拱形波纹屋盖风灾倒塌事故分析与防护

拱形波纹钢屋盖结构因造价低廉、施工速度快等优点而广泛应用于仓储类建筑。然而，作为对风荷载敏感的结构体系，拱形屋盖在恶劣气象条件下容易发生倒塌。本文通过对一典型倒塌工程事故的深入分析，阐明了风荷载、风动力作用和设计方法等因素对结构安全性的影响，为同类结构的安全设计提供科学指导。

事故工程简介

工程基本情况

某仓储类大棚结构，四面开敞，无山墙，下部空间用来储藏煤炭。结构为单跨，跨度36m；纵向长度为318m，设有一道伸缩缝；柱顶标高9.0m，拱形波纹钢屋盖结构顶部标高为16.2m，屋盖矢高比为1/5。

材料与构造

结构采用工字形钢柱，波纹屋盖采用上海宝钢生产的TSTE-28彩钢板，钢板厚度为1.5mm，为240机型。波纹屋盖和柱顶天沟的斜板采用自攻螺丝连接。

设计荷载标准

基本风压为0.4kN/m²，地面粗糙度B类，风压高度变化系数按规范取值；基本雪压为0.25kN/m²，抗震设防烈度7度，抗震设防类别为丙类，建筑结构安全性等级为二级。

倒塌过程

该工程建成后一周左右，由于当地出现大风天气，屋面第一次垮塌，倒塌范围为①~⑦轴。事故发生后，在屋盖外围采用钢筋箍进行了加固保护。一个多月后，当地又出现了大风天气，但风力比第一次垮塌时风力小，屋面又开始垮塌，倒塌范围为B~①轴。

倒塌现场的破坏特征分析

主要破坏表现

• ④列柱一侧屋盖基本落地
• ①列柱一侧屋盖在天沟处基本弯折，屋盖悬挂在空中
• 未倒塌部分的屋盖呈现出典型的拱形结构受力变形状态

连接节点破坏

倒塌部分的天沟连接部位钢板均严重变形。每个连接节点处有7个自攻螺丝，在④列大部分彻底脱开的连接节点中：

• 30%~50%的自攻螺丝处钢板扩孔、螺丝拔出
• 50%~70%的自攻螺丝有松动迹象，部分螺丝拉断
• 约25%的自攻螺丝处钢板有被撕裂现象
• 约5%的钢板被彻底撕断

B列连接节点相对破坏程度明显要轻，但也存在节点钢板扩孔、撕裂，自攻螺丝拔出、拉断现象。自攻螺丝处钢板扩孔内排比外排螺栓严重。

风荷载取值分析

拱形屋盖对风荷载的敏感性

拱形波纹钢屋盖结构属于对风荷载比较敏感的结构形式。对于四面开敞的拱形屋面，风荷载作用并不均匀。扣除平均风压力后，屋盖还将受到较大的半跨风压力。

体型系数的取值

根据规范的四面开敞双坡屋面体型系数表，体型系数随柱顶处屋盖切线角度而变化。对本工程屋盖结构：

• 柱顶处屋盖的切线角度为44°，按该值选择可得较大的体型系数值
• 柱顶和屋脊顶所连直线的角度为22°，按该值选择可得较小的体型系数值

设计时应在两者之间取得平衡，采取适当偏安全的取值。

周围建筑物的影响

在紧邻（约1.5m）该结构北侧有一跨度和高度更大的开敞式仓储结构（跨度55m，柱顶标高16.1m）。当地主导风向为北风，北侧结构的存在对南侧拱形波纹钢屋盖结构的风压取值有显著影响，会导致更为不利的半跨风荷载作用。

结构承载力计算分析

传统计算方法

根据足尺试验研究，拱形波纹钢屋盖结构的承载能力由其整体稳定性控制。在全跨均布荷载作用下，结构的承载能力为1.650kN/m²；在半跨均布荷载作用下，结构的承载能力为0.975kN/m²。按照当时的标准，结构能够满足要求。

规程推荐的计算方法

根据规程的设计方法，对结构进行计算步骤包括：

• 对结构所受各种荷载进行组合
• 计算截面各等效弹性常数
• 求解各种设计荷载下各截面的弯矩M1和轴力N1
• 求解各类荷载作用下对应的结构弹性稳定荷载
• 求解各类设计荷载作用下对应的弯矩放大系数β
• 求解各截面一阶轴力N和二阶弯矩M
• 采用承载力公式验算各截面承载力

计算结果

根据选定的风荷载取值，对该屋盖按规程公式计算，结果表明：考虑风荷载后，由于风荷载中扣除平均风后尚有大部分半跨风荷载，由此引起的二阶弯矩显著增大，结构承载力不能满足要求。

倒塌原因分析

风压取值不当

该结构处于黄河狭窄河谷口处空旷地带，基本风压按照毗邻城市取标准值为0.4kN/m²。但根据当地气象部门提供的资料和当地工程师们预测，结构所在建设场地基本风压标准值要大于0.4kN/m²。虽然这一点在规范上没有体现，但具体设计时应予以放大。

风的动力作用

该结构跨度较大（36m超过规程适用的不大于30m范围），为无屋架、无山墙、刚度较小的薄壳拱形屋盖体系。风的动力作用是造成屋盖倒塌的重要原因。对于此类结构应按规范得到的静力荷载乘以1.7的系数来验算风的动力作用。该拱形波纹钢屋盖结构在来风中的脉动风作用下产生振动，又由于无山墙会增加这种振动，最终导致屋盖倒塌。

连接节点的薄弱

节点连接部位没有设置钢压板，屋盖振动过程中节点处屋盖首先变形，螺丝随之松动，进而导致节点处屋盖钢板扩孔或撕裂，螺丝松动或拔出。节点失效后，屋盖开始倒塌，首先倒塌的屋盖连带附近屋盖一起下落，最终导致大面积屋盖倒塌。

结构选址不当

设计者没有充分考虑结构所处部位可能出现的过大风压，也没有很好地考虑结构北侧已建建筑对其不利的影响。

结构应用指导建议

选址的重要性

拱形波纹钢屋盖结构体系为风荷载敏感结构，在应用时要高度注意选址问题。对可能出现的过大风压要充分考虑其作用。在风变化比较剧烈的地区、港口码头等迎风地带，应谨慎采用此类结构。

现场调查与环境影响

设计时应进行详细的现场调查，注意现场周围环境的影响，特别是相邻建筑物对风流的改变作用。不能简单按照规范的基本风压取值，需要根据实际环境情况进行必要的调整和放大。

规程设计方法的可靠性

规程建议的设计方法具有一定的安全度，应用起来较为方便，可以很好地保证拱形波纹钢屋盖结构的安全。在进行该类结构的设计时，应严格按照规程的要求进行。

常见问题解答

为什么拱形屋盖容易在风荷载下倒塌？

拱形屋盖属于轻薄壳结构，自重轻、刚度相对较小，对风荷载非常敏感。特别是四面开敞的拱形屋盖，不仅受到上升的风压，还受到下拉的风吸力，容易产生不对称的半跨荷载，导致结构失稳。

风的动力作用为什么这么重要？

拱形屋盖在脉动风的作用下容易发生共振，特别是无山墙、无内部支撑的结构，缺乏阻尼。规程建议对此类结构的静力风荷载乘以1.7的系数来考虑动力作用，充分体现了这一因素的重要性。

如何防止拱形屋盖在风灾中倒塌？

主要措施包括：合理选址，避免在风口地带建造；充分考虑周围环境对风流的影响；增强节点连接（采用钢压板、高强螺栓等）；在必要时增加内部支撑或山墙以增加结构刚度；跨度较大时应该更加谨慎。

小结

拱形波纹钢屋盖结构的倒塌主要源于风荷载的不当设计、风动力作用的低估以及节点连接的薄弱。这次事故警示我们，拱形屋盖虽然具有自重轻、跨度大的优点，但其对风荷载的敏感性决定了在设计和建造时必须慎重对待。江苏杰达钢结构工程有限公司在承接拱形屋盖工程时，坚持严格的现场勘察、风荷载合理评估、规程方法计算、以及高质量的节点连接施工，以确保工程的安全可靠。

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