风荷载对高层建筑外墙外保温系统的破坏作用分析(沈阳振利).doc

沈阳振利节能环保科技股份有限公司
风荷载对高层建筑外墙外保温系统的破坏作用分析
作者 孙侠
高层建筑外墙外保温系统是重要的建筑构造构造之一，它不仅具有建筑围护结构保温隔热和建筑外观装饰等功能，而且在抵御自然界的风、水、冻融、热应力、火灾和地震的破坏作用方面亦应具备很强的功能。从而满足建筑物的设计使用寿命。
当未受干扰的气流吹向高层建筑物时，在建筑物的立面、山墙及屋顶产生压力或吸力。压力与吸力分别指空气压力高于和低于大气压，经过大量的实测实验和数据分析，根据风荷载对建筑物的作用，可将其分解为两部分。一部分是平均风荷载，它对建筑物的作用可近似视为静力，另一部分是风荷载，它的作用是动态的。风荷载不仅对建筑物的结构具有影响，而且对高层建筑外墙外保温系统的具有强大的破坏作用。在全国范围内实施节能减排的今天，越来越多的高层建筑拔地而起，各种保温系统得到广泛的应用，为建筑的节能作出了贡献。然而，当许多不合理的保温系统应用在高层建筑上时，它们给城市的未来及人民的生命安全带来了令人担忧的隐患。
1． 高层建筑外墙外保温系统表面风荷载的数学描述
通常情况下，外墙外保温系统上一点处的极值压力或吸力F可由下式求得：

式中的压力系数为建筑物表面上最大压力或吸力与建筑物附近未扰动气流的设计速度压之比。设计瞬时风速压为，相当于地面上某一代表性基准高度处的风速压，典型基准高度为屋面高度，是基于风速压变量的最大估计，特征平均时间的取值与建筑物实际表面积有关。规范所考虑的典型情况下的平均时间范围为1~10s。
由于空气的湍流和其他原因，作用在一点处的风荷载是脉动的，外墙外保温系统所受的总风荷载与之密切相关。
2． 高层建筑外墙外保温系统的风荷载作用
处于风场中的高层建筑外墙外保温系统在风荷载的作下承受着风引起的静力荷载和动力荷载，总体上可以分为：在建筑物的迎风面产生的正压力（气流流动时产生的阻力）包括静压力和动压力。在横风向产生横风的干扰力（气体流动产生的升力），空气流经建筑物后产生的涡流干扰（包括背风向的吸力），所有这些因素构成了高层建筑物外墙外保温系统在风作用下的总风荷载。风荷载作用在高层建筑物上的力是非均匀的，也是无常的，它随着风的速度、方向、风本身的结构以及建筑物的体积、面积、高度、作用的位置、时间不停地变化。同时，高层建筑物在风荷载作用下产生的运动反过来又会影响风场的分布，在高层建筑比较密集的城市中，这种交互作用的风荷载的解析变得更加复杂。风荷载对高层建筑外墙外保温系统的作用是个非常复杂的过程，一般来说，风荷载对高层建筑外墙外保温系统的作用有如下特点：
（1） 风荷载对外墙外保温系统的作用包含静力部分和动力部分，并且分布具有非均匀性。
（2） 风对外墙外保温系统的作用关于建筑物的几何外型有直接关系，主要指建筑物的体型和截面的几何形状。
（3） 风对外墙外保温系统的作用与建筑物周围的环境有很大关系。
（4） 高层建筑物受风荷载的作用持续时间长，且作用频繁。风荷载对高层建筑外墙外保温系统的作用结果与保温系统的构造密切相关。
3． 高层建筑外墙外保温系统抗风压值的计算
在外墙外保温系统工程技术规程《JGJ144–2004》中,系统抗风压值是按下式计算的：

–系统抗风压值，Kpa
–试样破坏前一级的试验风荷载值，Kpa
–安全系数，应>1.5
–几何因数，=1
–统计修正因数，保温板为粘接固定时的值，其取值为
粘接面积 取值
50≤B≤100 1
10中，如果将Q、C、K值固定的话，则完全取决于保温板的粘接面积，当为完全粘接时，应视为无空腔构造，它的抗风压值应该是最大的。当为50%面积粘接时，它的抗风压值仅为无空腔构造的二分之一，因为这是一个典型的线性公式。然而技术规程《JGJ144–2004》值却是非线性的，明显取值偏大。
我们认为在外墙外保温系统工程技术规程《JGJ144–2004》中，的统计修正因数取值偏大，的取值与粘接面积大致应呈线性关系。即
粘接面积 原取值 应取值
50≤B≤100 1 1
10 0.8 0.1
在实际工程中满足40%粘接面积的很少，个别的包工包料工程中粘接面积仅仅达到10%左右。
4. 高层建筑外墙外保温系统抗风设计要求
根据风荷载对外墙外保温系统的破坏作用分析，系统的抗风设计必须保证外墙外保温系统的构造在使用中不出现破坏等现象主要涉及以下几个方面：
（1） 高层建筑外墙外保温系统抗风构造设计在风荷载和其它荷载的共同作用下应满足强度设计要求。确保高层建筑外墙外保温系统在风荷载的作用下，不会出现开裂和大面积脱落以及由此产生的次生破坏现象。
（2） 高层建筑外墙外保温系统抗风构造设计在满足强度设计的前提下体系和使用的材料应具有变形的能力。这样在应对各种自然力的破坏作用时系统应该是安全的。
（3） 高层建筑外墙外保温系统构造设计应属于风荷载的动力反应敏感结构，
（4） 高层建筑外墙外保温系统构造设计应满足系统的疲劳破坏的要求。风荷载的反复作用引起系统的疲劳破坏是高周疲劳累积损伤的结果，保温系统的驰振和颤振进一步加剧了风荷载的破坏作用。其疲劳寿命由试验和统计分析得到的解析表达式为
NSm=C
S为响应水平
N为在响应水平下外墙外保温系统的疲劳失效的经验次数。
m、 C为经验参数 。
（5）我们通常重视高层建筑结构的风致共振效应，但是高层建筑外墙外保温系统的共振效应却被忽略，因此更应该研究空腔构造的保温系统风致损坏过程。
5. 高层建筑外墙外保温系统内部的风荷载作用
在高层建筑外墙外保温系统中，完全密闭的系统是不存在的，外墙外保温系统总有不同程度的裂缝，由于这些裂缝的存在，使得外墙外保温系统内部压力与其外部的风场有关。系统的迎风面受正压而其背风面和两侧则受吸力作用，即绝对压力大于大气压力。在系统内部产生的压力或者是吸力的大小，取决于外墙外保温系统裂缝的大小及与该处的贯通渗漏程度，也与裂缝在外墙外保温系统的表面分布有关。高层建筑外墙外保温系统的构造设计和使用的保温材料必须能经受风荷载的作用，也就是能承受内部和外部压力的共同作用，但是目前大多数高层建筑外墙外保温工程中的粘贴聚苯板的做法显然无法满足基本的技术要求，尤其是饰面层开裂或采用粘贴面砖的工艺不合理。导致许多外墙外保温系统在使用很短的一段时间后由于受风荷载的作用而遭到破坏而开裂，个别的甚至大面积脱落，其主要原因是外墙外保温系统的构造设计缺陷和系统在各种不利因素的共同作用下的结果，尤其是风荷载的作用。如果在外墙外保温系统构造设计考虑到各种不利的相关因素，则外墙外保温系统受风压的作用尤其是负风压的作用系统受到破坏的现象将会大大减少。
6.先进的无空腔构造设计的外墙保温系统
在高层建筑工程中采用外墙外保温系统时，应当非常重视风荷载对外墙外保温系统的破坏作用，尽量增加粘贴面积进而采用无空腔构造设计应是最好的选择。在此基础上做合理的机械固定防护措施则会使外墙外保温系统更安全。实践证明，高层建筑外墙外保温系统采用无空腔构造，杜绝空气层不仅可以有效避免风压特别是负风压导致保温层内空气层对保温层的破坏作用，而且可以消除外墙外保温系统由风振产生的材料疲劳损伤。无空腔构造在外墙外保温系统中不仅在抵御风荷载方面具有重要的作用，而且在外墙保温系统中具有系统抗裂、防火、及防止墙体渗水等方面均有很好的作用。经过几年的工程实践，我们发现凡属于无空腔构造的工程在抵抗风荷载对高层建筑外墙外保温系统的破坏有着卓越的表现，而有些粘贴聚苯板的做法却出现了严重的问题，采取锚栓固定聚苯板的辅助措施的作用也很有限。因此，我们有必要认真地研究风荷载对高层建筑外墙外保温系统的破坏作用，只有采取合理的构造设计和严格的施工工艺，才能保证高层建筑外墙外保温系统在应用中不仅是安全的而且是耐用的。才能有效地保证高层建筑外墙外保温工程技术目标的实现。