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從風(fēng)荷載對輕鋼結構房屋的破壞看抗風(fēng)設計

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
李文波 王賽寧
    關(guān)鍵詞：從風(fēng)荷載對輕鋼結構房屋的破壞看抗風(fēng)設計
    李文波 王賽寧
    摘要 本文著(zhù)重介紹了美國MBMA96 和FM關(guān)于輕鋼結構房屋的風(fēng)荷載設計方法和規定，并對國內輕鋼房屋風(fēng)載設計提出一些建議。
    關(guān)鍵詞 低層房屋 設計風(fēng)壓 壓力系數 開(kāi)口 剛架 圍護結構 有效受風(fēng)面積
    前言
    20世紀90年代以來(lái)，我國鋼結構建筑的發(fā)展十分迅速，特別是輕鋼結構的發(fā)展更是，如火如荼。輕鋼結構由于具有施工周期短，綜合經(jīng)濟效益好，利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著(zhù)近年來(lái)防火、防腐技術(shù)的不斷完善，使得它在工業(yè)廠(chǎng)房以及民用建筑中獲得了廣泛的應用。在中國經(jīng)濟強勁增長(cháng)，今年鋼產(chǎn)量預計可達2.65億噸的宏觀(guān)大背景下，可以預言，21世紀初期將是鋼結構快速發(fā)展時(shí)期，長(cháng)期以來(lái)由混凝土結構、砌體結構一統天下的傳統格局將發(fā)生逆轉，它的崛起必將給建筑業(yè)帶來(lái)一次產(chǎn)業(yè)革命。從事鋼結構制造的企業(yè)、各建筑設計院正面臨著(zhù)前所未有的機遇與挑戰。
    但是，不容回避的事實(shí)是，每當各地有大的風(fēng)災、雪災發(fā)生時(shí)，輕鋼結構較其它結構相比，往往都遭受到更嚴重的破壞。如2004年第14號臺風(fēng)“云娜”在浙江省溫嶺市登陸，造成1800多萬(wàn)人受災，183人死亡，9人失蹤，直接經(jīng)濟損失201億元。全市工業(yè)企業(yè)廠(chǎng)房倒塌272.2萬(wàn)平方米，廠(chǎng)房破損756.2萬(wàn)平方米，其中絕大部分是輕鋼廠(chǎng)房或輕鋼圍護廠(chǎng)房。
    臺州部分工業(yè)廠(chǎng)房在這次臺風(fēng)中遭受如此重大損失，有其偶然性：因為遭遇了超強臺風(fēng)的襲擊。據氣象部門(mén)統計資料顯示，這次臺風(fēng)，是1956年以來(lái)，臺州遭遇到的風(fēng)速最快、風(fēng)力最強、臺風(fēng)持續時(shí)間最長(cháng)的超強臺風(fēng)。臺風(fēng)登陸時(shí)中心氣壓950百帕，臺州全境風(fēng)力均達12級以上，內陸最大風(fēng)速達53.5米/秒，大大超過(guò)十二級臺風(fēng)36.9米／秒的上限，創(chuàng )國內實(shí)測最高記錄， “云娜”是繼1956年“8•1”臺風(fēng)之后近48年來(lái)登陸浙江最強的臺風(fēng)，也是1996年第15號臺風(fēng)之后近8年來(lái)登陸我國大陸最強的臺風(fēng)。臺風(fēng)過(guò)境期間除少部分輕鋼結構廠(chǎng)房倒塌外，更多的情況是輕鋼結構廠(chǎng)房雖未倒塌，（甚至檁條也未遭嚴重破壞）但屋面板被掀去，致使大量機械設備、成品、半成品、原材料遭水浸泡是本次風(fēng)災經(jīng)濟損失巨大的重要原因之一。
    臺州部分工業(yè)廠(chǎng)房在這次臺風(fēng)中遭受如此重大損失，也有其必然性：因為部分業(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(chǎng)房的工程質(zhì)量太差，抗風(fēng)能力太低。臺風(fēng)過(guò)后，臺州市建設規劃局馬上組織了30位專(zhuān)家，對該市62個(gè)工業(yè)企業(yè)的78個(gè)工程進(jìn)行了調查和分析研究。他們的結論之一：“彩鋼板厚度和強度不足。據調查，受損彩鋼板屋蓋大部分采用Ⅰ(Q235)級鋼，板厚大多小于0.4毫米”；結論之二：“采用暗扣安裝形式的屋蓋，暗扣質(zhì)量差，暗扣本身厚度和強度不足，暗扣數量偏少或漏設，在風(fēng)力作用下，暗扣被拉直或拉脫”；結論之三：“采用螺栓（螺釘）安裝形式的屋蓋，螺栓（螺釘）數量偏少，螺帽下又未加設鋼板墊片，彩鋼板螺栓（螺釘）孔處在風(fēng)載集中應力反復作用下，孔洞不斷擴大，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。”結論之四：“輕鋼結構廠(chǎng)房的薄弱部位沒(méi)有加強抗風(fēng)處理，臺風(fēng)襲擊過(guò)程中，往往這些薄弱部門(mén)先行破壞，導致整個(gè)廠(chǎng)房圍護破壞”。
    縱觀(guān)以上結論，可以看出根本問(wèn)題就是圍護系統的抗風(fēng)能力不足，設計及施工存在缺陷。這種現象如得不到糾正，必定會(huì )對輕鋼結構帶來(lái)負面影響，阻礙整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。那末是不是輕鋼結構真的不適合建造在沿海風(fēng)力較大地區呢？結論當然是否定的。由巴特勒公司設計制造的“錢(qián)江摩托”等工業(yè)廠(chǎng)房經(jīng)受住了該次臺風(fēng)的考驗，不僅結構安全可靠，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)災引起的損失每年達１００億美元以上，我國又是風(fēng)災嚴重國家，而工程損傷和破壞又是風(fēng)災損失的重要成份，因而工程抗風(fēng)設計計算合理和全面與否是工程安全的抗風(fēng)防災的重要因素。同時(shí)由于輕鋼結構自重輕，風(fēng)荷載是其最主要的破壞因素，更應當給予特殊的重視。美國的輕鋼結構發(fā)展最早，技術(shù)最成熟，同時(shí)美國也是風(fēng)災頻發(fā)的國家，其關(guān)于低層鋼結構房屋抗風(fēng)設計技術(shù)和經(jīng)驗是非常獨到和先進(jìn)的。下面根據本人的理解介紹一下美國MBMA和FM關(guān)于風(fēng)荷載的設計，供大家參考。

    1．低層房屋建筑系統手冊(LOW RISE BUILDING SYSTEMS MANUAL)
    《低層房屋建筑系統手冊》（1996）版（以下簡(jiǎn)稱(chēng)手冊）是由美國鋼結構房屋制造商協(xié)會(huì )(METAL BUILDING MANUFACTURE ASSOCIATION)編纂的技術(shù)規程。它反映了美國在低層鋼結構房屋建筑系統方面幾十年的研究成果和經(jīng)驗積累。其關(guān)于低層建筑風(fēng)荷載的取用和計算部分是該手冊的精華所在，使其成為輕鋼結構設計最重要的參考資料之一。我國建筑金屬結構協(xié)會(huì )主編的《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》(CECS 102:2002) 中的風(fēng)荷載體型系數即參考和引用自該書(shū)。
    需要說(shuō)明的是美國的規范、規程允許多種新舊版本并存，如MBMA 2002 為最新版規程，但MBMA 86 和MBMA 96迄今仍是應用最為廣泛的版本。
    1.1 低層房屋的定義
    該手冊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)荷載的設計計算方法是在紊流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗的基礎上獲得的，而用于風(fēng)洞實(shí)驗的研究模型具有上述幾何特點(diǎn)，所以當建筑物不滿(mǎn)足該項要求時(shí)，應參照其它規程（如ASCE-7 或UBC 等）確定風(fēng)荷載值。
    自然界中的流體運動(dòng)（例如風(fēng)）存在著(zhù)二種不同的形式：一種是層流，看上去平順、清晰，沒(méi)有摻混現象，例如靠近燃燒著(zhù)的香煙頭附近細細的煙流；另一種則顯得雜亂無(wú)章，看上去毫無(wú)規則，例如煙囪里冒出來(lái)的滾滾濃煙，這就是湍流，也叫紊流。雖然國內外的風(fēng)荷載研究均是建立在風(fēng)洞實(shí)驗的基礎上的，但不同規范之間由于其適用對象的不同、研究手段的差異，使風(fēng)荷載計算值相差較大，因此根據實(shí)際項目的自身特點(diǎn)，選擇合適的規范非常重要。一般說(shuō)來(lái)，當設計對象為多、高層建筑時(shí)，應選用主要以層流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗為研究基礎的規范，如《建筑結構荷載規范》；當設計對象為低矮建筑時(shí)，應選用主要以紊流邊界層風(fēng)洞實(shí)驗為研究基礎的規范，如《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》。有些人認為兩種風(fēng)荷載計算方法并存是不合理的，然而這非但不是“不合理”的，反而恰恰是對自然界真實(shí)的、合理的、科學(xué)的反映。還有些人認為采用哪個(gè)規范計算偏安全，就采用那個(gè)規范，這樣的觀(guān)點(diǎn)也是不科學(xué)的，如果實(shí)驗研究證明它只會(huì )承受那么大的風(fēng)荷載，設計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)依據的。
    1.2 設計風(fēng)壓
    設計風(fēng)壓表達式：p= IW q(G Cp)

    p ---- 設計風(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；

    V ---- 地面粗糙度C類(lèi)，50年一遇的離地33英尺（約10米）高度處的里程風(fēng)速（mph），當里程風(fēng)速小于70 mph時(shí)，取70 mph ；
    H ---- 屋面平均高度(feet)，對于屋面坡度£10°的建筑物可取檐口高度，但不小于15英尺（約4.5米）。
    GCp ---- 主框架或構件的組合壓力系數峰值。
    主結構選用表5.2（a），（b）
    次結構選用表5.7（a），（b）
    需要注意的是公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義與國內風(fēng)速是不同的，國內風(fēng)速測量時(shí)距為10分鐘定值，而里程風(fēng)速測量時(shí)距是長(cháng)度為一英里的空氣通過(guò)風(fēng)速計所需要的時(shí)間。因此對不同的風(fēng)速值，其測量時(shí)距是變值。所以不能通過(guò)簡(jiǎn)單的單位換算后，對兩種風(fēng)速進(jìn)行大小比較。中國基本風(fēng)壓與美國里程風(fēng)速對應關(guān)系詳見(jiàn)表2。

    風(fēng)荷載的重要性系數反應的是，對不同重要性的建筑物須采用不同重現周期的風(fēng)速，通過(guò)系數1.07和0.95 分別將50年一遇里程風(fēng)速調整為100年一遇及25年一遇的里程風(fēng)速。
    對于一棟建筑，只對應一個(gè)q（速度風(fēng)壓）值，用于計算整個(gè)建筑系統不同構件的風(fēng)荷載值，并且不隨構件所處的標高變化而變化，這是與國內規范的不同點(diǎn)之一。
    GCp 是主框架或構件的組合壓力系數峰值，其中G表示陣風(fēng)反應系數，是一個(gè)考慮了風(fēng)的紊流而取的放大系數；CpI內部壓力系數，CpE外部壓力系數，Cp組合壓力系數（相當于內部壓力系數和外部壓力系數組合后的系數）。由于研究過(guò)程中進(jìn)行了廣泛的風(fēng)洞實(shí)驗，借助傳感器“峰值系數”是可以監測到的，它就是GCp，所以在本規程中G和Cp總是以乘積的形式出現，并不真的有獨立的陣風(fēng)反應系數值或組合壓力系數值。CpE外部壓力系數在物理意義上相當于國內規范中的“風(fēng)載體型系數”。
    (H/33)2/7 既地面粗糙度系數KZ ，相當于國內規范中的“風(fēng)壓高度變化系數”，需要指出的是，該規程在確定風(fēng)荷載時(shí)，并未對不同建筑物所在場(chǎng)地的地面粗糙度進(jìn)行區分，而是偏安全的統一取為C類(lèi)（相當于國內規范B類(lèi)地面粗糙度，µzB=(z/10)0.32）。所以在手冊中該值僅與建筑物屋面平均高度有關(guān)。
    美國規范中地面粗糙度類(lèi)別定義如下：
    A類(lèi) ：大城市中心周?chē)谐^(guò)50%的建筑物高度超過(guò)70英尺（約20米）；
    B類(lèi) ：市內或郊區，樹(shù)木繁茂區或密集住宅及較大建筑物；
    C類(lèi) ：開(kāi)闊地區或零星阻擋物；
    D類(lèi)：平坦區域無(wú)阻擋物阻礙風(fēng)吹過(guò)。
    分別對應國內《建筑結構荷載規范》的D~A類(lèi)“地面粗糙度”。
    1.3 風(fēng)荷載大小的確定
    1.3.1 建筑物的類(lèi)型
    建筑物的內部壓力是由所謂“鼓風(fēng)效應”和“吸風(fēng)效應”產(chǎn)生的。迎風(fēng)面墻上的開(kāi)口使風(fēng)吹入房屋內部，此時(shí)就如同吹氣球一樣， 產(chǎn)生一個(gè)作用于所有屋面、墻面的內部壓力。當開(kāi)口位于背對風(fēng)(或側對風(fēng))墻上時(shí)，由于該位置為風(fēng)荷載的負壓區，部分空氣由室內流失，產(chǎn)生一個(gè)作用于所有屋面、墻面的內部吸力，由此可見(jiàn)開(kāi)口與建筑物的內部壓力關(guān)系緊密。這里說(shuō)的的開(kāi)口（Opening）是指建筑物表面永久性的無(wú)有效遮蔽的，并且是根據設計要求留設的洞口。該規程根據建筑物圍護結構(屋面、墻面)上開(kāi)口的面積率和分布情況的不同，將建筑物分為以下三類(lèi)：
    封閉式建筑（Enclosed Buildings）是指在其圍護結構上無(wú)開(kāi)口或開(kāi)口分布相對均勻的建筑物, 封閉式建筑的內部壓力主要來(lái)源于外墻面門(mén)窗的開(kāi)關(guān)，室內門(mén)窗的開(kāi)關(guān)以及圍護結構的破損和開(kāi)口等情況，其內部壓力系數CpI可取為+0.2（鼓風(fēng)效應）和-0.2（吸風(fēng)效應）。
    對于可有效承受風(fēng)荷載的門(mén)窗，可不作為開(kāi)口考慮。因此結構設計時(shí)必須考慮門(mén)、窗、墻面采光板等建筑附件的抗風(fēng)設計，否則門(mén)窗一旦在風(fēng)壓下破損，將改變建筑物的內部壓力，對結構產(chǎn)生不利影響。
    部分封閉式建筑（Partial Enclosed Buildings）是指墻面開(kāi)口主要集中于一面墻上，該面墻上的開(kāi)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(kāi)口面積總和 ，且其余墻面及屋面開(kāi)口面積總和不超過(guò)其余墻面及屋面總和的20%的一類(lèi)建筑物。這一類(lèi)建筑物的特點(diǎn)是，有大開(kāi)口，且分布極不均勻。 其內部壓力系數值CpI可取為+0.6（鼓風(fēng)效應）和-0.3（吸風(fēng)效應）。
    開(kāi)敞式建筑物（Open Buildings）是指至少有80%的墻面開(kāi)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，均應視為封閉式建筑物。
    1.3.2 屋面及墻面分區


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

    1.3.3 剛架(Main Framing)組合壓力系數的確定
    剛架的橫（縱）向組合壓力系數 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)， 內部壓力系數應根據最不利原則與外部壓力系數組合，從而得到風(fēng)荷載的控制工況。該規程通過(guò)“鼓風(fēng)效應”和“吸風(fēng)效應”分別與外部壓力系數組合得到兩種工況： 工況I為鼓風(fēng)效應與外部壓力系數組合； 工況II為吸風(fēng)效應與外部壓力系數組合。

    《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》的“剛架的風(fēng)荷載體型系數” 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。理論上講結構設計中兩種工況均應考慮， 并取用最不利工況下的荷載，通過(guò)比較我們發(fā)現一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規程所推薦的那兩種組合。
    需要注意的是MBMA規程規定：橫向風(fēng)作用時(shí)，當房屋端區寬度（既2Z）小于端柱距尺寸時(shí)，端區比中區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，而非強度或穩定方面（承載力極限狀態(tài)）的要求，因此手冊建議計算側移時(shí)采用一個(gè)較低的（10年）重現期的風(fēng)載，即0.75 p。實(shí)際上風(fēng)荷載作用下的剛架側移值遠小于按普通方法分析得出的計算值，原因是分析中未考慮蒙皮效應，及工程鉸的抗彎剛度等因素。
    1.3.4 附件及圍護結構(Components and Cladding)組合壓力系數的確定
    附件及圍護結構包含的構件的種類(lèi)較多，其組合壓力系數GCp分別在《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有詳盡描述，在此不再重復講述，僅談幾個(gè)設計中應注意的問(wèn)題：
    圍護結構組合壓力系數為有效受風(fēng)面積（Effective Wind Load Area）的函數，并與其線(xiàn)形相關(guān)。有效受風(fēng)面積僅用于確定圍護結構的組合壓力系數，與受荷面積是完全不同的兩個(gè)概念，設計中應加以區分。
    《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》中給出的組合壓力系數均為屋面角£10°的情況，由于組合壓力系數對屋面角很敏感，因此對屋面角>10°的情況應參考“手冊”相應條件下的系數。
    “手冊”允許當屋面角£10°時(shí)，墻面組合壓力系數減少10%。
    當構件同時(shí)位于兩個(gè)分區時(shí)，如端開(kāi)間的檁條和墻梁，應判斷采用邊區還是中區的系數，“手冊”建議當構件超過(guò)一半的長(cháng)度位于邊區內時(shí)，采用邊區系數；反之則采用中區系數。
    出屋面女兒墻組合壓力系數迎風(fēng)面為+1.3，背風(fēng)面為-1.3，這與國內《建筑結構荷載規范》的規定是相同的。
    2．FM 的風(fēng)荷載設計
    FM（Factory Mutual Insurance Company）是美國“FM Global”的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是世界上最主要的工商財產(chǎn)保險組織之一，其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”，1999年美國三家最大的“FM”保險公司(Allendale Insurance， Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機構FMRC（Factory Mutual Research Corp.）發(fā)布的屋面系統抗風(fēng)標準、抗風(fēng)測試及產(chǎn)品認證在全世界得到廣泛的認可，并在輕鋼結構廠(chǎng)房屋面設計、制作、安裝過(guò)程中得到廣泛的借鑒和應用，為眾多（被保險或未被保險的）企業(yè)避免或降低了風(fēng)災損失。這其中許多內容是值得國內輕鋼結構設計、制作單位借鑒的。
    FM風(fēng)荷載設計所要遵循的技術(shù)標準（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《建筑結構最小荷載規范》，它是美國主流荷載規范之一）。FMRC對其作了如下修正：
    1．對所有建筑結構的風(fēng)荷載重要性系數均取為 I=1.15　，其意義在于將風(fēng)速的重現期由50年調整為100年；
    2．當建筑位于地面粗糙度為A 類(lèi)地區時(shí)，地面粗糙度取為B 類(lèi)；
    3．對基本風(fēng)速大于等于120mph的有颶風(fēng)的海岸線(xiàn)，地面粗糙度取為C 類(lèi)；
    4．按10sf （ 約1m2 ）有效受風(fēng)面積確定屋面系統的設計風(fēng)壓（p）。

    2.1 FM（ASCE 7 – 98）的設計風(fēng)壓
    設計風(fēng)壓表達式：p= qz [(G Cpf) - (G Cpi)]
    p ---- 設計風(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；
    Kzt ---- 地形條件修正系數（1.0）；
    Kd ---- 風(fēng)向系數（0.85）；
    I ---- 風(fēng)荷載重要性系數（1.15）；
    V ---- 基本風(fēng)速（Basic Wind Speed）指C 類(lèi)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)速測量時(shí)距為3秒，所以其風(fēng)速表達值較其它規范顯得偏大。國內主要城市的3秒陣風(fēng)速度值，在LPD 1-28中已有規定，設計時(shí)僅依據城市名稱(chēng)便可查出該值。

    注：全國其它主要城市風(fēng)速值詳見(jiàn) LPD 1-28 。
    G Cpi為內部壓力系數，該規范規定：對封閉式建筑取為+0.18（鼓風(fēng)效應）和-0.18（吸風(fēng)效應）；對辦封閉式建筑取為+0.55（鼓風(fēng)效應）和-0.55（吸風(fēng)效應）。
    G Cpf為外部壓力系數，外部壓力系數分為剛架（Main Wind Force Resisting System）的外部壓力系數，和附件及圍護結構（Components and Cladding）的外部壓力系數。分別見(jiàn)表-6和圖-3至圖-6。




    圖-4和圖-6中橫坐標軸為有效受風(fēng)面積（Effective Wind Load Area），單位為sf（m2），縱坐標軸為附件及圍護結構的外部壓力系數。須要注意的是圖-4給出了屋面構件的風(fēng)荷載壓力系數，設計中風(fēng)吸、風(fēng)壓應分別予以計算并確定最不利組合。當屋面角£10°時(shí)，墻面外部壓力系數可減少10%。ASCE 7-98 中關(guān)于房屋類(lèi)型和屋面分區“a”和“h”值的定義與MBMA 96 相同的。
    FM屋面分區與前面介紹的MBMA 96 的主要區別是：
    1．當屋面坡角大于10°時(shí)，屋脊處也會(huì )出現邊區和角區，見(jiàn)圖-3；
    2．當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)，角區由邊區代替；
    3．FM（ASCE7-98）給出了屋面高度超過(guò)18米時(shí)的屋面分區，這對多層廠(chǎng)房屋面抗風(fēng)設計有較大的指導意義；
    4．角區僅可能出現在建筑物屋面的陽(yáng)角處，屋面陰角處為邊區不出現角區。

    2.2 FM 屋面風(fēng)暴等級確定
    根據上述步驟得到屋面中區有效受風(fēng)面積為10sf （ 約1m2 ）的設計風(fēng)壓p，便可根據下表確定屋面中區的風(fēng)暴等級。

    1-60、1-75、1-90等 是FM的抗風(fēng)暴等級，它表示該級別屋面系統經(jīng)FMRC風(fēng)荷載實(shí)驗驗證可承受的風(fēng)壓分別可達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，相鄰各級的級差為15psf(約0.718kn/m2)。通過(guò)觀(guān)察我們會(huì )發(fā)現，所要求抗風(fēng)暴等級的實(shí)際承載力總是>=2倍的設計風(fēng)壓 p，它相當于屋面系統得極限承載力。
    確定屋面中區風(fēng)暴等級后，便可根據下表確定屋面邊區和角區的風(fēng)暴等級。


    2.3 FM 抗風(fēng)設計的特點(diǎn)
    1．FMRC抗風(fēng)設計側重圍護結構，尤其是屋面結構系統。它將不同公司的多種屋面系統根據其抗風(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，而每一級別的屋面系統的抗風(fēng)能力認證，則完全是通過(guò)實(shí)驗驗證的方法確定的。
    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的整個(gè)系統的抗風(fēng)能力所決定的。單獨某個(gè)構件的抗風(fēng)能力是不確定的。
    3．主結構（剛架）抗風(fēng)設計滿(mǎn)足規范（ASCE 7-98）要求即可，并無(wú)特殊風(fēng)載要求，抗風(fēng)設計的重點(diǎn)在圍護結構上。
    對比國內，以上幾點(diǎn)恰恰是值得我們學(xué)習借鑒的。國內一般強調的是單個(gè)的產(chǎn)品，如檁條、屋面板等，缺少“系統”的概念。輕鋼企業(yè)賣(mài)給客戶(hù)的所謂系統是市場(chǎng)上拼湊來(lái)的，少有自己研發(fā)的系統。這一方面反映了我們的市場(chǎng)還處于初級階段，另一方面也跟我們行業(yè)的大氣侯有關(guān)：結構設計資質(zhì)在設計院，那么設計院必然要根據市場(chǎng)上的材料供應來(lái)設計項目，所以成了沒(méi)有設計資質(zhì)的檁條、屋面板的生產(chǎn)廠(chǎng)在領(lǐng)導市場(chǎng)，后果可想而知。而設計院也很難設計出完整的系統，僅就組成屋面系統的各種材料的材料標準一點(diǎn)而言，一般設計圖紙很難能說(shuō)清楚的。在美國，輕鋼企業(yè)是有設計資質(zhì)的，不同企業(yè)都能“開(kāi)發(fā)”出自己的建筑系統，并清楚知道其建筑系統的承載力，市場(chǎng)上賣(mài)的是系統，而不是單個(gè)構件產(chǎn)品，因此其整體技術(shù)水平較國內企業(yè)高，這值得我們效仿。建筑系統的研發(fā)只能寄希望于企業(yè)，應當容許和鼓勵輕鋼企業(yè)取得設計資質(zhì)，實(shí)現企業(yè)技術(shù)升級；同時(shí)適當提高行業(yè)準入門(mén)檻，凈化市場(chǎng)環(huán)境，以利于整個(gè)行業(yè)的長(cháng)遠發(fā)展。
    痛定思痛，“云娜”臺風(fēng)給了我們整個(gè)行業(yè)一個(gè)教訓，加強輕鋼結構的抗風(fēng)設計已刻不容緩。臺州市建設規劃局的災后調查結論中關(guān)于輕鋼結構廠(chǎng)房的章節，句句緊扣圍護、連接結構，直指板與次結構的連接破壞為禍首。這與我們自己的現場(chǎng)調查結果是吻合的。我公司的廠(chǎng)房沒(méi)出現破損現象，這是我們平時(shí)注重建筑系統的研發(fā)，重視實(shí)驗，并較好握了建筑系統抗風(fēng)設計技術(shù)的必然結果。

    3. 結束語(yǔ)
    工程實(shí)踐不斷表明，輕鋼結構的抗風(fēng)設計是異常重要的，圍護結構又是抗風(fēng)設計的重點(diǎn)。
    本文關(guān)于MBMA 96 的介紹，是希望設計人員能在理解的基礎上更好的使用《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》；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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