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建构筑物风荷载在减灾、防灾方面的研究、设计与施工现状及对策 曾志攀（2005.1.11成文）(福建省建筑设计研究院 350001) 摘要：在福建风灾是最主要的自然灾害之一，每年都带来了巨大的经济损失和人员伤亡，在建筑物上如何避免风灾破坏，减灾防灾，。本文介绍土木学科风工程的研究现状及主要内容，目前我省部分建构筑物的抗风设计与施工现状，提出了一些对策及急需解决的问题，希望工程界及管理部门共同来防范风灾，减少损失。风灾是自然灾害的主要灾种之一。据媒体报道，2004年 北美的“珍妮”、“查理”和“伊万”等飓风造成2000多人死亡，直接经济损失约500亿USD。2004年“云娜”台风也造成我国浙江省175多人死亡，直接经济损失200多亿。2003年6月23日“飞燕”台风造成福建省宁德市房屋倒塌6100间，损坏32.14万间。我国是世界上遭受热带风暴（台风）影响最多、最广、灾害最严重的国家之一。影响我国的热带风暴平均每年约有20次左右，其中登陆的约占40%，是日本的2倍、美国的4倍。据统计，我国平均每年受热带风暴（台风）的影响，平均每年损失达30多亿元。随着经济的发展和科学技术的进步，近二十年中国内外建造了大量的重大工程建筑结构。仅在福州、厦门两地，已建和拟建的百米高层建筑多达几十栋。此外，还建造大量的大跨空间结构，省市的体育场、馆，会展中心等。强风作用下重大建筑结构的风荷载和动力响应是结构安全性和使用性设计的控制荷载。土木结构风工程学科是一门综合气象学、空气动力学和气动弹性力学、建筑结构力学、振动工程学、实验力学等多学科的新兴交叉学科。其特点是工程应用背景强，理论研究难度大。重大土木工程结构在强风作用的风荷载和动力响应是结构抗风性能的核心内容。尽管如此，由于现代结构风工程研究仅有40多年历史，加之这一研究涉及多门学科，理论和应用问题都非常复杂，我们还面临着很多有待深入研究的课题。目前，我们对一些大型复杂结构的灾害作用机理和抗灾性能尚没有完全清楚，更没有建立起有效方法；很多主要问题或相应的成果尚没有在规范中体现。我们除了需要解决这些尚未解决的基础性问题以外，还要面临很多新的挑战性问题。随着结构的高度更高、跨度更大、更轻更柔，结构的强风荷载动力响应出现了很多新的理论问题，实际工程应用也面临更大的困难。在大型结构的风灾机理和抗风灾性能研究方面，如能取得新的进展，大型复杂结构的设计将更科学、合理。目前，土木结构风工程的主要研究内容包括：近地风特性、建筑钝体空气动力学和气动弹性力学、大型结构和低矮建筑结构风荷载和响应特性、建筑结构在强风作用下的破坏机理、建筑结构在强风作用下响应的控制方法、建筑结构在强风作用下的结构设计方法。主要涉及的工程对象为：大跨桥梁、大跨空间结构、高层超高层建筑、高耸结构（电视塔、输电线塔等）、大型工业结构（大型工程吊车、港口集装箱起重机、门座起重机、大型工程的施工机械等）、低矮民居。研究的主要方法包括：现场实测、风洞试验、理论分析和数值模拟。以大跨桥梁、高层建筑、输电线塔等高耸结构和大跨空间建筑结构（特别是薄膜结构）为对象，力求在基础研究的层面上重点研究重大工程结构的风荷载作用机理。研究获得模型表面大量测点同步压力测量的方法；研究其荷载分布特征和理论描述；研究风荷载作用和结构响应机理；研究复杂结构风振动力响应的高效计算方法；研究结构抗风性能；研究复杂结构的抗风设计方法（主要包括等效静力风荷载的计算方法）；研究结构风荷载和响应的干扰效应及抗风设计方法；研究膜结构的气动弹性效应及风致响应研究方法；研究工程实用和规范方法。目前国家规范中关于围护结构的抗风设计方法不够科学（主要是“阵风系数”的定义及计算不够科学，规范中给出的结果偏危险）。应深入研究围护结构风压分布的特征和规律，高校及研究机构应力争给出针对代表性建筑的围护结构风压设计公式，更科学地进行结构抗风设计。强风和地震一样，目前人类尚无能力将之消除，结合认识的程度及现在各种结构的设计施工现状，剖析问题，拟定对策。玻璃幕墙、屋面广告牌和支架现代城市高层建筑群崛起，风对之有影响，而高楼对风也有影响，人们切身感受到的便是高层建筑群产生的“小区风”和“高楼风”，就是风的“群楼效应”。另一个情况是，几乎没有什么高层建筑不被广告牌光顾，这些非建筑物本身设施的商业性附加物，往往会因其牢固性不强而成为风灾发生时的第一杀手。所以，广告牌、灯塔、路灯杆的风载设计不可等闲视之，需要厂家和企业家为之进行新的设计和改造；由专业的设计单位进行设计，由专业的钢结构厂家进行加工安装。随处可见的高层玻璃幕墙大厦、屋面广告牌，为风灾增添了新的隐患。目前高层建筑虽然有防风设计，但玻璃幕墙、及其上附加的大型广告牌和悬空支架等附属的结构成为人们普遍担心的问题。首先，广告牌和悬空支架等经常是大楼完工验收后才考虑增加的，往往未经过正规的设计，更非专业施工企业施工，业主无意或有意规避政府部门监管，没有委托有资质设计施工单位设计施工，经常安全度不足，台风来时所以容易破坏，在我省路面及建筑物顶上广告牌倒塌时有发生，应进一步加强管理及监督。其次，是玻璃幕墙的问题，这又有所不同。幕墙，政府部门监管到位，都是专业设计、施工及监理，一段时间内，问题不大，但长期下来，有个非常严重的问题，因为粘结其所用的硅酮胶的有效期一般为20年，一旦老化就会变得“弱不禁风”，玻璃很容易被风吹脱落，危及楼下行人安全。而且，在厦门2001年的一次台风后，我亲见有几座高楼的幕墙有几块玻璃和石材脱落,这可能仅是施工过程中的问题。门式刚架轻型钢结构随着我省经济的进一步发展,每年新开工的厂房数量与面积都非常大,而现在由于采用的钢结构厂房,经济、环保、快速、钢结构可重复利用、土地资源也可持续利用，全国范围的厂房都优先采用钢结构，我省也是如此。厂房钢结构的抗风设计与施工现状是这样的，目前钢结构厂房设计市场乱，有许多设计院结构工程师对钢结构不了解，即使有设计，经常理解比较浅，停留在会使用或准确地说是操作钢结构程序的层面上。我省是强台风地区，轻钢厂房屋面是轻质钢板，风载经常是设计的控制荷载。设计中对风荷载的取值，有不同认识，如有偏颇的认识其中包含许多危险，应引起政府管理部门注意。根据建筑结构荷载规范GB 50009-2001的规定：计算主要承重结构时：公式 Wk=zszW0 式中，Wk风荷载标准值 kPa(kN/)z高度z处的风振系数 s 体型系数 z 高度系数：可查表7.2.1规定，也可自行计算。 W0基本风压 kPa(kN/)计算围护结构时：公式 Wk=zszW0 式中，Wk风荷载标准值 kPa(kN/) gz高度z处的阵风系数s 体型系数 z 高度系数：可查表7.2.1规定，也可自行计算。 W0基本风压 kPa(kN/)根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：98的附录A中的规定：建筑物表面的风荷载按下列公式计算公式 Wk=szW0 式中，Wk风荷载标准值 kPa(kN/) s 体型系数，考虑到内外风压最大值的组合，且含阵风系数。 z 高度系数：可查GB500092001表7.2.1规定，也可自行计算。 W0基本风压 kPa(kN/)在这里可以看到两个规程的表达式不一样， GB 50009-2001 在我国已经沿用了50年了，在刚架的计算上应该有可保证的安全度，但是存在风振系数z计算困难的问题，即使我们能算出结构的自振周期，也算不出门式刚架第一振型为竖向振型的风振系数来，这主要由于现行规范GB 50009-2001的风振系数的定义及计算不够科学，提供的计算方法主要针对多高层的竖向“葫芦串”模型的，所以用规范提供的方法不能适用于计算门刚的风振系数，一般的设计从未见有人计算门刚的风振系数并用于设计，所以这里有概念的问题，实际经验可以不考虑门刚的风振系数z，不代表没有这个z，而且这里存在着一个不安全因素在内。实际门式刚架的第一振型一般为竖向振型而且周期值t1，都远大于0.25秒，肯定有风振的作用。而门刚规程CECS102：98的风载体形系数，系根据美国金属房屋制造商协会MBMA低矮房屋体系手册（1996）中有关小坡度房屋的规定，分别给出房屋端区和中间区的不同风荷载体型系数s。它是根据风洞试验得出的，是专门针对门刚这一类低层钢结构房屋，内容详尽，在世界多个国家使用。应该作为我们的风荷载设计时的标准，它为刚架的承重结构和各种围护结构构件，房屋的不同位置不同区域系统详尽的规定了风荷载体型系数s。关键还在于门刚规程CECS102：98的这个s 体型系数，考虑到内外风压最大值的组合，且含阵风系数。其风荷载标准值的计算公式简单，仅包含s 体型系数，z 高度系数和W0基本风压。避免了计算工程师无法完成的风振系数z的计算，使用起来简单适用，而且没有概念上的歧义。檩条需要特别指出的是，檩条、屋面板等围护结构的设计风载也应采用门刚规程CECS102：98规定的s 体型系数；若采用荷载规范GB 50009-2001的系数，则一定要乘阵风系数gz高度z处的阵风系数，这在规范的7.5节里明确规定，可查表或按附录的公式自已计算。在这儿可没有什么经验可以不考虑这个系数的，而且使用时查表也简单。忘了这个系数，檩条就危险了。檩条是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在冷弯薄壁型钢构件技术规范GB500182002中5 .6节有详尽的阐述的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。所以，做钢结构设计，光靠软件不行，还要能判断，必须具备完整的钢结构稳定理论基础。软件未考虑的，自己要考虑，规范GB500182002中的4.1.8条规定：结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算。”另外，在我省沿海地区，为强台风区，基本风压都大于0.7kN/，檩条在风吸力作用下，会出现下翼缘受压失稳，设计时应全面考虑。建议在布置檩条的拉条时，应考虑下翼缘的侧向支撑，推荐采用小C型钢作为刚性支撑，则可以保证上下翼缘的侧向支撑和侧向稳定。彩钢板屋盖屋面板方面，采用暗扣安装形式的屋盖必须注意其使用的条件限制，不可随意使用。今年14号台风云娜在浙江台州引起的全市工业企业厂房倒塌272.2万平方米，厂房破损756.2万平方米。几乎所有的简易厂棚和临时厂房被台风刮倒。其中采用暗扣安装形式的屋盖，破坏怠尽，沿海一带风力较大地区的暗扣式几乎无一幸免。暗扣式钢板屋盖虽然防水性能较好，没有螺钉孔，温差变化时还可自由伸缩变形，没有漏水隐患，但抗风能力相对较差。在使用暗扣式钢板屋盖时，头脑要清醒，一般的钢板是不适合用作暗扣式钢板屋盖的，Q345不行，Q235更不行，要用则必须经过精确计算和试验才可以。BHP的G550的板材才可以用作暗扣式钢板屋盖，其压出的卡口才具有足够的刚度，在风吸力作用下，不至于脱出，澳大利亚BHP屋面板有完整的配件体系，并经过实验室严格测试，成熟后才推向市场的。国内厂家对其进行仿造，学其防水好的优点，但材料不同、产品未经论证成熟即进入市场，一般结构工程师也无法了解，以为厂家更专业，其实80的厂家在这上面并不专业。浙江的钢结构比我省发展要好得多，但也要出现这样的外行的做法。故建议在当前国产暗扣式钢板屋盖设计施工安装技术尚不成熟的情况下，应尽量避免采用国产暗扣式钢板屋盖，宜采用螺钉式或卷边咬合式钢板屋盖。如要采用暗扣式钢板屋盖，必须要有可靠的设计施工安装技术和成熟的施工工艺，或采用国外象BHP公司全套的暗扣式钢板屋盖系统，即使这样仍然建议：在暗扣式钢板屋盖的屋脊及檐口部位打上抗风螺钉进行防台风加固。 高层建筑对风荷载作用的研究现状，前文已有论述，而且现有的规范规定已能满足一般的设计要求，对超高层，高层楼群的风载群体效应，现有的规范也有相应的规定，该进行风洞试验测试风压体型系数的，也有相应详细的规定，而且高层建筑一般由设计院正规设计不致在强风下出现什么灾难。大跨度空间结构和长悬臂悬挑结构对大跨度空间结构和长悬臂悬挑结构的风荷载的研究现状，前文也已有论述，在目前的设计应用中，同样在风荷载的取值上也存在认识的不足。与门式刚架轻型钢结构有些类似，大跨度、长悬臂结构的自振的振型是竖向振动模态，而且从现有的研究结论看，其动力特性通常具有频率密集性，而且高阶振型模态对风振的贡献不可忽略，并且各振型之间还存在风振动力响应的耦合，其耦合项影响也不可忽视。目前高校、研究机构对这类结构的风振响应主要采用直接基于随机振动理论的时域法、频域法，但这类方法，绝大部分的结构工程师无法掌握，应用就更困难了。所以我说，目前国家规范中关于结构的抗风设计方法不够科学的，主要指风振系数的计算方法不够科学，现行规范GB 50009-2001的风振系数的定义及计算基本上是针对多、高层结构和高耸结构，仅考虑结构的第一阶振型，与大跨度、长悬臂结构是完全不同的。这类结构的风荷载设计取值是比较困难的，对周边封闭的四边支撑的平板网架结构，按以往的经验可以不考虑风振系数z，但必须明确这仅是经验，不考虑不等于没有风振响应。但对于其他的各种形式特别体型高大、外形复杂的空间结构，其风振的影响必须考虑。但要怎么考虑它，却依然困难。上面讨论了这类结构的风荷载设计值的风振系数项，规范表达式中，还有基本风压w0及高度系数z项，这两项是确定的，设计时均好计算；还有一项s 体型系数，对大跨度空间结构和长悬臂悬挑结构往往体型复杂，超过的荷载规范表7.3.1中规定项的范围。没有条件进行风洞试验的，中小型的建筑就得凭经验结合规范来确定体型系数，但对于超过60米的大跨度、超过100米的超大跨度、造型复杂的空间结构，或者换个说法，大型的大跨度公共建筑如：体育场挑蓬、体育馆、游泳馆、会展中心等等，建议进行风洞试验，测试结构的风压体型系数。这方面我做过三个风洞试验，分别是福建省跳水游泳馆，福建省体育馆，莆田市体育中心田径场的挑蓬，这三个工程都已经建成并投入使用；在我省还有一个工程：漳州市体育场挑蓬，也做了风洞试验，但此工程尚未建成。风洞试验也有不同的水准，我们一般由于投资的关系，而且项目非国家重点工程且不带普遍指导性，试验所用的模型都采用了“刚性模型”，试验结果就给出了建筑物表面各测点的风压系数值，可换算为s 体型系数，风振系数z一般还得经过有限元的振动分析，采用前文提到的时域法、频域法进行分析计算后，给出。若高标准采用“气动弹性模型”进行试验的话，可以直接给出含风振效应的体型系数，可直接计算出表面风载设计值，这种模型一般用于航空、航天器的试验，试验费当然也会翻几番了。所以我们设计时采用了建筑物表面的体型系数及经过数值分析给出的大致平均的风振系数，算出设计的风荷载。根据我们积累的经验，也结合杂志上人家发表的关于空间结构风振方面的文章，对中小型的空间结构，风振系数可以采用荷载规范中计算围护结构的阵风系数替代，用于指导设计，应能满足结构的安全度要求。这样的话，风振系数计算的难题就很方便的得以解决了，当然这样处理不具备严格的物理概念和什么理论推导。对大型的大跨度、长悬臂结构的屋盖和檩条系统问题与门式刚架结构是同样的。这里有概念的问题，实际经验可以不考虑门刚、小于60米的大跨度、悬臂结构的风振系数z，不代表没有这个z，而且这里存在着一个不安全因素在内。实际门式刚架、第一振型为竖向振型而且周期值t1都远大于0.25秒，肯定有风振的作用。大跨度膜结构大跨空间薄膜结构，风荷载和响应的干扰效应及抗风设计方法等尚处在研究阶段，而膜结构的规程尚在编写之中。薄膜结构具有明显的非线性特性，显然线性结构的随机风振分析方法已不再适用。必须采用非线性随机振动分析方法，这就更加困难了。单就膜结构的静力分析中，就既有几何非线性又有材料非线性，先要找形分析，再进行荷载分析，最后加工成型还需要几何裁剪分析。一般是采用国外的软件进行分析的。目前我省的几个膜结构工程，虽已施工，但都是由专业的膜结构厂家提供的设计，他们采用国外的成熟的应用软件进行分析，其过程可能不会有问题，但是分析的前提，采用的风荷载，是不是合适呢，肯定是没有经过严密的非线性随机振动分析得到，恐怕经不起严格的推敲，薄膜结构不是我的专长，我也无法作出准确评判。但薄膜结构跨度大的，或者象体育场的大挑蓬在应用时，总应该慎重认真对待为好，厂家专业技术水准参差不齐，都交给他们，隐患很大。乡村低矮民居事实上，我国风灾造成巨大的人员伤