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1、盐城龙卷风作用下某厂区轻钢结构损伤调查分析刘艳琴1，李华1，赵增山2，王文博2（1 盐城市房屋安全鉴定中心，盐城，224005；2 南京工大建设工程技术有限公司，南京，210008；）摘 要 轻钢结构在盐城龙卷风作用下受到严重损坏。针对阜宁县某厂区的轻钢围护结构进行灾后损伤统计,通过比较和分析，发现不同建筑区域的受损情况的分布规律。结合国内外关于龙卷风的研究成果，对结构受损原因进行详细分析，结果表明，龙卷风对轻钢结构的损伤主要体现在高风速、极低压和携碎物等方面。针对损伤分析结果提出了相应的轻钢结构加固或预防措施。关键词 龙卷风；轻钢结构；结构检测4 / 4文档可自由编辑打印0 概述2016年6
2、月23日下午14点30分左右，江苏省盐城市阜宁县遭遇的强冰雹和龙卷风双重灾害。专家组判定等级为EF4级，属猛烈龙卷，典型的破坏特征为：坚固房屋被夷为平地；基础不牢的建筑物被刮走，汽车被抛向空中，空中大的物件横飞等，龙卷风等级分类见表1。我国大部分城市都有龙卷风踪迹，其中东部沿海地区最多。据统计:1960-1996年江苏省各行政区域共发生龙卷风灾908次，位列全国第一，其中风速在70.4m/s以上的风灾共10次，风速在50.4m/s以上的龙卷风灾246次。江苏盐城地区平均每年4.3个龙卷风天气1。轻钢结构由于其质量轻、刚度小等特点，在风荷载作用下容易造成损伤。本次龙卷风灾害中，阜宁县风电装备产业
3、园某厂区损失严重，最主要原因就是轻钢结构在龙卷风作用下损毁严重，导致结构整体失效，内部人员设备损伤。文献中关于龙卷风引起的轻钢结构灾害损伤资料并不多见。本文基于对阜宁某钢结构厂区灾后损伤调查，对龙卷风造成的轻钢结构围护构件损伤提供比较系统、完整的资料，并提出了轻钢结构抵抗龙卷风灾的加固建议。表1 龙卷风分类等级估计风速（km/h）发生频率EF0105-13753.5%EF1138-17531.6%EF2179-21810.7%EF3219-2663.4%EF4267-3220.7%EF53220.1%1 厂区建筑物分部位于阜宁县风电装备产业园的某厂区建筑物主要由两栋单层排架结构轻钢屋面厂房及一
4、些存放危化品的单层混凝土框架结构构成，厂区建筑物概况见表2。龙卷风由西向东掠过厂区，根据现场破坏情况，估计龙卷风的破坏直径大约为300400m，该厂区恰好处于龙卷风路径上，因此整个厂区破坏极其严重。厂区建筑物布置情况见图1，图中箭头所示方向为龙卷风大致行进方向。图1 厂区建筑物分部情况及龙卷风行进路径表2 厂区建筑物建筑名称结构体系101#201#单层排架结构建筑物变截面H型钢梁薄壁型钢屋面檩条、墙面檩条彩钢瓦保温棉屋面、墙面102#单层钢筋框架结构建筑物现浇钢筋混凝土屋盖106#单层轻钢结构建筑物H型钢梁、钢柱薄壁型钢屋面檩条、墙面檩条彩钢瓦屋面、墙面2 厂区灾后损伤检查情况在本次龙卷风灾害
5、中，厂区的轻钢结构损毁严重，因此对厂区轻钢围护结构进行了全面细致的损伤调查。由于龙卷风的风场较为复杂，为了能更精确的统计龙卷风带来的损伤，本文借鉴文献2中的做法，并结合现场调查情况，将厂房按照龙卷风行进方向的迎风面、背风面、屋面、侧面分为四个面，由于101#、201#两个厂房纵向尺度较大，将其纵向延垂直于龙卷风行进方向分为左右两个部分，共8个区域如图2所示。106#轻钢结构厂房损毁最为严重，整体倾覆，钢梁、钢柱均严重变形，故未分区统计。图2 屋面和墙面分区示意图由于灾害过后现场一片狼藉，檩条、彩钢板、工业设备及其他龙卷风携碎物，遍布厂区，现场还有大型机械设备作业，给调查工作带来了较大不便，很多
6、检测仪器无法使用，因此主要对厂房的檩条、拉条、墙（屋）面板等轻钢围护进行损伤调查。损伤调查按轴网中的方格一个一个详细查询，例如22AB轴外墙面板缺失，7根墙檩变形，4根拉条拉断；2122JK轴屋面板缺失，8根檩条变形，4根拉条拉断。然后将统计数据按区域加权平均，得到表3围护结构损伤统计。由于损伤调查工作量较大，且无法使用检测仪器，表中檩条损伤形式为严重扭曲变形，拉条损伤形式为拉开或明显弯曲，未统计檩条翼缘屈曲、拉条小幅变形等不明显损伤。墙面板损伤主要为外墙面板损伤，只有少数开间内外墙面板同时损坏；屋面板损伤则是连同双层彩钢板，保温岩棉一起掀飞，屋面板与檩条的连接支架也被拉断。另外，由于屋面墙面
7、敞开面积很大，室内多数生产设备报废，但未包含在本次调查范围内。表3 围护结构损伤统计区域檩条拉条墙(屋)面板106#ALL厂房整体倾覆，损伤严重201#L-Front95%2%100%R-Front95%0%100%L-Back51%6%60%R-Back33%7%30%L-Top93%40%100%R-Top*77%24%80%L-Side77%13%80%R-Side24%1%20%101#L-Front28%2%70%R-Front5%0%10%L-Back*91%7%100%R-Back*93%12%100%L-Top94%10%100%R-Top*70%8%80%L-Side92%1
8、3%100%R-Side64%24%60%注：*局部有堆积物无法检查或为了人员设备进场而进行的人为拆除，表中该区域数据为去除上述局部区域后的统计结果由图1建筑物分部和表2中数据可见，在201#、102#、101#组成的建筑区域内，延龙卷风路径方向的四个墙面中201#迎风面损伤最为严重，其次是101#背风面，而201#背风面和101#迎风面则损伤较轻，如表4中照片所示。垂直于龙卷风路径的方向上，厂区左侧墙面明显比右侧墙面损伤严重。屋面损伤也较为严重，而且也是左侧比右侧更严重。综合对比106#、201#、101#建筑损伤，龙卷风破坏力延路径有减小趋势。在表3统计的损伤之外还有101#、201#局部
9、屋面坍塌刚架变形，及少量隅撑、屋面支撑被拉开的情况。201#Front201#Back101#Front101#Back图3 不同区域破坏对比3 龙卷风致轻钢结构破坏机理龙卷风具有水平范围小，持续时间短的特点。龙卷风漩涡直径在低空只有几十米到几百米，高空直径可达几千米，其持续时间一般为几分钟，最长不超过十几分钟。移动速度快，移动轨迹多为直线。龙卷风风速通常在100km/h以上，甚至达到200km/h至300km/h，而陆地上少见的暴风，其风速也只是在103km/h-117km/h。龙卷风对建筑的影响主要体现在三个方面：（1）龙卷风风压对建筑物的破坏。龙卷风由于风速很高，且风场不均匀，当其刮过建
10、筑物时，在建筑物表面产生很强的低压。兰金(Rankine)在1882年提出的复合涡模型是一种比较常见的描述龙卷风流场特性的方式3。龙卷风经过建筑物时，其表面压强可近似表示为： 式1其中,是流体的旋转角速度，是流体密度，a是Rankine涡的涡核半径(即龙卷风中“暴风眼”半径)。可见在龙卷风中心处的压强是最低的。对于低矮房屋，高度对压差的影响不大，其中心最大压强可近似取为： 式2由于101#、102#、201#三栋建筑物之间的间距较小，形成了相对封闭的建筑区域，因此区域内部明显比外部损伤严重，尤其屋面结构受损最为严重。此次623盐城龙卷风为EF4属猛烈龙卷，假设龙卷风切向风速为80m/s，根据现
11、场破坏情况，假设下部漩涡半径160m，则旋转角速度为0.5rad/s，空气密度取1.29kg/m3，由此可估算出屋面最大风吸力为8.27kN/m2，而按照荷载规范（GB50009-2012）4和门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（GB51022-2015）5计算，最大风荷载设计值也仅为1.06kN/m2，可见根据现行规范设计是远远不够抵抗猛烈龙卷风的。（2） 围护结构的薄弱部位破坏，如门窗损坏，引起内压突然增大，导致更大区域破坏，最的龙卷风都属于EF0EF2级，本次盐城龙卷风终引发结构连续破坏。数值模拟结果显示，围护结构破坏对屋面内压的影响比较显著，开洞状态下屋面内压是不开洞时内压的10倍以上6。
12、图4给出了结构破坏顺序的示意图，首先，门窗破损，建筑变为部分封闭结构，内压增大，屋面板连接支座被拉坏，屋面板被掀飞，最后导致檩条屈曲和钢梁下翼缘受压失稳破坏。同时，当建筑物变为部分封闭时，处于建筑物内的人员及设备也将受到损伤。在本次盐城龙卷风作用下，101#、201#建筑由于部分区域屋面板及墙面板缺失，虽然刚架没有坍塌，但其设备夹层均受到了不同程度的损伤。1门窗破损2支架拉坏3屋面掀开4檩条失稳图4 结构破坏顺序（3） 龙卷风飞速旋转的同时，卷积着大量飞射物，对建筑产生猛烈撞击。现场检测发现随处可见墙壁被撞的痕迹，在201#建筑屋顶甚至还有一个从200米外刮来的重达2.5吨的集装箱，在龙卷风的
13、加速下，其动能不亚于一辆时速200km/h的汽车，将可见飞射物的破坏性。图5 龙卷风携碎物4 轻钢结构龙卷风防御建议（1） 提高龙卷风多发区设计风荷载。荷载规范（GB50009-2012）附录E中，盐城地区50年重现期的基本风压为0.45kN/m2，此数值基于当地气象部门的统计数据，主要针对季风，而对于台风、下击暴流、龙卷风等自然灾害并不适用，对于盐城地区这种龙卷风高发地区，在设计时仍采用荷载规范中的基本风压是不安全的。然而，如果想通过提高建筑标准来抵抗EF4级以上的龙卷风成本是很大的。事实上，95%以上的龙卷风属于EF0EF2级，对应风速约为3060m/s7，而且只有龙卷风核心半径处风速，适
14、当提高龙卷风多发地区的设计风荷载，以保证建筑物在大多数龙卷风作用下不会发生严重损伤。（2） 设计成封闭式建筑物。一方面，在强风作用下，建筑物门窗及其他围护结构完整，仅允许最小空气量进入建筑物，能很大程度上减小风荷载对结构的破坏，避免显著性的结构损伤。另一方面，完整的围护结构也能隔离龙卷风和建筑物中的人员及设备。保证结构处于封闭状态，门窗的性能将尤为重要，另外，注意到本次盐城龙卷风作用下，屋面板与檩条连接的支架多被拉坏，导致传力体系缺陷，荷载无法由檩条、钢梁传至基础8。龙卷风破坏性虽然非常大，但其持续时间很短，基于这一特点，需尽可能保证围护结构在龙卷风持续的时间内不发生显著性破坏，可使用更加牢靠
15、并且具有一定延性的防风夹9，允许其在龙卷风作用下发生较大变形，但仍能保证屋面板与檩条连接，并且要提高施工质量，尤其是要确保支架与屋面板间的连接。（3） 采用混凝土框架建筑物。一些重要设备或危化品，应尽量存放在单层混凝土框架建筑物中。另外，一片建筑区域内混凝土框架建筑物也能对区域内的轻钢结构起到保护作用，能够有效的降低风压。5 结论及展望此次623盐城龙卷风属于EF4级猛烈龙卷，即使在有“龙卷风之乡”之称的美国也是少见的。经过对某厂区的轻钢围护结构的损伤调查，处于建筑区域边缘的201#迎风面和101#背风面损伤最为严重，损伤形式以檩条严重变形和墙（屋）面板缺失为主。经过分析，龙卷风带来及极低压和携碎物对建筑物造成直接损伤，或使围护结构损伤，导致建筑物变为半封闭结构，是造成建筑物损伤的主要原因。针对这些损伤原因，提出了包括提高龙卷风多发区设计风荷载
