應(yīng)參照其它規(guī)程（如ASCE-7 或UBC 等）確定風(fēng)荷載值。
    自然界中的流體運(yùn)動(dòng)（例如風(fēng)）存在著二種不同的形式：一種是層流，看上去平順、清晰，沒(méi)有摻混現(xiàn)象，例如靠近燃燒著的香煙頭附近細(xì)細(xì)的煙流；另一種則顯得雜亂無(wú)章，看上去毫無(wú)規(guī)則，例如煙囪里冒出來(lái)的滾滾濃煙，這就是湍流，也叫紊流。雖然國(guó)內(nèi)外的風(fēng)荷載研究均是建立在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，但不同規(guī)范之間由于其適用對(duì)象的不同、研究手段的差異，使風(fēng)荷載計(jì)算值相差較大，因此根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，選擇合適的規(guī)范非常重要。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象為多、高層建筑時(shí)，應(yīng)選用主要以層流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為研究基礎(chǔ)的規(guī)范，如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》；當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象為低矮建筑時(shí)，應(yīng)選用主要以紊流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為研究基礎(chǔ)的規(guī)范，如《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。有些人認(rèn)為兩種風(fēng)荷載計(jì)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(duì)自然界真實(shí)的、合理的、科學(xué)的反映。還有些人認(rèn)為采用哪個(gè)規(guī)范計(jì)算偏安全，就采用那個(gè)規(guī)范，這樣的觀點(diǎn)也是不科學(xué)的，如果實(shí)驗(yàn)研究證明它只會(huì)承受那么大的風(fēng)荷載，設(shè)計(jì)中就取用那么大的風(fēng)荷載就可以了，人為去放大它是沒(méi)有科學(xué)依據(jù)的。
    1.2 設(shè)計(jì)風(fēng)壓
    設(shè)計(jì)風(fēng)壓表達(dá)式：p= IW q(G Cp)

    p ---- 設(shè)計(jì)風(fēng)壓（psf）；
    q ---- 速度風(fēng)壓（psf）；

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

    IW ---- 風(fēng)荷載重要性系數(shù)；

    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(fēng)速（mph），當(dāng)里程風(fēng)速小于70 mph時(shí)，取70 mph ；
    H ---- 屋面平均高度(feet)，對(duì)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(gòu)件的組合壓力系數(shù)峰值。
    主結(jié)構(gòu)選用表5.2（a），（b）
    次結(jié)構(gòu)選用表5.7（a），（b）
    需要注意的是公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義與國(guó)內(nèi)風(fēng)速是不同的，國(guó)內(nèi)風(fēng)速測(cè)量時(shí)距為10分鐘定值，而里程風(fēng)速測(cè)量時(shí)距是長(zhǎng)度為一英里的空氣通過(guò)風(fēng)速計(jì)所需要的時(shí)間。因此對(duì)不同的風(fēng)速值，其測(cè)量時(shí)距是變值。所以不能通過(guò)簡(jiǎn)單的單位換算后，對(duì)兩種風(fēng)速進(jìn)行大小比較。中國(guó)基本風(fēng)壓與美國(guó)里程風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見(jiàn)表2。

    風(fēng)荷載的重要性系數(shù)反應(yīng)的是，對(duì)不同重要性的建筑物須采用不同重現(xiàn)周期的風(fēng)速，通過(guò)系數(shù)1.07和0.95 分別將50年一遇里程風(fēng)速調(diào)整為100年一遇及25年一遇的里程風(fēng)速。
    對(duì)于一棟建筑，只對(duì)應(yīng)一個(gè)q（速度風(fēng)壓）值，用于計(jì)算整個(gè)建筑系統(tǒng)不同構(gòu)件的風(fēng)荷載值，并且不隨構(gòu)件所處的標(biāo)高變化而變化，這是與國(guó)內(nèi)規(guī)范的不同點(diǎn)之一。
    GCp 是主框架或構(gòu)件的組合壓力系數(shù)峰值，其中G表示陣風(fēng)反應(yīng)系數(shù)，是一個(gè)考慮了風(fēng)的紊流而取的放大系數(shù)；CpI內(nèi)部壓力系數(shù)，CpE外部壓力系數(shù)，Cp組合壓力系數(shù)（相當(dāng)于內(nèi)部壓力系數(shù)和外部壓力系數(shù)組合后的系數(shù)）。由于研究過(guò)程中進(jìn)行了廣泛的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，借助傳感器“峰值系數(shù)”是可以監(jiān)測(cè)到的，它就是GCp，所以在本規(guī)程中G和Cp總是以乘積的形式出現(xiàn)，并不真的有獨(dú)立的陣風(fēng)反應(yīng)系數(shù)值或組合壓力系數(shù)值。CpE外部壓力系數(shù)在物理意義上相當(dāng)于國(guó)內(nèi)規(guī)范中的“風(fēng)載體型系數(shù)”。
    (H/33)2/7 既地面粗糙度系數(shù)KZ ，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)規(guī)范中的“風(fēng)壓高度變化系數(shù)”，需要指出的是，該規(guī)程在確定風(fēng)荷載時(shí)，并未對(duì)不同建筑物所在場(chǎng)地的地面粗糙度進(jìn)行區(qū)分，而是偏安全的統(tǒng)一取為C類（相當(dāng)于國(guó)內(nèi)規(guī)范B類地面粗糙度，µzB=(z/10)0.32）。所以在手冊(cè)中該值僅與建筑物屋面平均高度有關(guān)。
    美國(guó)規(guī)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(guò)50%的建筑物高度超過(guò)70英尺（約20米）；
    B類 ：市內(nèi)或郊區(qū)，樹木繁茂區(qū)或密集住宅及較大建筑物；
    C類 ：開闊地區(qū)或零星阻擋物；
    D類：平坦區(qū)域無(wú)阻擋物阻礙風(fēng)吹過(guò)。
    分別對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的D~A類“地面粗糙度”。
    1.3 風(fēng)荷載大小的確定
    1.3.1 建筑物的類型
    建筑物的內(nèi)部壓力是由所謂“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”產(chǎn)生的。迎風(fēng)面墻上的開口使風(fēng)吹入房屋內(nèi)部，此時(shí)就如同吹氣球一樣， 產(chǎn)生一個(gè)作用于所有屋面、墻面的內(nèi)部壓力。當(dāng)開口位于背對(duì)風(fēng)(或側(cè)對(duì)風(fēng))墻上時(shí)，由于該位置為風(fēng)荷載的負(fù)壓區(qū)，部分空氣由室內(nèi)流失，產(chǎn)生一個(gè)作用于所有屋面、墻面的內(nèi)部吸力，由此可見(jiàn)開口與建筑物的內(nèi)部壓力關(guān)系緊密。這里說(shuō)的的開口（Opening）是指建筑物表面永久性的無(wú)有效遮蔽的，并且是根據(jù)設(shè)計(jì)要求留設(shè)的洞口。該規(guī)程根據(jù)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)(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(hù)結(jié)構(gòu)上無(wú)開口或開口分布相對(duì)均勻的建筑物, 封閉式建筑的內(nèi)部壓力主要來(lái)源于外墻面門窗的開關(guān)，室內(nèi)門窗的開關(guān)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破損和開口等情況，其內(nèi)部壓力系數(shù)CpI可取為+0.2（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.2（吸風(fēng)效應(yīng)）。
    對(duì)于可有效承受風(fēng)荷載的門窗，可不作為開口考慮。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮門、窗、墻面采光板等建筑附件的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，否則門窗一旦在風(fēng)壓下破損，將改變建筑物的內(nèi)部壓力，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(shí)超過(guò)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(guò)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(diǎn)是，有大開口，且分布極不均勻。 其內(nèi)部壓力系數(shù)值CpI可取為+0.6（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.3（吸風(fēng)效應(yīng)）。
    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(yīng)視為封閉式建筑物。
    1.3.2 屋面及墻面分區(qū)


    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(jì)算剛架時(shí)的房屋端區(qū)寬度取Z(橫向)和2Z(縱向)；
    H ---- 屋面平均高度，對(duì)于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度；
    r ---- 屋面中區(qū)；
    s ---- 屋面邊區(qū)；
    c ---- 屋面角區(qū)；
    w ---- 墻面中區(qū)；
    e ---- 墻面邊區(qū)。

    1.3.3 剛架(Main Framing)組合壓力系數(shù)的確定
    剛架的橫（縱）向組合壓力系數(shù) GCp可直接通過(guò)查表獲得，見(jiàn)表3、表4。
    由于風(fēng)可以從任意方向吹來(lái)， 內(nèi)部壓力系數(shù)應(yīng)根據(jù)最不利原則與外部壓力系數(shù)組合，從而得到風(fēng)荷載的控制工況。該規(guī)程通過(guò)“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”分別與外部壓力系數(shù)組合得到兩種工況： 工況I為鼓風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合； 工況II為吸風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合。

    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的“剛架的風(fēng)荷載體型系數(shù)” 表 A.0.2-1中，橫向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況I，而縱向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況II。理論上講結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩種工況均應(yīng)考慮， 并取用最不利工況下的荷載，通過(guò)比較我們發(fā)現(xiàn)一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規(guī)程所推薦的那兩種組合。
    需要注意的是MBMA規(guī)程規(guī)定：橫向風(fēng)作用時(shí)，當(dāng)房屋端區(qū)寬度（既2Z）小于端柱距尺寸時(shí)，端區(qū)比中區(qū)額外大出的那部分風(fēng)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(jìn)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(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移是一個(gè)關(guān)于使用功能方面（正常使用極限狀態(tài)）的要求，而非強(qiáng)度或穩(wěn)定方面（承載力極限狀態(tài)）的要求，因此手冊(cè)建議計(jì)算側(cè)移時(shí)采用一個(gè)較低的（10年）重現(xiàn)期的風(fēng)載，即0.75 p。實(shí)際上風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移值遠(yuǎn)小于按普通方法分析得出的計(jì)算值，原因是分析中未考慮蒙皮效應(yīng)，及工程鉸的抗彎剛度等因素。
    1.3.4 附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(Components and Cladding)組合壓力系數(shù)的確定
    附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含的構(gòu)件的種類較多，其組合壓力系數(shù)GCp分別在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有詳盡描述，在此不再重復(fù)講述，僅談幾個(gè)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題：
    圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合壓力系數(shù)為有效受風(fēng)面積（Effective Wind Load Area）的函數(shù)，并與其線形相關(guān)。有效受風(fēng)面積僅用于確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合壓力系數(shù)，與受荷面積是完全不同的兩個(gè)概念，設(shè)計(jì)中應(yīng)加以區(qū)分。
    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中給出的組合壓力系數(shù)均為屋面角£10°的情況，由于組合壓力系數(shù)對(duì)屋面角很敏感，因此對(duì)屋面角>10°的情況應(yīng)參考“手冊(cè)”相應(yīng)條件下的系數(shù)。
    “手冊(cè)”允許當(dāng)屋面角£10°時(shí)，墻面組合壓力系數(shù)減少10%。
    當(dāng)構(gòu)件同時(shí)位于兩個(gè)分區(qū)時(shí)，如端開間的檁條和墻梁，應(yīng)判斷采用邊區(qū)還是中區(qū)的系數(shù)，“手冊(cè)”建議當(dāng)構(gòu)件超過(guò)一半的長(zhǎng)度位于邊區(qū)內(nèi)時(shí)，采用邊區(qū)系數(shù)；反之則采用中區(qū)系數(shù)。
    出屋面女兒墻組合壓力系數(shù)迎風(fēng)面為+1.3，背風(fēng)面為-1.3，這與國(guó)內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定是相同的。
    2．FM 的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)
    FM（Factory Mutual Insurance Company）是美國(guó)“FM Global”的簡(jiǎn)稱，它是世界上最主要的工商財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)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(guó)三家最大的“FM”保險(xiǎn)公司(Allendale Insurance， Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機(jī)構(gòu)FMRC（Factory Mutual Research Corp.）發(fā)布的屋面系統(tǒng)抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、抗風(fēng)測(cè)試及產(chǎn)品認(rèn)證在全世界得到廣泛的認(rèn)可，并在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面設(shè)計(jì)、制作、安裝過(guò)程中得到廣泛的借鑒和應(yīng)用，為眾多（被保險(xiǎn)或未被保險(xiǎn)的）企業(yè)避免或降低了風(fēng)災(zāi)損失。這其中許多內(nèi)容是值得國(guó)內(nèi)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作單位借鑒的。
    FM風(fēng)荷載設(shè)計(jì)所要遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（FM Global Property Loss Prevention Date Sheets）主要有如下幾個(gè)：
    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(fēng)荷載取值源自美國(guó)土建工程師協(xié)會(huì)（American Society of Civil Engineers）編纂的ASCE 7 – 98 “Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”， （即《建筑結(jié)構(gòu)最小荷載規(guī)范》，它是美國(guó)主流荷載規(guī)范之一）。FMRC對(duì)其作了如下修正：
    1．對(duì)所有建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載重要性系數(shù)均取為 I=1.15　，其意義在于將風(fēng)速的重現(xiàn)期由50年調(diào)整為100年；
    2．當(dāng)建筑位于地面粗糙度為A 類地區(qū)時(shí)，地面粗糙度取為B 類；
    3．對(duì)基本風(fēng)速大于等于120mph的有颶風(fēng)的海岸線，地面粗糙度取為C 類；
    4．按10sf （ 約1m2 ）有效受風(fēng)面積確定屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓（p）。

    2.1 FM（ASCE 7 – 98）的設(shè)計(jì)風(fēng)壓
    設(shè)計(jì)風(fēng)壓表達(dá)式：p= qz [(G Cpf) - (G Cpi)]
    p ---- 設(shè)計(jì)風(fēng)壓（psf）；
    qz ---- 速度風(fēng)壓（psf）；

    qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I

    Kz ---- 地面粗糙度系數(shù)；
    Kzt ---- 地形條件修正系數(shù)（1.0）；
    Kd ---- 風(fēng)向系數(shù)（0.85）；
    I ---- 風(fēng)荷載重要性系數(shù)（1.15）；
    V ---- 基本風(fēng)速（Basic Wind Speed）指C 類場(chǎng)地10米高度處 3秒陣風(fēng)速度；
    公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義又與MBMA 96 有所不同，其風(fēng)速測(cè)量時(shí)距為3秒，所以其風(fēng)速表達(dá)值較其它規(guī)范顯得偏大。國(guó)內(nèi)主要城市的3秒陣風(fēng)速度值，在LPD 1-28中已有規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)僅依據(jù)城市名稱便可查出該值。

    注：全國(guó)其它主要城市風(fēng)速值詳見(jiàn) LPD 1-28 。
    G Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù)，該規(guī)范規(guī)定：對(duì)封閉式建筑取為+0.18（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.18（吸風(fēng)效應(yīng)）；對(duì)辦封閉式建筑取為+0.55（鼓風(fēng)效應(yīng)）和-0.55（吸風(fēng)效應(yīng)）。
    G Cpf為外部壓力系數(shù)，外部壓力系數(shù)分為剛架（Main Wind Force Resisting System）的外部壓力系數(shù)，和附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)（Components and Cladding）的外部壓力系數(shù)。分別見(jiàn)表-6和圖-3至圖-6。




    圖-4和圖-6中橫坐標(biāo)軸為有效受風(fēng)面積（Effective Wind Load Area），單位為sf（m2），縱坐標(biāo)軸為附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外部壓力系數(shù)。須要注意的是圖-4給出了屋面構(gòu)件的風(fēng)荷載壓力系數(shù)，設(shè)計(jì)中風(fēng)吸、風(fēng)壓應(yīng)分別予以計(jì)算并確定最不利組合。當(dāng)屋面角£10°時(shí)，墻面外部壓力系數(shù)可減少10%。ASCE 7-98 中關(guān)于房屋類型和屋面分區(qū)“a”和“h”值的定義與MBMA 96 相同的。
    FM屋面分區(qū)與前面介紹的MBMA 96 的主要區(qū)別是：
    1．當(dāng)屋面坡角大于10°時(shí)，屋脊處也會(huì)出現(xiàn)邊區(qū)和角區(qū)，見(jiàn)圖-3；
    2．當(dāng)沿建筑物屋面四周有高度超過(guò)屋面1米的女兒墻，并且屋面坡角不大于10°時(shí)，角區(qū)由邊區(qū)代替；
    3．FM（ASCE7-98）給出了屋面高度超過(guò)18米時(shí)的屋面分區(qū)，這對(duì)多層廠房屋面抗風(fēng)設(shè)計(jì)有較大的指導(dǎo)意義；
    4．角區(qū)僅可能出現(xiàn)在建筑物屋面的陽(yáng)角處，屋面陰角處為邊區(qū)不出現(xiàn)角區(qū)。

    2.2 FM 屋面風(fēng)暴等級(jí)確定
    根據(jù)上述步驟得到屋面中區(qū)有效受風(fēng)面積為10sf （ 約1m2 ）的設(shè)計(jì)風(fēng)壓p，便可根據(jù)下表確定屋面中區(qū)的風(fēng)暴等級(jí)。

    1-60、1-75、1-90等 是FM的抗風(fēng)暴等級(jí)，它表示該級(jí)別屋面系統(tǒng)經(jīng)FMRC風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可承受的風(fēng)壓分別可達(dá)60psf(約2.87kn/m2)，75psf(約3.59kn/m2)，90psf(約4.31kn/m2)。其中1-60為最低抗風(fēng)等級(jí)，相鄰各級(jí)的級(jí)差為15psf(約0.718kn/m2)。通過(guò)觀察我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，所要求抗風(fēng)暴等級(jí)的實(shí)際承載力總是>=2倍的設(shè)計(jì)風(fēng)壓 p，它相當(dāng)于屋面系統(tǒng)得極限承載力。
    確定屋面中區(qū)風(fēng)暴等級(jí)后，便可根據(jù)下表確定屋面邊區(qū)和角區(qū)的風(fēng)暴等級(jí)。


    2.3 FM 抗風(fēng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
    1．FMRC抗風(fēng)設(shè)計(jì)側(cè)重圍護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其是屋面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它將不同公司的多種屋面系統(tǒng)根據(jù)其抗風(fēng)能力的大小劃分為1-60,1-90,1-135等幾個(gè)抗風(fēng)暴等級(jí)，而每一級(jí)別的屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)能力認(rèn)證，則完全是通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定的。
    2．抗風(fēng)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(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的抗風(fēng)能力所決定的。單獨(dú)某個(gè)構(gòu)件的抗風(fēng)能力是不確定的。
    3．主結(jié)構(gòu)（剛架）抗風(fēng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范（ASCE 7-98）要求即可，并無(wú)特殊風(fēng)載要求，抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。
    對(duì)比國(guó)內(nèi)，以上幾點(diǎn)恰恰是值得我們學(xué)習(xí)借鑒的。國(guó)內(nèi)一般強(qiáng)調(diào)的是單個(gè)的產(chǎn)品，如檁條、屋面板等，缺少“系統(tǒng)”的概念。輕鋼企業(yè)賣給客戶的所謂系統(tǒng)是市場(chǎng)上拼湊來(lái)的，少有自己研發(fā)的系統(tǒng)。這一方面反映了我們的市場(chǎng)還處于初級(jí)階段，另一方面也跟我們行業(yè)的大氣侯有關(guān)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資質(zhì)在設(shè)計(jì)院，那么設(shè)計(jì)院必然要根據(jù)市場(chǎng)上的材料供應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，所以成了沒(méi)有設(shè)計(jì)資質(zhì)的檁條、屋面板的生產(chǎn)廠在領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)，后果可想而知。而設(shè)計(jì)院也很難設(shè)計(jì)出完整的系統(tǒng)，僅就組成屋面系統(tǒng)的各種材料的材料標(biāo)準(zhǔn)一點(diǎn)而言，一般設(shè)計(jì)圖紙很難能說(shuō)清楚的。在美國(guó)，輕鋼企業(yè)是有設(shè)計(jì)資質(zhì)的，不同企業(yè)都能“開發(fā)”出自己的建筑系統(tǒng)，并清楚知道其建筑系統(tǒng)的承載力，市場(chǎng)上賣的是系統(tǒng)，而不是單個(gè)構(gòu)件產(chǎn)品，因此其整體技術(shù)水平較國(guó)內(nèi)企業(yè)高，這值得我們效仿。建筑系統(tǒng)的研發(fā)只能寄希望于企業(yè)，應(yīng)當(dāng)容許和鼓勵(lì)輕鋼企業(yè)取得設(shè)計(jì)資質(zhì)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)技術(shù)升級(jí)；同時(shí)適當(dāng)提高行業(yè)準(zhǔn)入門檻，凈化市場(chǎng)環(huán)境，以利于整個(gè)行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
    痛定思痛，“云娜”臺(tái)風(fēng)給了我們整個(gè)行業(yè)一個(gè)教訓(xùn)，加強(qiáng)輕鋼結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)已刻不容緩。臺(tái)州市建設(shè)規(guī)劃局的災(zāi)后調(diào)查結(jié)論中關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的章節(jié)，句句緊扣圍護(hù)、連接結(jié)構(gòu)，直指板與次結(jié)構(gòu)的連接破壞為禍?zhǔn)?。這與我們自己的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果是吻合的。我公司的廠房沒(méi)出現(xiàn)破損現(xiàn)象，這是我們平時(shí)注重建筑系統(tǒng)的研發(fā)，重視實(shí)驗(yàn)，并較好握了建筑系統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)的必然結(jié)果。

    3. 結(jié)束語(yǔ)
    工程實(shí)踐不斷表明，輕鋼結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是異常重要的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)又是抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
    本文關(guān)于MBMA 96 的介紹，是希望設(shè)計(jì)人員能在理解的基礎(chǔ)上更好的使用《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》；關(guān)于FM的介紹，是希望能為整個(gè)行業(yè)抗風(fēng)技術(shù)發(fā)展提供一個(gè)思路。
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