轻钢建筑屋面围护结构抗风设计及施工

轻钢建筑屋面围护结构抗风设计及施工

金 海 程 林 陈梅珠 费建伟

(杭州恒达钢构股份有限公司， 杭州 311217)

摘 要：调查轻钢建筑围护结构风灾破坏工程实况，通过试验模拟风荷载作用下屋面板破坏情况，总结轻钢建筑屋面围护结构在台风及试验中受到破坏的特点，从设计和施工两方面分析其破坏原因，在此基础上给出一些设计、施工建议。

关键词：轻钢屋面围护结构； 破坏； 抗风承载力； 施工措施

0 引 言

轻型门式刚架房屋结构以其自重轻、施工周期短、综合经济效益好、抗震性能好、造价低、易拆卸搬迁、利于环保等优点倍受投资者的青睐。但是，随着轻钢结构这一行业的迅猛发展，也出现一些不容忽视的问题，每当各地有大的风灾发生时，轻钢结构较其他结构建筑往往遭受的破坏更严重。如2004年第14号台风“云娜”在浙江省温岭市登陆，全市工业企业厂房倒塌272.2 m2，厂房破损756.2 m2，而其中绝大部分是轻钢厂房或轻钢围护厂房[1-2]。本文分析了轻钢建筑屋面围护结构现场与试验破坏特点，提出了轻钢建筑屋面围护结构抗风设计的建议及构造措施。

1 轻钢建筑围护结构现场破坏特点

1)破坏板件主要有屋面板、墙面板(暗扣板)、屋面扣件支座。2012年台风“海葵”登陆东南沿海地区，台州地区的某轻钢项目出现屋面板局部被掀起的情况，而墙面板则没有出现破坏。很多支架由于少1颗自攻螺钉，支架受力不对称而导致扭转，呈现如图1所示的倾斜状态；从现场来看，支架的活动部件没有脱离滑动槽，其中问题之一是支架的活动部件抗弯不够，结果导致屋面板脱离支架。从图2中板边的形状看出，屋面板与支架没有咬合到位，支架几乎没变形，屋面板就脱开了；且支架的自攻螺钉仅为1颗，导致受荷情况下，支架受力不对称，引发连锁破坏效应。

图1 破坏实况(一)

图2 破坏实况(二)

2)破坏部位主要集中在檐口、屋脊、山墙周边局部迎风区域和自然通风口周边区域。

3)破坏特征主要是屋面板与支座脱离、收边泛水与拉铆钉脱离以及扣件支座自攻螺钉被拔出。

2 轻钢建筑围护结构试验破坏特点

2.1 试验方法

HV-470B屋面板支架试验共选取了4个试件，编号分别为470A、470B、470C和470D。试验支架布置及编号见图3，试验加载采用铺设沙袋分级加载的方式，因屋面板及其与支架咬合部位在受荷状态下的变形较大，因此在支架及屋面板跨中等部位设置位移计，记录每级加载下的位移量，直到屋面板脱开连接支架，得到屋面板的极限抗风承载力。

注：1～15为支架编号。
图3 HV-470B屋面板支架布置及编号

2.2 破坏形态

屋面板脱开檩条上的连接支架时，听到连续的拉开声音。从本试验可知，最中间的支架由于受荷最大，最先脱开，荷载传递到旁边的支架，导致旁边支架也脱离屋面板，形成多米诺骨牌效应。HV-470B屋面板扣件的破坏主要有两种形式，一是与屋面板咬合的活动部件被拉直，最后从屋面板中拉出，见图4；二是与檩条相连的固定部件滑槽受活动部件的拉力作用而侧向弯扭失稳破坏，活动部件与固定部件分离，见图5。

图4 咬合部位拉开破坏

图5 滑槽上部板件失稳破坏

2.3 试验数据

4个HV-470B屋面板支架极限承载力见表1，中间支架荷载-变形曲线见图6。

表1 HV-470B板支架极限承载力分析

试件编号支架内力分配系数及编号分配系数支架编号极限荷载/kN 总荷载 8号支架8号支架承受面荷载/(kN·m-2)风荷载考虑自重470A1/85,8,1110.9841.3731.9471.997470B1/162,4,6,7,9,14.9071.8632.6432.693470C10,12,1413.3381.6672.3652.415470D1/321,3,13,1511.7681.4712.0872.137

图6 HV-470B试件8号支架受力变形曲线

3 轻钢建筑屋面围护结构的破坏原因分析

3.1 设计缺陷

据统计，钢结构中的设计不合理现象占工程事故的1/3左右，目前，钢结构设计人员缺乏工程实践经验，在设计过程中存在着缺陷。常见的设计缺陷有：

1)设计深度不足，导致施工方凭经验、感觉施工。

2)连接用的自攻钉、拉铆钉的设计承载力不足，致使自攻螺钉、拉铆钉在风吸力的作用下被拔出或拉断。

3)在风荷载体型系数增大区域，未对相应部位进行构造措施处理。

4)与彩钢板、扣件相连接的墙梁、檩条等次构件，实际采用的构造措施与理论计算模型不一致。在风荷载的作用下，实际刚度不足。

3.2 施工质量缺陷

经调查，在屋面施工过程中，现场施工随意性很大，不遵守操作规程。主要存在以下问题:

1)施工过程中对屋面围护不注意保护，随意踩踏屋面，破坏了屋面的平整甚至出现涂层划伤等问题。

2)靠近山墙、檐口的区域，抗风钉漏打甚至少打，造成灌风现象，导致风吸力增大。

3)固定支座与屋面板之间的咬合紧密度不足，且屋面板及扣件支座板厚较薄，加上扣件支座漏设，致使屋面板与扣件之间脱开。

4)咬口机的齿轮间隙调整不当，不能咬合到位，且对咬合不符合要求的未采取有效措施。

5)屋面板外形及尺寸不符合设计要求[3]。

4 轻钢建筑屋面围护结构抗风设计建议

4.1 设计方面

设计时应提出详细连接极限承载力要求，必要时要求施工方通过试验确定连接极限承载力。

设计人员在设计时，应对建筑物的不同部位如檐口、女儿墙、端部、角部等处的风荷载区别对待。在设计过程中应根据轻钢建筑平立剖面的尺寸、建设地点以及建筑物未来所处的环境等条件，明确轻钢建筑围护系统的要求，并对板型及厚度、节点构造进行设计，确定自攻螺钉的布置，不能以“钢结构节点由钢结构公司完善”为由缺少相应的节点设计，使得施工单位在施工时随意选用节点做法，从而导致轻钢建筑产生质量隐患。

设计人员在图纸中应具体标明围护系统中配件(自攻螺钉、铆钉等)的规格，不能因为对轻钢建筑围护系统不熟悉而省略，从而导致施工和验收缺乏依据，造成盲目施工、随意施工以及无法验收的现象发生。

屋面板的抗风能力是由包括屋面板、檩条、支架(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。针对轻钢建筑屋面围护结构的抗风能力，在风荷载标准值不小于0.45 kN/m2或频遇台风的地区，建议采取如下的构造措施(当风荷载标准值特大时，尚应经过计算)：

1)屋面外板的基板厚度不小于0.476 mm，材质不低于Q235(频遇台风地区应不低于Q345、Q550等)。

2)屋面板型选用时采用穿透式连接的板型或360° 直立锁缝的咬口式板型。

3)屋面板在山墙边、天沟边、屋脊、气楼四周及屋脊、采光带四周(图7)均应采用抗风钉加强，具体应在每波谷内打2颗自攻螺钉，沿山墙处间距不大于250 mm打1颗抗风钉，且配防水垫片。

1-采光带； 2-边天沟； 3-中天沟； 4-屋脊； 5-山墙； 6-采光通风器； 7-低跨屋面； 8-高跨屋面
图7 屋面构造示意

4)屋面板固定支座材质不得低于Q235，与檩条连接时采用不少于2颗自攻螺钉错位连接，卷边不小于10 mm，建议厚度t=1.0 mm(风荷载标准值约为0.45～0.60 kN/m2)，t=1.2 mm(风荷载标准值大于0.60 kN/m2、频遇台风地区应通过计算选用)。当屋面单坡大于27 m时，屋面板支架采用滑动支架。

5)采用咬合式屋面板时，在檩条位置处必须设置固定支座,不得漏设。

6)为保证屋面板咬合质量，宜采用机械式咬合，咬合角度应符合要求。

4.2 施工安装

1)屋面板施工工艺：安装屋面檩条→安装拉条、校正檩条→安装屋面第一排支架→屋面板扣合→屋面板锁边→安装屋脊收边板→自检。

2)咬口机要求：各加油嘴要定期加机油，使其润滑；下面两排辊轮要定期加油，保证其使用寿命；使用前，先启动电机空转，观察是否正常，然后将机器放至两板扣合处，并调整两边支脚高度，注意滚轮是否在所要压的位置；正常情况下所要压板的折弯宽度在 11～15 mm 之间，否则机器很容易跑偏，必须保证两板扣合处能紧密扣在一起，不能脱开，否则机器很容易脱离；开动机器，使用者必须跟随机器走动，若前面两板有脱开，必须停机把板扣合后再开机。

5 结 语

本文总结了轻钢建筑屋面围护结构在台风中受到破坏的特点，从设计和施工两方面分析了其破坏原因，在此基础上给出了一些设计、施工建议，可供相关工程设计和施工人员参考，也可为相关规范的编制提供参考。

参考文献：

[1] 王赛宁，李文波.从风荷载对轻钢结构房屋的破坏看抗风设计[J].中国建筑防水,2010(7):9-15.

[2] 王生宏，罗浩.轻钢屋面板连接支架抗风性能研究[J].城市建设理论研究，2012(16).

[3] 周观根，王永梅，刘杨.大型公共建筑结构系统性安全探讨[C]∥第十四届空间结构学术会议论文集.福州：2012.

WIND-RESISTANT DESIGN AND CONSTRUCTION OF LIGHT STEEL ROOFING ENVELOPE

Jin Hai Cheng Lin Chen Meizhu Fei Jianwei

(Hangzhou Hengda Steel Co.Ltd, Hangzhou 311217, China)

ABSTRACT：The damage situation of light steel roofing envelope subjected to wind load was investigated by simulated experiment.To summarize the characteristics of light steel roofing envelope in the typhoon and test,and analyzed the reasons for its destruction from the design and construction, some design and construction proposals were provided.

KEY WORDS：light steel roofing envelope; damage; wind capacity; construction measures

第一作者：金海，男，1979年出生，学士。

通信作者：费建伟，[e-mail]。

收稿日期：2014-08-28

DOI：10.13206/j.gjg201503008