风雪中的轻钢结构

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风 雪 中 的 轻 钢 结 构
于海峰/威海市建筑设计院有限公司
1 雪灾概况
2005年12月3～17日，威海市遭连续大雪袭击，累计降水量105.6mm，最深积雪处超过2m，是1961年有降雪记载以来同期最大的降雪值。

积雪在当月28日才消融。

利用耿贝尔分布概率计算方法计算得出，威海市去年12月份累计降水量高达105.6mm的特大暴雪，为187年一遇。

在持续半个月的降雪中，共造成3.7亿元人民币的损失。

倒塌企业厂房和库房27万m2，压坍民房117间，其他损失也很大。

2 钢结构破坏状况及原因分析
大雪中众多建筑坍塌，损失严重，原因是多方面的。

首先根据国家荷载规范，威海地区建筑物屋面的基本雪压按照50年一遇的标准计算，雪荷载设计参数为45kg/m2，单位面积上45kg的积雪折算成厚度大约为0.35m。

由于此次持续侵袭威海的暴风雪强度远远强过了有关设计规范取值时的参照标准，第一场降雪全市平均雪深就超过0.40m，此后持续不断的降雪过程使得很多区域雪深达到0.80m，局部地区甚至超过1m。

所以屋面承受的雪荷载实际超过100kg/m2。

因此可以推断，大量建筑坍塌的首要原因是雪荷载超载。

1）风雪初期，当雪荷载还没有达到规范规定的破坏荷载时，已有大量构筑物坍塌。

首先出现坍塌的是农村的蔬菜（果树）大棚，这些大棚以前多为竹木结构，后逐步改为简易钢结构，一般采用钢筋和角钢组合屋架，间距3~4m，为塑料纸屋面或玻璃钢轻型屋面。

其破坏主要分为两种：一是塑料纸屋面变形过大，屋面破坏拉动屋架平面外整体破坏；二是屋架上下弦多采用钢筋组合而成，长细比过大，受压失稳破坏。

这类结构多没有经过正规设计、施工，体系本身不完整，要么屋架为瞬变或可变体系，要么无支撑系统，施工质量低劣，在风雪中难免倒塌。

2）风雪中第二轮倒塌的是为数众多的大跨度薄钢拱形结构，跨度10几m～20几m，中心高度8～15m，边支撑多为砖墙加钢筋混凝土圈梁或钢筋混凝土梁。

大跨度薄钢拱形结构是20世纪90年代从美国引进的一项轻钢技术，是将彩钢锌板或经化学涂层加工的冷轧锌板，在施工现场压制成弧形瓦楞槽板，吊起封口联接、两端固定、加上门窗、保温层，形成顶部拱形的钢拱建筑。

拱形结构在承受风荷载及均布竖向荷载方面有较大优势，但在承受半跨不均匀荷载方面显然不足。

威海地区薄钢拱形结构大部分未经过正规设计，均由施工单位根据跨度，凭经验确定板厚、肋高及矢高，加上施工企业偷工减料，擅自更改支座形式，随意性大、偏差大，是造成此类结构大量倒塌的重要要原因。

如图1，正确的节点大样中拱形屋面板支座处水平方向是不能移动的，而施工中为了防水方便，将拱形板搭到天沟内侧，采用膨胀螺栓水平固定于M1上，这样在半坡屋面荷载作用下，拱形板支座螺栓很容易破坏，拱形屋顶瞬间倒塌。

（a）正确的支座大样 （b）施工中错误的支座大样
图1 压型钢板拱形结构支座大样
某养殖大棚建于1999年，彩板拱结构跨度25m，矢高5.44m，3跨连续，在暴雪并伴有5~6级西北风中倒塌，原因是连续跨中间积雪太深，半跨雪荷载引起局部失稳，从而引起整体失稳。

荣成某中学食堂建于2000年，彩板拱结构跨度22m，矢高6m，单跨结构，倒塌的原因是半跨雪荷载引起局部失稳，同时支座水平位移更加重了半跨荷载的局部失稳。

3）风雪中第三轮倒塌的是农贸市场（大棚），农贸市场多采用轻型钢屋盖，为无外墙的开敞式建筑。

钢屋盖一般采用轻型钢屋架加檩条和网架结构。

网架结构由于自身的双向空间作用，刚度好，并有赘余杆件，此次雪灾中极少发生破坏。

轻型钢屋架一般采用三铰拱式或梭形钢屋架，由角钢或钢管组合而成，部分小跨由角钢和钢筋组合而成。

这类屋架在雪荷载超载的情况下，上弦压杆很容易失稳，加上屋盖大部分无支撑系统，钢柱截面设置较小且无外围护墙、无柱间支撑，不能保证其结构的空间稳定性。

某农贸商场，单层三跨轻钢结构，柱网6.6m×（15.0+ 16.0+15.0）m，中跨柱高6.8m，边跨柱顶高5.0m，采用Φ83无缝钢管柱，角钢组合三角形屋架，玻璃钢轻型屋面，未经正规设计及具备施工资质的单位施工，在风雪压力下坠落倒塌。

原因是屋架上弦压杆在超载情况下失稳，同时钢管柱长细比、稳定性均不能满足要求，屋盖无任何支撑体系，不能保证空间稳定性。

某养殖大棚，单层二跨轻钢结构，屋架采用梭形屋架，上下弦采用无缝钢管，腹杆采用细钢管或粗钢筋，采用木檩条，檩条与屋架搁置搭接，屋面无水平支撑系统，屋架与边墙(梁)亦采用简支(搁置)形式。

大雪作用下屋面板与屋面檩
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条变形过大，与屋架发生滑脱，屋架自身无破坏，但在檩条和屋面板的带动下倾斜、翻转倒塌，属屋架平面外整体失稳。

4）刚架结构中单层的单跨、双跨或多跨的双坡门式刚架应用较多。

门式刚架与屋架结构相比，构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间；其次刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供较有利的条件。

威海地区门式刚架在2000年以后应用较多，跨度多为36m 以内，个别工程跨度做到了50m ，高度做到了25m 。

门式刚架檩条一般采用薄壁C 型钢，设计成单跨简支构件，采用12圆钢作为拉条，屋面水平支撑及柱间支撑采用圆钢或角钢，此次雪灾倒塌的门式刚架有一个共同破坏特征，就是檩条首先超载发生失稳，扭转后严重下挠，由此造成钢梁上翼缘失去支撑，使钢梁失稳。

在大荷载情况和檩条的拉扯作用下，钢梁同样发生扭转，向下挠曲，接着对钢柱产生牵引，使钢柱向内倾倒，产生的拉拔力使锚栓破坏，整个刚架连续倒塌，部分柱间支撑设置较强时，倒塌在柱间支撑处停止，如图2所示。

（a）檩条超载失稳、扭转、下挠 （b）檩条倒塌，拉动刚架变形
（c）刚架连续倒塌破坏 （d）刚架平面外失稳、倒塌
图2 门式刚架破坏过程
某单层门刚车间，双跨双坡18m ，柱距6m ，柱顶标高6.4m ，檩条采用薄壁C 型钢C160×60×2.5，单跨简支，檩条中间设置一道12圆钢拉条，屋面板采用单层压型钢板加玻璃丝棉保温层，保温层下设铝箔防潮层，倒塌破坏特征为：双跨双坡中间积雪过厚，檩条变形过大，加重了每跨的积雪深度，檩条间拉条断裂，檩条节点螺栓破坏，檩条平面外失稳倒塌，巨大的荷载拉动主刚架平面处失稳破坏，连续倒塌。

某木业厂房，主厂房中跨度50m ，柱距9.0m ，柱顶标高10m ，檩条采用H 型钢，纵向右侧设有附属用房，二跨25m ，柱距6.0m ，柱顶标高6.0m ，檩条采用薄壁C 型钢C180×70×2.0，单跨简支，檩条中间设置一道12圆钢拉条，屋面板采用双层保温压型钢板，雪灾时高低屋面相交处，低屋面积雪过厚，两榀刚架倒塌。

破坏原因：檩条及刚架设计时未考
虑雪载分布系数，高低屋面时，低屋面处雪载分布系数μr =2.0的影响。

某单层门刚车间，双跨双坡21m ，柱距6m ，柱顶标高5.9m ，檩条采用薄壁C 型钢C160×60×2.5，单跨简支，檩条中间设置一道12圆钢拉条，屋面板采用单层压型钢板加玻璃丝棉保温层，保温层下设铝箔防潮层。

大雪过后主刚架破坏严重，但未倒塌，变形过大无法使用。

破坏原因：由于檩条设置较强，当雪荷载超载时，檩条未破坏，但主刚架中间连续跨支座处下翼缘受压局部失稳，如图3所示。

图3 某门刚车间破坏照片
3 处理对策
雪灾后市建委组织对350多个钢结构工程进行检查后发现，有53个工程出现倒塌和受损情况。

为加强对轻型房屋钢结构工程建设的管理，市建委结合此次暴风雪的具体情况，出台了《轻型房屋钢结构工程建设管理规定》威建发[2006]4号。

对轻型房屋钢结构工程的基本建设程序资质管理、承发包管理、设计管理和质量安全管理等方面做出明确规定。

同时根据2005年12月份暴风雪的雪荷载实际情况，将50年一遇的基本雪压原设计标准由45kg/m 2暂提高至50kg/m 2。

轻钢结构工程设计限制使用拱型波纹钢屋盖结构，商场、学校、集市等人流集中场所的房屋建筑中禁止使用拱型波纹钢屋盖结构。

并规定，设计刚架、屋架、檩条和墙梁时，应考虑由于风吸力作用引起构件内力变化的不利影响以及雪载分布系数的不利影响；柱间支撑禁止采用圆钢，应采用型钢制作，推荐采用连续檩条体系。

4 结语
在暴风雪等超极限状态下，轻型钢结构显得十分脆弱，这源于其在体系上的超静定次数太少，构件比较细长，截面相对较小，组成构件的板件宽而薄，因而在超荷载作用下很容易失稳。

回顾雪灾造成的钢结构事故，加强屋面板、檩条、拉条、水平支撑、垂直支撑的设计，是防止轻钢结构整体失稳倒塌的有效办法。

设计工业厂房方案时，不应过分追求立面效果而盲目加大女儿墙高度或采用双坡、多坡屋面，造成雪灾时无法清扫积雪而倒塌。

参考文献
[1] 雷宏刚. 钢结构事故分析与处理[M].北京：中国建材工业出版社. [2] 汪一骏. 轻型钢结构设计指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社.
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