周  华1,2'3，  张江利3

（1雅克设计有限公司，海口570125；2海南周华结构设计咨询有限公司，海口570208；

 3海南大学，海口570228）

[摘要]  介绍了“威马逊”超强台风中严重损坏的钢筋混凝土结构，包括一栋工业混凝土水塔和几座工业厂房。钢筋混凝土水塔灾损的主要原因是：简体中的洞口周围未采取任何加强措施，洞口中心所在截面是简体最薄弱截面，筒体最薄弱截面处混凝土质量差、强度低，导致混凝土在台风作用下被压溃。工业厂房钢筋混凝土柱灾损的主要原因是：厂房结构未经过正规设计，钢筋混凝土柱截面尺寸和配筋严重不足。此外，媒体广泛报道，文昌市铺前镇海边一栋“水泥楼”被“威马逊”超强台风摧毁，该建筑实际上是一栋三层砖混结构，在“威马逊”超强台风中被一艘军舰撞毁，而不是被台风直接“吹坏”。

[关键词]  “威马逊”超强台风；钢筋混凝土结构；灾损

中图分类号：TU375，P425.6文章编号：1002-848X( 2016) 06-0100-06

0  概述

 “威马逊”超强台风为2014年太平洋第九号台风，于2014年7月18日下午3点30分在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，登陆时台风中心附近最大风力17级，最大持续风速为60 m/s，是1973年以来登陆我国华南地区的最强台风。本文主要描述钢筋混凝土结构在经受超强台风后的灾损情况，对引起结构灾损的内在原因进行分析，并为改进钢筋混凝土结构的抗风性能提出建议措施。

1  钢筋混凝土结构灾损的总体情况

 在“威马逊”台风中受损的建筑结构，绝大部分是砌体结构和轻钢结构。在调查中发现受损的钢筋混凝土结构主要包括：1）一栋工业水塔结构，在台风中被吹断成两截，上截掉落到地面；2）几座由钢筋混凝土柱支承轻钢屋面的工业厂房结构，钢筋混凝土柱严重损坏。本文针对上述钢筋混凝土结构，进行灾损描述和分析。此外，在“威马逊”台风之后，媒体广泛报道文昌市铺前镇海边一栋“水泥楼”被台风摧毁，本文在介绍该建筑的灾损情况的同时，澄清该建筑的实际结构类型和在台风中损坏的直接原因。

2  工业水塔结构灾损情况与分析

2.1水塔结构基本情况

工业水塔为钢筋混凝土结构，位于文昌市翁田镇境内一工厂内，筒体在“威马逊”台风中被吹断成两截，下截立于地面，上截则掉落到地面，如图1所示。通过现场调查和访谈了解到，该水塔于1997年经过正规设计和施工建成，在台风之前已使用了17年，2014年7月18日下午1点左右，工厂所在地台风风力开始大增，下午3点左右，台风风力达到最大值，水塔简体断成两截。

 根据现场观察和量测，水塔结构布置和几何尺寸如图2所示。水塔支承筒体内径为1 960mm，壁厚170mm，外径为2 300mm;筒体地面之上高度28m，由5道水平隔板分成6段，在每一段筒壁的A侧和C侧，各有一个直径600mm的采光和通风洞口；倒圆锥形水柜高度4. 5m，最大直径9.9m;水塔地面之上总高度33. 5m。此外，水塔筒体内有两条钢水管，在每一段与筒壁用锚固件连接。

 水塔筒壁断口处钢筋为：1）竖向受力纵筋间距150mm，每三根14mm直径螺纹筋间隔一根直径25mm光面筋；2）环向水平筋为直径8mm光面筋，间距200mm;3）竖向受力纵筋和环向水平筋均为单层布置，位于筒壁中心；4）筒壁洞口宽度范围内的竖向受力纵筋和高度范围内的环向水平筋，均在洞口边缘直接切断，洞口边缘未采取加强措施；5）筒壁断口处是部分纵向钢筋连接部位，连接方法为搭接焊接。

2.2水塔结构灾损情况

 水塔筒体断口位于隔板四和隔板五之间，上截断口如图3所示，下截断口如图4所示，根据现场情况所描绘的断口处筒壁外侧展开图如图5所示。

 水塔筒壁断口处主要破坏形式为：1）图5中斜线所示范围为筒壁混凝土破坏区，被破坏的混凝土既有块状，也有散粒状（堆积在隔板四上），如图6所示；2）竖向纵筋均被拉断，断裂截面为钢筋自身截面，基本上未观察到搭接焊缝被拉断；3）25mm光面筋的断裂截面普遍离断口较远，光面筋从简壁中被拔出，引起筒壁混凝土开裂和脱落，见图4(a)，(b)，(e)，直径14mm螺纹筋的断裂截面离断口较近；4）图5中阴影范围内的环向水平筋均被拉断。

 除水塔断口处筒壁损坏外，水塔简体其他主要损坏见图7。塔顶水柜损坏是由掉落到地面的冲击力引起的，而非台风风力所致，因此本文不予讨论。

2.3水塔结构灾损原因分析

 将水塔看作是固定在基础顶面的竖向悬臂构件，将台风荷载等效成静力荷载，则在水塔重力荷载和台风荷载共同作用下，水塔筒体荷载及筒体内力简图如图8所示。筒体轴压力由水塔重力引起，根据图2的水塔几何尺寸计算（混凝土容重取25K N/m3，水容重取10 k N／m3）可知，当水柜无水和装满水时，筒顶轴压力标准值分别为650kN和2 150kN，筒底轴压力标准值分别为1 480kN和3 180kN（数值未包括水柜顶风吸力的影响。若按60m/s风速估算风压，则水柜顶部总的风吸力标准值大约为260kN）。由台风荷载引起的筒体弯矩和剪力，从筒顶到筒底递增，最大值均出现在筒底。在一次台风中，由于风向是不断改变的，简体弯矩和剪力的方向随着风向改变而不断变化。

 水塔简体断口处混凝土破坏区顶部离筒顶大约4m、底部离筒底大约20m，从图8可知，筒体断口处的内力较小。由于水塔筒体直径和壁厚从筒顶到筒底为常量，断口处上截简体和下截简体的竖向纵筋和环向水平筋的配筋量没有变化，可以认为筒体断口处的破坏是由筒壁自身的缺陷所引起的。

 水塔简体断口处的筒壁存在两个主要缺陷：第一个主要缺陷是断口处筒壁混凝土破坏区顶部为C侧洞口E，如图2和图3(b)所示，由于洞口E边缘未采取任何加强措施，洞口中心处水平截面I-I为筒壁的薄弱截面。第二个主要缺陷是断口处筒壁混凝土质量差，从图6(a)可看出，断口处的块状混凝土由砂浆组成，几乎没有粗骨料，从图6(b)可看出，断口处压坏混凝土呈散粒状甚至粉末状，严重的质量缺陷导致断口处筒壁混凝土强度低。在轴压力和方向不断改变的弯矩的共同作用下，截面I-I上洞口E旁的混凝土首先被压坏，混凝土压坏区随着台风的持续作用不断扩大，导致截面I-I的承载力不断减小。但是，截面I-I的弯矩和剪力并不减小，而是随台风风力加强而不断增大，当内力超过承载力时，截面I-I产生破坏，水塔上截失去平衡。在水塔上截往下掉落的过程中，混凝土压坏区进一步向下扩展（直到受到隔板四的约束和阻止），断口处所有竖向纵筋和环向水平筋被拉断。

 水塔简体其他部件主要损坏的原因分析如下：隔板四损坏(图7(a))是由于上截简体在掉落过程中，通过简体内两根钢管向隔板四施加了很大的面外上拔力而引起的，不是由台风荷载直接引起的。筒壁A侧洞口二处的水平裂缝(图7(b))，目测宽度超过了2mm，是由于洞口宽度范围内竖向纵筋被切断，台风荷载引起的弯矩导致洞口边缘纵筋产生受拉屈服而产生的。

2.4改进水塔结构抗风性能的建议措施

 根据上述分析，可采取如下措施改进水塔简体的抗风性能：1）水塔筒壁竖向纵筋和环向水平筋均采用双层配置，分别位于筒壁内侧和外侧，并采用拉结筋将两层钢筋连接。通过双层钢筋网和拉结筋为筒壁混凝土提供沿厚度方向的约束，能提高筒壁混凝土的抗压强度和变形能力。2）对筒壁洞口采取加强措施，避免洞口处形成筒壁薄弱截面。具体措施包括：在洞口边缘布置环梁（或暗环梁）；在洞口两侧加配竖向纵筋补偿洞口宽度范围内被切断的纵筋；在洞口上、下加配环向水平筋补偿洞口高度范围内被切断的水平筋。3）保证混凝土的施工质量和强度，包括混凝土要搅拌均匀，在运输和浇筑过程中避免出现粗骨料和砂浆分离，混凝土振捣要密实，混凝土强度不低于设计强度等。

3  工业厂房结构灾损情况与分析

 在调查中发现，部分由钢筋混凝土柱支承轻钢屋面的工业厂房结构，在“威马逊”台风中受到严重损坏。本文选择三座工业厂房，针对钢筋混凝土柱的灾损情况进行描述和分析。

3.1养虾车间结构灾损情况

 养虾场A位于文昌市翁田镇海边，于2011年建成。该养虾场最大的养虾车间横向宽度为52m（由两跨组成，每跨26m），纵向长度为82. 5m（由15个开间组成，每个开间5. 5m），采用钢筋混凝土柱支承屋面拱桁架的结构形式，屋面采用钢檩条和压型钢板围护，外围纵墙和山墙采用铝合金玻璃窗围护。该车间在“威马逊”台风中屋面完全跨塌，多数钢筋混凝土柱严重损坏，如图9所示。

 经实地量测，该车间钢筋混凝土柱截面尺寸均为250×300，纵筋为4根直径14mm螺纹筋，箍筋为直径8mm光面筋，间距200mm。钢筋混凝土柱损坏特征为：1）车间外围柱与由灰砂砖砌筑的窗下墙连接，在窗下墙顶处损坏严重，在墙顶之下损坏轻微；2)绝大多数边柱（仅一侧与拱桁架连接）柱顶断裂，断裂截面位于拱桁架下弦杆与柱连接处；3）中柱（与两个拱桁架连接）的损坏程度普遍低于边柱，柱底一般没有明显损坏，柱顶损坏程度较轻。

3.2冷库厂A冷冻车间结构灾损情况

 冷库厂A位于翁田镇，其中的一个冷库车间于2014年4月建成，还未投入使用就被“威马逊”台风摧毁，如图10所示。该车间为一单层三跨结构，采用轻钢屋面，承重柱包括钢柱和圆形钢筋混凝土柱。该车间所有钢筋混凝土柱根部严重损坏，见图10。

 经实地量测，钢筋混凝土柱高为3. 7m，截面直径为300mm，纵筋为4根直径14mm螺纹筋，箍筋为直径8mm光面筋，间距大约250mm。钢筋混凝土柱损坏形式为：1）所有钢筋混凝土柱有明显的侧向残余变形；2）部分柱根出现混凝土酥裂、崩落，纵筋屈曲；3）部分柱根出现宽度超过1mm的全截面裂缝。

3.3冷库厂B冷冻车间结构灾损情况

 冷库厂B位于文昌市大致坡镇（紧邻翁田镇），其中一车间结构形式为钢筋混凝土柱支承三角形钢屋架，采用轻钢屋面维护，于201 1年建成投入使用。在“威马逊”台风中，该车间屋面垮塌，钢筋混凝土柱损坏，如图11所示，其中，图11(a)为中新网发布的风灾照片。

 经实地量测，钢筋混凝土柱高为6m，其截面尺寸为400×400。柱损坏特点为：1）柱残余层间位移角普遍超过1/10；2）多数柱根部出现明显的水平裂缝；3）部分柱根部出现明显的剪切斜裂缝。

3.4厂房结构钢筋混凝土柱灾损原因分析

 上述三座工业厂房的共同特点为：钢筋混凝土柱以竖向悬臂构件的受力形式为结构提供水平刚度和水平承载力，并承担由屋面风吸力引起的轴拉力。由于三座厂房的结构均未经过有资质的设计机构设计，钢筋混凝土柱截面尺寸过小，纵筋和箍筋量明显不足，导致其水平刚度和承载力不够，在“威马逊”台风中严重损坏。

 在调查中发现，有砌体围护墙与钢筋混凝土柱连接的工业厂房结构，钢筋混凝土柱在“威马逊”台风中基本完好，或仅有轻度损坏。从图9(b)也可看出，养虾场A养虾车间的窗下墙体，对钢筋混凝土柱在墙顶之下的部分，起到了明显的约束和保护作用。因此，与钢筋混凝土柱有可靠连接的砌体围护墙，能明显提高钢筋混凝土柱的承载力和厂房的水平刚度，可在单层工业厂房结构中更多地使用。

4  铺前镇“水泥楼”灾损情况及直接灾损原因

 在“威马逊”台风之后，南海网发布了图12(a)所示的风灾照片，并配有文字说明：“通往北港岛的铺前码头，一栋水泥楼被台风“威马逊”摧垮半边楼……”。此后，该照片在媒体上被广泛传播，成了“威马逊”台风灾损的代表性照片之一。

 图12(b)~(d)是调查组于2014年8月5日在建筑现场拍摄的照片。经现场观察，该建筑为紧邻海面水边的一栋三层砖混结构，楼面和屋面为现浇混凝土梁板，采用砌体墙体承重，靠海面一侧部分承重墙和二层楼面垮塌，室内墙体可见明显的斜裂缝。经向当时在建筑内作清理工作的两位当地居民了解，该建筑为文昌市铺前镇（紧邻翁田镇）海事处办公楼，大约15年前建成，“威马逊”台风来袭时，停靠在附近海面的一艘军舰被巨浪掀起，撞上了该筑，建筑和军舰均严重损坏。

 因此，媒体上广泛报道的铺前镇海边“水泥楼”，实际上是一栋三层砖混结构建筑，在“威马逊”台风中损坏的直接原因是军舰撞击，而不是风荷载作用。澄清该“水泥楼”的实际结构类型和直接灾损原因，避免被媒体不准确的信息所误导，是此风灾调查的重要收获之一。

5  翁田镇海边养虾场混凝土框架结构灾损情况

 位于台风登陆地点文昌市翁田镇海边的建筑，是受“威马逊”台风最严峻考验的建筑。在翁田镇海边养虾场中，轻钢结构车间普遍受到严重损坏，但是，钢筋混凝土框架结构建筑均基本完好，在台风后正常使用，如图13所示。

6  结语

 在“威马逊”台风中损坏的建筑结构，绝大部分是砌体结构和轻钢结构。在调查中发现受损的混凝土结构，主要包括一栋工业水塔结构和几座由钢筋混凝土柱支承轻钢屋面的工业厂房结构。调查和分析表明：1）工业水塔结构损坏主要是由于筒壁洞口未采取任何加强措施和筒壁断口处混凝土质量的严重缺陷引起的；2）工业厂房钢筋混凝土柱损坏主要是由于结构未经过正规设计，柱截面尺寸和配筋严重不足引起的。在受“威马逊”台风影响最严重的文昌市翁田镇海边养虾场中，钢筋混凝土框架结构建筑均基本完好，在台风后不需修复就可正常使用。

 因此可以认为，混凝土结构有很优良的抗台风性能，设计合理、施工质量合格的混凝土结构建筑均能经受“威马逊”超强台风的考验，在台风后基本不需修复就可正常使用。后续工作将针对上述混凝土结构的台风灾损，进行定量分析和研究。