轻钢结构屋面抗风设计及施工浅析

钟凯

摘 要：本文首先简要阐述了轻钢结构屋面板的破坏形式及抗风设计，然后从设计和施工两个方面分别对轻钢结构屋面板的破坏原因进行分析并提出相应的改进措施。

关键词：轻钢结构;屋面系统;抗风设计

中图分类号：TU352.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0081-02

随着我国经济的发展和科技的不断进步，轻钢结构以其施工周期短、抗震性好、环保、结构布置灵活多样、综合经济效益好等优点，在我国被广泛应用于工业厂房及民用建筑中。随着新的结构形式的发展及高效钢材的应用，轻钢结构建筑材料逐渐向着轻质高强的方向发展，因而对风荷载也就更加敏感。若轻钢结构建筑维护系统的抗风能力若不足，设计及施工存在问题，遭遇大风的情况下往往会受到严重的破坏。我国是风灾严重国家，尤其是在东南沿海地区，经常会遭遇台风。2017年，“天鸽”台风袭卷广东珠海等地，最强风力达到16级，所过之处80%的钢结构工厂受到不同程度的破坏，财产损失200多亿人民币，给受灾企业的稳定发展造成重创。台风过境，除少部分轻钢结构工业厂房倒塌外，大部分轻钢结构厂房主体结构并未受到严重破坏，但屋面板被掀起或者破坏严重。

1 轻钢结构屋面板的破坏形式及抗风设计

轻钢结构屋面板的破坏形式有以下几种：钢板脱离支座被掀起、屋脊屋面钢板大面积被台风掀起吹走、高跨范围的屋面钢板全部掀起破坏、局部屋面钢板条状撕开，保温岩棉外露、屋面钢板起鼓，咬口接缝松动，保温岩棉外露、屋面钢板被外物刮破致损等。

轻钢结构屋面板的抗风设计，主要是对风荷载取值进行测试和分析，并对结构在风荷载作用下的响应进行计算，进而得到结构方案的安全性及舒适性评价，并以此完成方案的确认或优化。结构风荷载的测试及分析主要包括现场实测、风洞试验和数值模拟。其中，风洞试验方法较为成熟，通过风洞试验，可以得到建筑表面的荷载及施加到动力模型上的风振响应，是目前最主要的研究手段。近二十年来，随着计算机软硬件水平与计算流体力学的快速发展，数值模拟技术以其显著的优势和展现出的良好发展前景在结构风工程领域的研究中承担起越来越重要的角色。通过对风荷载的取值和分析，得到屋面板结构的最大风值响应，并将之等效转化为静力荷载，也就是所谓的等效静风荷载，以方便设计计算。若最终方案的评价不满足设计要求，则需要对方案进行优化。方案优化的措施主要有对屋面板的表面增加竖条等处理，改变其表面粗糙度、设置阻尼器、通过调整屋面板的体型来改变其气动荷载。

2 轻钢结构屋面破坏原因分析

2.1 设计缺陷

我国钢结构设计人员的设计水平良莠不齐，部分设计人员缺乏工程实践经验，钢结构的设计存在缺陷。在工程事故中，因钢结构设计不合理导致的工程事故约占三分之一。常见的设计缺陷有以下几种：

（1）设计深度不足以指导施工，以至于施工方在施工过程中凭经验、感觉施工。（2）设计选用屋面钢板厚度和强度不足。受损屋面钢板大多采用Q235钢，厚度低于0.4mm。（3）采用暗扣安装形式的屋面钢板，暗扣数量偏少或漏设，导致在强风状态下暗扣被拉直或拉脱;采用螺栓安装形式的屋面钢板，螺栓数量偏少或漏设，导致在风荷载状态下受力不对称，引发连锁破坏，螺帽没有安装钢板垫片，导致螺栓孔在风荷载的作用下产生应力集中现象，螺栓孔增大，屋面钢板疲劳破坏或撕裂;屋面板构件连接所选用的自攻钉、拉铆钉的设计风荷载承载力不足，致其在强风作用下被拔出或拉断。（4）未对风荷载体型系数增大区域采取相应的构造处理措施，如对檩条间距和固定点加密。（5）对于与屋面板相连接的构件，未采用与理论计算模型相一致的构造措施，导致在风荷载作用下的实际刚度不足。

2.2 施工质量缺陷

很多施工方为降低人工成本，现场实际施工人员多为文化程度不高，专业素质不够的劳动者，缺乏一定的专业知识，这就导致在屋面板的施工过程中，施工方现场施工随意性很大，不遵守操作规程。常见的施工缺陷有以下几种：

（1）施工方不按图纸施工，屋面板外形及尺寸不符合设计要求。（2）在施工过程中不注意对屋面围护的保护，对屋面板随意踩踏，导致屋面板不平整甚至存在涂层划伤现象。（3）采用暗扣安装形式的屋面钢板，暗扣质量较差，屋面板及扣件支座厚度及强度不足，屋面板与固定支座之间的咬合紧密度不足，导致在强风状态下暗扣被拉直或拉脱;采用螺栓安装形式的屋面钢板，螺栓质量差，螺栓配置不足或未完全紧固，檩条未能与支座底板完全贴合，在强风状态下被拉出或拉断。（4）靠近山墙、檐口的风荷载体型系数增大区域，抗风钉漏打或少打，造成灌风现象，风的吸力增大。（5）咬口机齿轮间隙调整不合理，导致咬合不到位，且为采取有效补救措施。

3 轻钢结构屋面抗风设计及施工建议

3.1 设计方面

设计人员在对屋面板进行设计时，要确保设计深度能到达到指导施工的要求。设计人员应对屋面板的版型、厚度以及节点构造进行详细设计，明确自攻螺钉的數量及具体位置，避免出现由于缺少详细的节点设计而导致施工方随意选用节点，影响轻钢建筑的质量。对于自攻螺钉、铆钉等屋面板系统的配件，设计人员应在设计图之中注明详细的规格型号参数，不能因为缺乏设计经验而省略，造成施工方的随意施工，选用规格质量不达标的配件，从而影响整个屋面系统的抗风能力。在设计时，应对连接极限承载力作出详细要求，计算自攻螺钉的抗拔承载力，并要求施工方试验确定。

在设计过程中，设计人员应综合考虑建设地点、建筑物所处的环境条件以及建筑物尺寸等各项条件，以此来确定轻钢结构屋面系统的各项技术要求。对于建筑物的檐口、山墙、端部、角部等不同部位，其风荷载体形系数不尽相同，设计人员应该区别对待。

屋面板型对轻钢结构建筑的气动荷载的影响很大，因此应重视屋面板型的设计及选用。避免选用角驰型、简易扣合型这类抗风能力弱，容易被台风破坏的板型，推荐选用类似巴特勒360度匹兹堡双锁卷边直立缝屋面系统的屋面板型。

在选材方面，要选用通过UL和FM权威安全认证的轻钢结构产品。建筑物的系统抗风能力主要由屋面板、支架、檩条、连接件及屋面相互连接件等结构决定，某一单一构件的抗风能力是不确定的。对于轻钢结构屋面抗风能力，在风荷载标准值大于0.5KN/m2或常发生台风的沿海地区，根据设计要求，采取如下的结构措施进行设计：屋面采用钢结构支架，外板钢板厚度不应小于0.48mm，钢板屈服强度不应低于235MPa，常发生台风的沿海地区钢板的材质不应低于345MPa;屋面板固定支架选材不应低于235MPa，风载荷在标准范围内设计厚度1mm，风载荷大于0.6KN/m2时屋面板厚度选用1.2mm;在与檩条连接处用自攻钉进行错位连接，屋面板不应小于10mm搭接，当屋面板过长单坡大于27米时，屋面板支架可以采用移动式支架;屋面板与周边件接触部位，均应加装抗风加强钉，根据设计经验与山墙边接触位置加强钉的间距不应大于250mm，且配置防水垫圈，在屋脊的波谷內加装2个抗风自攻钉;采用可穿透式连接的板型或带有锁缝的咬口式板型，屋板面采用咬合式板型时，应加设固定支架，增强檩条位置的抗风能力;确保屋面抗风能力，应保证屋面板咬合质量，咬合角度应符合设计要求，采用机械式咬合方法。

在实际中风载荷超出设计水平是造成轻钢结构破坏的主要因素，因此设计时应在特定项目检测和结构验算分析进行综合评定。对于较大截面的轻钢结构屋面，应检查屋面的钢板厚度、连接螺栓是否失效、屋面咬合处有无开裂、屋面檩条是否变形、屋面排水系统是否失效等，定期检查直接承受载荷的部件、构件变形是否在可控范围内、屋面是否产生疲劳裂缝。轻钢结构的塑性变形较好，但连接构件处较容易出现脆性破坏，在夏季高温天气应对构件的变形及涂层进行检查，全面检查得出有针对性的措施，有效的预防轻钢结构在风载荷较大的环境下发生破坏。

3.2 施工安装方面

施工方在安装施工过程中，应重视施工组织设计，根据现场实际情况制定合适的抗风施工组织方案，确保施工中的轻钢建筑能够保持有利的抗风体型。重视施工质量，做好轻钢结构屋面板的施工质量控制。要确保施工工艺完整性及工艺顺序的正确性。对于屋面系统的正确的施工安装工艺，首先要安装屋面檩条，然后安装拉条，对檩条进行校正。确保檩条安装合格后，安装屋面的第一排支架。支架安装完毕，将屋面板扣合并用咬口机锁边。最后安装屋脊的收边板。施工单位完成对屋面系统的安装后，应进行自检，确保屋面板的施工安装合乎相关规范及设计要求。

屋面板采用360度匹兹堡双锁卷边（类同易拉罐的卷边原理）直立缝屋面系统，需要用专用电咬口机锁边，要锁匀、锁牢，密封胶充满密实，避免出现咬合不匀或者咬合不完全等现象，导致连接强度降低。咬口机要求：定期对咬口机进行维护保养，如对锟轮定期加油，定期对加油嘴添加润滑油，保证使用寿命;使用前，先空转电观察电机是否正常工作，然后调整两侧脚支架高度，将咬口机放置屋面板的结合处，压合时注意滚轮是否处于屋面板所要压合的位置;机器工作时，操作者必须跟随机器运动，观察屋面板压合情况，若有面板松脱，应立即停机调整好位置后重新开机;通常情况压合屋面板的宽度在10～15mm，压合时应注意机器是否跑偏，压合过程中必须保证面板结合处能紧密压合在一起，否则机器很容易脱离面板。

对于大型空间结构屋面系统以及沿海或风荷载较大的地区，可以通过使用抗风夹及特殊铝合金夹对边区及角区进行加固处理（见图1），来进一步提升屋面系统的抗风能力。

采用预冲孔技术，在次结构与主结构之间的连接、次结构与屋面（或墙面）外板连接、次结构与次结构之间的连接，都预先冲孔。要保证预冲孔的精度控制在0.5mm内，以保证构件的连接精度，便于构件的安装，使轻钢结构屋面更平直，整体性能更好。在屋面夹和檩条的连接上使用高强度、坚固的专业粗紧固件，加强构造连接的施工质量，增强屋面系统的抗风性能。

4 结语

工程实践表明，工程抗风设计及施工质量，对工程安全抗风防灾至关重要。对轻钢结构建筑的屋面系统的抗风设计加以研究，从设计和施工两方面入手，分析屋面系统的破坏原因及有效解决措施，对今后的轻钢结构屋面系统的抗风设计有一定的指导和借鉴意义。

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