海南周华结构设计事务所有限公司（结构设计甲级资质）

Hainan Zhou Hua Structural Design Co. Ltd.

轻钢结构灾损

一、轻钢结构灾损调查情况

　　共调查了大约30个建筑项目，共100个轻钢结构，调查中发现大多数围护结构受到严重损坏，部分承重结构受到损坏，少数轻钢结构基本完好。

二、轻钢结构定义

　　以压型钢板和钢檩条作屋面围护结构，钢梁/桁架/网架作屋面承重结构，跨度一般较大的结构。

　　　　　　图1：轻钢结构

三、轻钢结构组成部位

　　竖向承重结构　　　屋面承重结构　　　屋面围护结构

　　纵墙围护结构　　　山墙围护结构

四、轻钢结构屋面重量

　　压型钢板和保温棉自重大约0.2kN/m²

　　承重结构自重一般不超过0.5kN/m²

五、屋面风吸力标准值

（a）横向风作用　  　　　　　　　  　  　  　  　  　  　  （b）纵向风作用

　　围护结构：W_k=ß_gzμ_s1μ_zW_o

                            =1.0*2.0*1.0*1.0= 2.0 kPa

　　承重结构：W_k=ß_zμ_sμ_zW_o

                           =1.2*0.6*1.0*1.0= 0.72 kPa

　　在强台风和超强台风袭击时，屋面风吸力标准值明显超过屋面自重标准值，屋面围护结构和承重结构受到上拔力的作用。

六、轻钢结构的受力特点

　　在平时受拉的构件/翼缘，在台风中受压屋面构件之间的连接平时受压，在台风中受拉。

七、灾损等级划分

Ⅰ级—严重损坏，指多数构件倒塌或无法修复，需要重建；

Ⅱ级—中度损坏，指多数构件需要修复且可以修复，方可继续使用；

Ⅲ级—轻度损坏，指构件稍加修复或不经修复，可继续使用。

八、案例分析

(一）　第一组项目

1、养虾场A轻钢结构：位于翁田镇海边，由一家质检机构设计并于2011年建成。

车间一

　　屋面围护：压型钢板和钢檩条

　　屋面承重：平面拱桁架

　　竖向承重：独立混凝土柱

　　横向宽度：52.5m（2*26.25m）

　　纵向长度：82.5m（15*5.5m）

  图2 　养虾场A轻钢结构车间一现场照片

图3  养虾场A轻钢结构车间一结构剖面图

车间一结构的内在缺陷：

 （1） 混凝土柱截面尺寸明显不足；

 （2） 混凝土柱纵筋和箍筋明显不够；

 （3） 屋面拱桁架布置不合理；

 （4） 屋面拱桁架上、下弦杆强度不足；

（5） 未布置隅撑约束拱桁架下弦杆面外侧移；

（6） 围护构件及其连接的强度不足；

（7） 门窗损坏加大了屋面风吸力。

车间二：

　　屋面结构与车间一类似

　　竖向承重：砌体和混凝土构造柱

　　横向跨度：16m

              图4 养虾场A轻钢结构车间二现场图      

车间二结构缺陷：

 （1） 屋面拱桁架支座抗拉强度不足

 （2） 山墙桁架面外强度和刚度不足

车间二纵墙基本完好的主要原因：

　　纵向两侧均有建筑，不受水平风荷载

车间三：

　　屋面结构与车间一、二类似

　　竖向承重：混凝土柱

　　横向跨度：11m

图5 养虾场A轻钢结构车间三现场图

车间三基本完好，未经修复就可继续使用

主要原因：

 （1） 跨度小

 （2） 一侧有建筑，不受水平风荷载

 （3） 门窗未坏，屋面风吸力小

2、养虾场B轻钢结构：位于海边，于2006年和2013年分两次建成

　　屋面围护：压型钢板和钢檩条

　　屋面承重：三角形钢屋架、钢梁

　　竖向承重：混凝土柱

车间一：

 2006年建成

　横向跨度：14m

图6 养虾场B轻钢结构车间一现场图

结构主要缺陷：

 （1） 屋面构件严重锈蚀；

 （2） 屋架支座抗拉强度不足；

 （3） 砌体山墙面外强度不足

车间二：

 2013年建成

　横向跨度：16m

图7 养虾场B轻钢结构车间二现场图

结构灾损形式：

　　屋面采光瓦损坏

　　屋面钢梁支座轻度受损

3、养虾场C轻钢结构：2009年建成

由独立混凝土柱支承的轻钢结构

图8 养虾场C轻钢结构独立混凝土柱支承轻钢车间现场图

结构灾损形式：

　　屋面承重桁架支座受拉破坏；

　　混凝土柱水平刚度不足。

　　由砌体纵墙支承的轻钢车间

　　横向跨度：14m

图9 养虾场C轻钢结构砌体纵墙支承轻钢车间现场图

结构灾损形式：

 （1） 屋面围护结构损坏严重

 （2） 屋面承重桁架面外侧移失稳

 （3） 迎风侧山墙面外强度不够

拱桁架跨中的两个钢柱分担了屋面的大部分风吸力，是拱桁架支座未受破坏的主要原因。

4、养虾场D轻钢结构灾损情况

　　屋面采用拱形压型钢板

　　围护和承重合二为一

　　竖向承重为混凝土柱和砌体纵墙

图10 养虾场D轻钢结构现场图

结构灾损形式和原因：

　　压型钢板拱支座受拉破坏

5、养虾场E轻钢结构

　　横向跨度：12 m

　　屋面围护：压型钢板和钢檩条

　　屋面承重：钢梁

　　竖向承重：砌体构造柱

图11 养虾场E轻钢结构现场图

灾损原因：

 （1）墙厚不足，纵墙和山墙严重损坏

 （2）屋面梁支座受拉破坏

6、蔬菜冷冻库A轻钢结构：位于翁田镇城区附近，2014年4月建成，尚未使用就被“威马逊”台风摧毁。

图12 蔬菜冷冻库A轻钢结构现场图

结构体系存在严重缺陷，纵向和横向均未形成梁柱刚接的框架体系，结构不具备抵抗超强台风所需要的水平刚度和承载力。

图13 蔬菜冷冻库A轻钢结构示意图

7、蔬菜冷冻库B轻钢结构：位于文昌市抱罗镇

车间一：

 2011年建成

　横向跨度：2x16m

　竖向承重构件：独立混凝土

图14 蔬菜冷冻库B轻钢结构车间一现场图

结构主要缺陷：

 （1） 柱水平刚度和承载力不足

 （2） 钢屋架布置不合理，不成为桁架

 （3） 未考虑开敞跨屋面风吸力

图15 蔬菜冷冻库B轻钢结构车间一风力示意图

车间二：

   2012年建成

　　横向跨度：3 x 12 m

　　屋面承重：三角形钢屋架

　　竖向承重：H型钢柱

图16 蔬菜冷冻库B轻钢结构车间二现场图

结构灾损形式：

 （1） 山墙压型钢板和墙梁严重损坏

 （2） 屋面压型钢板严重损坏

结构灾损原因：

 （1） 山墙抗风柱和墙梁方向放错

 （2） 大门损坏使山墙和屋面风荷载增大

（二） 第二组项目

1、养虾场F轻钢结构：位于翁田镇海边

　　跨度：14 m

　　屋面围护：压型钢板和钢檩条

　　屋面承重：三角形钢屋架

　　竖向承重：砌体纵墙和构造柱

图17 鱼虾养殖场灾损照片

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图18 养虾场F轻钢结构现场图

结构灾损形式：

　　屋面围护结构严重损坏；

　　承重结构基本完好；

　　砌体纵墙和山墙基本完好。

该养虾场在“威马逊”台风后，迅速修复屋面，于2014年7月30日恢复生产。

2、养虾场G轻钢结构：位于翁田镇海边

　于“威马逊”台风之前，结构形式与养虾场F相同

　跨度：12m

图19 养虾场G轻钢结构现场图

结构灾损形式：

 （1）屋面围护结构局部损坏；

 （2）屋面采光瓦全部损坏。

养虾场G在翁田镇海边养虾场中，轻钢结构灾损程度最轻。

3、玻璃砂场A轻钢结构：位于翁田镇

　　三跨门式刚架结构，屋面和墙面围护均为压型钢板和钢檩条

　　横向跨度：3 x 20 m

图20 玻璃砂场A轻钢结构现场图

结构灾损形式：

　　结构体系、布置和连接构造均看不出任何缺陷；

　　承重结构基本完好；

　　屋面围护结构完全损坏；

　　墙面围护结构部分损坏。

4、玻璃砂场B轻钢结构：1997年建成

　　两个门式刚架结构车间

　　结构形式同玻璃砂场A

图21 玻璃砂场B轻钢结构现场图

结构灾损形式：

　　围护结构严重损坏，承重结构基本完好。

5、大学新校区轻钢结构：位于桂林洋高校区，于2011年建成，共6个轻钢结构

（1）学术交流中心钢网架

　　网架平面尺寸：25 x 80 m

　　网格尺寸：大约3 x 3 m

　　屋面檩条：间距3 m

　　在网架下方另有正交的钢桁架，用于支承吊挂荷载

图22 学术交流中心钢网架现场图

结构灾损形式：

　　屋面围护结构完全损坏

　　室内设施完全损坏

　　网架基本完好

（2）其他轻钢结构

图23 其他轻钢结构现场图

结构灾损形式：

　　屋面围护结构局部损坏

　　屋面承重结构均基本完好

另有一轻钢结构屋面围护和承重结构均基本完好，不用修复就可继续使用。

6、演丰镇红树林旅游区轻钢结构

　　竖向承重构件：分叉的钢柱

　　屋面承重：矩形截面钢管

　　屋面围护：木构件

图24 演丰镇红树林旅游区轻钢结构现场图

图25 演丰镇红树林旅游区轻钢结构示意图

结构灾损形式：

　　两栋建筑均完好无损，不需任何修复；

　　水上栈桥完全损坏。

7、海口综合保税区轻钢结构：位于澄迈县老城镇，于2011年建成，共有一栋卡口建筑和两栋相同的门式刚架仓库。

（1）卡口建筑

　　横向跨度：2x28m

　　屋面围护：压型钢板和钢檩条

　　屋面承重：平面钢桁架

　　竖向承重：混凝土框架

图26 海口综合保税区轻钢结构卡口建筑现场图

结构灾损形式：

　　个别装饰线条损坏

　　结构完好无损

（2）查验仓库

　　横向跨度：24m

　　结构形式为门式刚架仓库

图27 海口综合保税区轻钢结构门式刚架仓库现场图

结构灾损形式：

　　两栋仓库均完好无损，不需要修复

九、结果分析

建筑轻钢结构不同部分灾损等级统计结果                             表1

　　　　　　　 说明：1.在项目地址中，W = 文昌市，H = 海口市，C = 澄迈县；2. 各灾损等级定义，见文字部分；3.一个轻钢结构指一个独立的轻钢结构单元

（一）两组项目对比

1、第一组项目：共7个项目，41个轻钢结构，每个项目至少有一个轻钢结构的竖向或屋面承重结构的灾损等级为I级或Ⅱ级；

2、第二组项目：共7个项目，23个轻钢结构，每个项目中所有轻钢结构的竖向承重结构和屋面承重结构的灾损等级均为Ⅲ级。

第一组7个项目均未经过正规设计，轻钢结构的体系、布置或连接构造存在明显缺陷，未经过承载力计算；

第一组7个项目中至少有5个经过正规设计，轻钢结构的体系、布置和连接构造没有明显缺陷，经过承载力计算。

（二）结论

1、由正规设计机构按国家现行规范设计的轻钢结构，其承重结构均安全地经受了“威马逊”超强台风的考验，在台风后基本不需修复就可继续使用。

在第一组7个项目的41个轻钢结构中，38个轻钢结构的屋面围护需要重建或修复；在第二组7个项目的23个轻钢结构中，17个轻钢结构的屋面围护结构需要重建或修复。

2、轻钢结构屋面围护结构的灾损程度远远高于承重结构；经过正规设计的轻钢结构，屋面围护结构的灾损程度明显未经过正规轻钢结构，但仍然比较普遍和严重。

（三）结构灾损的原因：

1、竖向承重结构灾损的普遍原因

主要发生在由独立混凝土柱支承屋面的轻钢结构中，混凝土柱的截面尺寸和配筋不足，是灾损的普遍原因。

2、屋面承重结构灾损的普遍原因

支座抗拔强度不足，导致屋面承重构件被拔出、垮塌；

屋架下弦杆面外侧移未受到约束，导致屋架产生弯扭失稳破坏；

檩条自身破坏或檩条与屋架上弦杆的连接被拉坏，导致屋架上弦杆面外侧移失去约束，加速了屋面承重构件的弯扭失稳破坏。

3、屋面围护结构灾损的普遍原因

压型钢板自身强度不足，受弯破坏；

压型钢板与檩条连接的抗拉强度不够，导致压型钢板被拔起；

檩条因自身强度或稳定性不足而破坏；

檩条与屋面承重构件连接的抗拉强度不足，导致檩条被拔起。

（四）改进轻钢结构抗风性能的建议措施

引入设计审查制度，使沿海台风地区有一定规模的新建轻钢结构，在设计上均能达到国家规范要求的抗风标准；围护结构风荷载按《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》的规定执行，且在设计上尽可能偏安全和保守，以考虑在台风中的不可遇见因素；

具体设计措施：

1、为增大压型钢板与檩条连接的抗拉强度，可增大螺钉直径，增加螺钉数量，并在压型钢板和螺钉钉头之间使用钢垫片；

2、为增强檩条的弯扭稳定性，可在檩条跨度的中点（跨度小于6m时）或三分点（跨度大于6m）处设置上、下两层拉条，分别约束檩条上、下翼缘的面外侧移。若布置一层拉条，则用于约束檩条下翼缘的面外侧移，因上翼缘的面外侧移可由压型钢板约束；

3、当采用桁架式檩条时，桁架杆件均不应采用柔性受拉构件；

4、檩条与屋面承重构件的连接除采用合理的构造外，还应作抗拉强度验算；

5、通过设置隅撑或下弦平面内的横向水平支撑，约束屋面承重构件下翼缘或下弦杆的面外侧移；

6、屋面承重构件与竖向承重构件的连接，除采用合理的构造外，还应验算抗拉强度；

7、当采用混凝土柱作竖向承重构件时，可布置纵向砌墙或柱间支撑，提高混凝土柱的水平刚度和水平承载力。

（五）轻钢结构灾损总结

轻钢结构在“威马逊”超强台风中普遍受到损坏；按照国家相关规范进行设计的轻钢结构，其承重结构均安全地经受了“威马逊”超强台风的考验，不需修复就可继续使用；在“威马逊”台风中受损的轻钢结构的承重结构，均是由于未经过正规设计，结构体系、布置和构造存在明显缺陷而引起的；轻钢围护结构在“威马逊”台风中的灾损，比承重结构的灾损更普遍和严重，技术上有需要进一步研究的问题。