浅谈沿海水闸上部建筑抗风浪技术

浅谈沿海水闸上部建筑抗风浪技术

胡骏豪朱威

浙江省水利水电勘测设计院

摘要：沿海水利工程发展迅速，各项研究也在不断发展中应用到水利工程建设中，本文仅从沿海水利建筑对风浪侵袭的抵抗展开研究及论述。从选址、设备选型、门窗、建筑材料、结构体系并结合我院多年设计的实际案例及应用对沿海水闸上部建筑抗风浪技术展开研究及论述。

关键词：沿海水闸；抗风浪技术；实际案例

近几年，沿海水利工程建设加快了建设速度，各项研究也在不断发展中应用到水利工程建设中，为保证工程质量做出了不可估量的贡献，本研究报告仅从沿海水利建筑对风浪侵袭的抵抗展开研究，从选址、门窗、建筑材料、结构体系、细部处理、案例及应用等七个章节展开研究及论述。

1选址

本文主要从沿海水闸上部建筑抗风浪技术方向展开论述，在选址方面主要因素为闸站朝向与外海侧风浪方向。

水利工程建设，上部闸站可选址范围选定后，闸站上部建筑主要朝向应尽量避开迎风面，或者与迎风方向形成一定的角度，从而弱化风力对上部建筑的影响与破坏。

通过不同角度对风力影响的分析，为减少风力对水利工程上部建筑物的影响，应考虑闸站朝向与来流射入角为45°左右。并考虑风向与季节变化的综合因素分析。

2设备选型

2.1闸门的选型原则

排涝闸站闸门的选择可根据工程需求，结合国内外的工程实践，选择合适工程特点的闸门门型。不同的闸门形式的选择，对下部闸墩高度起着决定性的作用。风力较大的沿海地区，尤其是上部建筑物所受风力影响较大时，启闭平台高度尽量高于水平面，减少风浪对窗及墙体的直接冲击。

2.2排涝闸站启闭设备选型

启闭设备形式的变化，对上部建筑的平面尺寸、高度以及的造型的要求也完全不一致。如螺杆式启闭机对上部启闭机房空间要求较高，使得建筑上部形体更为高耸；卷扬式启闭机对平面操作空间要求更大，建筑体量较为扁平。结合沿海地区风力情况，建议启闭设备选择时，尽量考虑空间要求较低的设备，从而减小建筑物的迎风面受风力的影响。

3.门窗

3.1建筑外门窗物理性能

影响沿海水闸上部建筑物抗风浪能力的外门窗物理性能主要包括抗风压性能、气密性能、水密性能。

3.1.1抗风压性能

抗风压性能是指外门窗正常关闭状态时在风压作用下不发生损坏（如：开裂、面板砬损、局部屈服、粘结失效等）和五金件松动、开启困难等功能障碍的能力。

在外窗的物理三性中，抗风压性能是最重要的，它关系居民的生命财产安全。水利工程的门窗主要以铝合金，铝合金门窗的刚度和强度都较高，因此只要将铝型材的挺料和拼樘料的尺寸加大或将型材的壁厚加厚，就能满足抗风压的需要。在铝合金门《GB/T8478-2003》中，对型材的最小实测壁厚已作了修定，由原来的1.4mm增至2.0mm；铝合金窗《GB/T8479-2003》标准中型材的最小实测壁厚也由1.2mm增至1.4mm。而塑料门窗一般不建议在水利工程中实用。

3.1.2气密性能

气密性能是指外门窗在正常关闭状态时，阻止空气渗透的能力。

对于本次研究的沿海水闸上部建筑物，根据《水利水电工程节能设计规范》4.2.1及4.2.2的规定，结合《公共建筑节能设计标准》，建筑外门窗的气密性并应满足下列要求：

1、10层及以上建筑外窗的气密性不应低于7级；

2、10层以下建筑外窗的气密性不应低于6级；

3、严寒和寒冷地区外门的气密性不应低于4级。

气密性能的好坏主要与框扇之间的密封程度有关，即框扇之间缝隙大小。外窗的固定部分和玻璃镶嵌，在水利工程中多采用湿密封形式进行密封，型材与型材之间的缝隙采用中性硅酮胶密封。

3.1.3水密性能

水密性能是指外门窗正常关闭状态时，在风雨同时作用下，阻止雨水渗漏的能力。衡量水密性能的指标为外窗不失去阻止雨水严重渗漏能力的最高风压。

对于本次研究的沿海水闸上部建筑物，建筑外门窗水密性能需符合下列规定：

1－6层建筑应≥2级（150Pa≤△P≤250Pa）；7层及以上建筑应≥3级（250Pa≤△P≤350Pa）。

常受台风侵袭的区域，门窗的水密性等级应≥4级（350Pa以上）；常受风雨侵袭的场所，可采用水密性等级≥3级（250Pa以上）的门窗；阳台或雨庇的场所，可采用水密性等级2级的门窗。

为了提高外窗的雨水渗漏性能，应尽量减少孔隙，遮挡雨水使之不浸湿缝隙，减小被浸湿缝隙处的风压差。

3.2建筑外门窗选材

3.2.1窗框型材

铝合金门窗的突出优点是重量轻、强度高、刚性好，防火好，采光面积大，耐大气腐蚀性好，综合能高，使用寿命长，装饰效果好。其明显的不足是保温隔热性能差。

沿海水闸上部建筑物一般风力较大，雨水多，建议采用抗风压性能及水密性能均较好的铝合金门窗。

3.2.2建筑玻璃的选用

沿海水闸上部建筑物璃的选用一般应考虑以下几个方面：

建筑物中下列部位的门窗应使用安全玻璃：七层及七层以上建筑物外开窗；面积大于1.5m2的窗玻璃或玻璃底边离最终装修面小于500mm的落地窗；倾斜安装的铝合金窗。

用于室外的建筑玻璃应进行抗风压设计，并应同时满足承载力极限状态和正常使用极限状态的要求。

3.3门窗的加固措施

沿海水闸上部建筑，当风浪来临时，门窗直接承受风浪的打击，极易破损，当门窗破损后，风浪进入室内，对水闸建筑内设备造成损坏，危害极大。因此对门窗采用必要的结构加固措施是很有必要的。主要可以通过以下加固措施对门窗进行加固处理。

1、依据建筑物的布置方向，靠海侧因直接承受风浪打击，建议门窗尽量做小或不做。

2、门窗洞口二侧设置混凝土构造柱，并按规范要求门窗与构造柱可靠连接。

3、门窗采用钢结构槽钢加固，增加门窗牢固性能。近几年我院设计的沿海建筑门窗均采用以上加固措施，在经历了几次台风的考验，取得了不错的效果。

四、建筑材料

4.1墙体材料

对于框架结构而言，填充墙均为非承重墙，墙体只需满足自重和水平风力作用下的稳定、强度、刚度及一定的隔声、隔热的要求即可。沿海水闸上部建筑大部分为多层框架结构，但填充墙材料的选择应依据自己特点选择合适的墙体材料。实心粘土砖因自重大，破坏农田，耗能大，在我国大部分地区已被禁止使用。依据我院的设计经验及对已完工项目的实地考察，主要从以下几个方面选择合适的墙体材料。

１.靠海侧，建筑物距海平面较近时，当风浪较大，海水会因风浪的吹打直接拍打到建筑物上时，此时如果采用一般的墙体材料，如加气混凝土砌块等难以满足使用要求，因海水的冲击，海水极易渗入室内，时间较长时，墙体容易发生霉变，此时应采用钢筋混凝土墙，避免这种情况的发生。此时应注意钢筋混凝土墙应参与结构的整体计算。

２.一般外墙，只承受风力不受海水侵蚀，此时也不宜采用空心砌块填充墙，因海风湿度较大，长时间的海风及雨水侵蚀，空心砌块容易渗水，长时间易发生霉变，因此我院通常采用实心砌体材料如烧结页岩砖、混凝土实心砖等墙体材料。

３.一般内墙，即不承重也承受海水、海风侵蚀，建议采用加砌混凝土砌块等轻质材料。

墙体材料的选择，均应满足国家及地方性规范要求，对禁止使用的墙体材料不得使用，无论选择何种墙体材料，均应按《建筑抗震设计规范》要求设置钢筋混凝土构造柱，做好墙体与框架柱的拉筋设置等构造措施。

4.2外墙饰面材料

建筑饰面材料的功能主要功能为装饰建筑立面，保护建筑。

沿海水闸上部建筑物的外墙饰面材料设计时应注意以下几个关键点：

1、采用耐腐蚀的外墙饰面材料。由于沿海风浪较大，空气湿度高，盐分也高，饰面材料长期暴露在空气中容易受腐蚀。

2、外立面装饰、构架、线脚等需与主体结构可靠连接。由于沿海建筑风力较大，考虑到结构安全性及后期维护，采用的立面装饰与主体结构的连接应安全可靠，避免后期维修的不便。

3、水工部分与建筑部分的外墙饰面材料统一考虑。在部分案例考察中发现未设计水工部分的外墙饰面，导致影响整体建筑物美观。

4、建议少采用浅色的饰面材料，例如白色外墙涂料，经受风浪的洗礼后外饰面显得很脏，影响美观，也为后期维护保养带来不便。

4.3防水材料的选择

沿海地区雨水较多，空气湿度大。耐水性不好的涂料易发生再乳化或水化还原反应，不耐水泡的粘结剂严重降低粘结强度，使粘结合缝的高分子卷材开裂，特别是内排水的天沟，容易因为长时间积水浸泡而渗漏。为此应选用耐水材料，如玻纤胎、聚酯胎的改性沥青卷材或耐水的胶粘剂粘合高分子卷材。

4.4材料抗腐蚀设计

沿海工程地下水条件较复杂，多有腐蚀性质，在设计施工时需特别注意。根据《工业设计防腐蚀规范》中规定“4.1.1在腐蚀环境下，结构设计应符合下列规定：1根据各类材料对不同介质的适应性，合理选择结构材料。2结构类型、布置和构造的选择，应有利于提高结构自身的抗腐蚀能力，能有效避免腐蚀性介质在构建表面的聚积或能够及时排除，便于防护层的设置和维护。3当某些次要构件的设计实用年限不能与主体结构的设计使用年限相同时，应设计成便于更换的构件。”

五、结构体系

5.1计算参数选择

5.1.1风荷载取值

风荷载为一项目重要的结构设计参数，因沿海建筑受台风影响较大，风荷载的取值直接影响到建筑物的安全性。目前的结构设计中，风荷载取值根据《建筑结构荷载规范GB5009-2012》中表E.5，非高层建筑按照50年一遇基本风压取值。然而沿海水闸建筑基本坐落于风浪较大地区，此时应考虑建筑物承受的较大风力，应结合我国气象局在2001年颁发的《台风业务和服务规定》中台风风速参数，根据现场实际情况对风压的取值进行少量的上调。

2015年影响浙江的台风主要如下。

１.灿鸿，7月11日擦过浙江舟山，强台风，14级，风速45米/秒。

２.苏迪罗，8月8日登陆福建莆田，台风，13级，风速38米/秒。

３.天鹅，8月24日超强台风

４.杜鹃，9月29日登陆福建莆田，台风，12级，33米/秒

从上面数据可以发现，当风力达到12级台风及以上时，风压＞0.66kN/m²，当风力达到14级强台风时，风压＞1.08kN/m²，当风力达到16级超强台风时。处在海岸边的水闸上部建筑通常为地区内台风影响最大的部分，按照50年一遇基本风压取值，往往偏小，以我院的经验，沿海水闸上部建筑一般风荷载取值在1.0~1.2kN/m²之间，当然如遇超强台风比较多的位置，尚应参考历史上台风等级确定风荷载取值。

5.1.2混凝土保护层厚度

混凝土保护层厚度是一项重要的结构设计参数，保护层厚度过小，影响结构的耐久性，保护层厚度过大，影响钢筋力矩.混凝土保护层厚度应根据《混凝土结构设计规范》先确定其环境类别，依据环境类别确定各受力构件的保护层厚度。依据《混凝土结构设计规范》3.5.2条要求。

沿海水闸建筑环境类别是海岸环境和海风环境的判断，应根据当地情况，考虑主层风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定，我院一般的做法为以三a类为基准进行设计，当保护层厚度过大时，应适当的增加板厚。确定环境类别后依据《混凝土结构设计规范》8.2.1条确定混凝土保护层厚度。

混凝土保护层厚度的取值虽说不是一项复杂的工作，但往往有些设计人员因为沿海水闸建筑的环境类别的错误定性，导致混凝土保护层厚度的取值错误，存在重大的设计缺陷，值得设计人员认真对待。

5.1.3周期折减系数

周期折减的目的是为了充分考虑非承重填充墙刚度对结构自振周期的影响，因为周期小的结构，其刚度较大，相应吸收的地震力也较大。若不做周期折减，则结构偏于不安全。

对于周期折减系数问题，《建筑抗震设计规范》中对多层框架结构并无明确要求，但对于沿海水闸建筑建议应采用合适的周期折减体系数，以保证结构安全性，可以参照《高层建筑混凝土结构设计技术规程》4.3.17条之规定采用。

5.2结构选型

结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰。尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。沿海水闸上部建筑结构设计中，结构体系的选择尤其重要，主要从以下几个方面考虑结构体系的选择。１.满足建筑功能及建筑造型的需要。２.考虑材料和施工的条件。3.场地条件。４.经济成本。

沿海水闸上部建筑为应依据自身特点，合理的选择结构体系。随着经济的发展，砖混结构因其抗震性能较差、布置不灵活等局限性，已很少采用。沿海水闸建筑因处于海边，常年受海风及海水中氯离子侵蚀，如采用钢结构，极易容易锈蚀，因此应尽量减少采用，当存在大跨度屋面时，可适当的采用钢结构网架或钢结构桁架，但此时应做好防锈蚀处理。依据我院的实际经验及做过的项目后期调查研究，沿海水闸上部建筑采用的结构形式主要以下几种。

1.多层建筑，且低地震烈度区，首选框架结构体系。如需设缝，应按规范要求满足抗震缝要求。

2.高度大于24米丙类建筑，且为单跨结构时，不得采用框架结构，可以采用框架－剪力墙结构，以满足规范要求。

3.高层建筑，且高地震烈度区，框架结构不能满足要求进，可采用框架－剪力墙结构或剪力墙结构。

5.3基础形式。

基础是将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。基础承受着房屋的全部荷载，因此基础应具有足够的强度，才能稳定地把荷载传给地基，同时基础应满足耐久性要求。如果基础先于上部结构破坏，检查和加固都十分困难，而且还会影响房屋建筑的使寿命。

基础按构造形式可分为条形基础、独立基础、满堂基础和桩基础。

沿海水闸上部建筑应根据自身特点及地质条件、经济性，合理的选择基础形式，这一点是非常重要的。特别是水闸与二侧建筑脱开时，如二侧建筑基础选型不合理，势必影响房屋安全性，如发生不均匀沉降等等安全问题。在设计过程中需充分考虑结构整体稳定性，防止不均匀沉降。

六、案例及应用

结合工程在建成后投入使用过程中受到台风影响程度，科标业小组马不停蹄的走访了温州龙湾二期围涂工程、漩门三期围垦工程、金清新闸等项目共计7个闸站进行现场走访察看。

结合设计图纸和现场情况，对各个闸站外立面玻璃窗及窗框情况进行逐一观测，根据各闸站承受风浪的不同情况，各闸站建筑外窗分别采取了加固窗樘、改小窗洞面积以及取消沿外海侧窗等措施，来减小风浪对建筑的影响。下面就对以上三种情况进行具体分析：

6.1加固外海侧门窗窗樘

我院设计的龙湾二期围涂工程东门新闸位于温州龙湾区围垦工程外海侧，沿海最大风力：19级。窗户面积：单扇窗户最大面积为1.35M²，最小面积为：0.72M²。窗框型材：80系列铝合金窗，玻璃采用8mm厚普通玻璃。现场窗框内侧采用5厚5厘米方钢，对横竖向窗樘进行加固。项目建成使用已达两年，窗框及玻璃均未受到破坏。该处理办法，适用于沿海风力较大、建筑物上部开窗位置高度较高，最大台风期间风浪不会直接冲击到建筑物上部工况。对横竖向窗樘加固处理后，单扇规则外窗最大面积可达1.35M²，

金清新闸沿外海侧，距离地面较高（约15米）通航控制室外窗，风浪无法冲击部位，也同样采用局部增加横樘的工艺，进行加固处理，单扇规则外窗最大面积可达2.4M²。

6.2对沿外海侧窗洞改小

金清新闸位于台州市路桥区金清镇剑门港村，沿海最大风力：15级，窗框型材：90系列铝合金玻璃窗。外海侧管道间外窗受损原因：海浪将外海检修平台预制侧盖板掀起，从而使外窗受预制盖板冲击破损。

针对出现的情况，一是将外海侧检修平台上预制盖板，做加固处理，而不是简单的搁置在检修孔上；二是将外海侧窗洞面积改小，外海侧窗洞面积由2.7M²缩小至1.8M²，单扇玻璃面积由1.35M²缩小至0.9M²。并适当在外海侧窗洞上下外墙部位，增加一些外凸构件，起到阻挡和美观装饰双重效果。内外海两侧都开有窗户，仍然保证了内部操作使用空间亮度充足。

6.3取消外海侧开窗

漩门三期围垦工程位于浙江省台州市玉环县。沿海最大风力：17级，窗户面积：单扇窗户最大面积为2.40M²，窗框型材：90系列PVC推拉窗，受损原因：台风期间风浪巨大，建筑物外海侧又正对迎风面，海浪可直接越过屋顶，导致外海侧窗框受损变形脱落。台风期间，风浪甚至将检修平台上混凝土板都冲毁。

针对此类较为极端的情况，将外海侧窗洞进行封堵，取消外海侧窗户。内海侧窗户受台风影响甚微，仍做保留。带来的不利影响为室内采光条件受限，平时室内光线较为昏暗。

综上所述，针对沿海水闸上部建筑物建设地点遭遇的台风等级，并不足以破坏符合风力要求的窗框型材及玻璃，但是受台风影响的高卷的海浪，成为最大外窗的破坏因素。

在方案设计时期，设计人员首先要通过现场查勘及对以往风浪情况的分析，清晰了解风浪的最大高度为前提。在不受到风浪冲击位，对建筑物外窗采取局部窗樘加固、窗洞缩小、以及增加外部构筑物阻挡等措施，可使沿海水闸上部建筑物较好的经受台风的袭击。单扇窗户玻璃面积，不大于1.5M²情况下，在窗户内侧窗樘处增设5厚5厘米方钢，就能较为有效的抵御台风；对风浪较大的沿海水闸，外海侧不适宜开窗等建筑，需要充分考虑到内部使用过程中的采光，加大内海侧窗洞面积，以弥补单侧开窗室内光线不足带来的缺憾。

后记：通过此次对沿海地区水闸现场查勘，我们也发现在后期使用过程中存在的问题，需要策划阶段及设计人员不断的完善。一是由于闸站位置较为偏远，卫生间上、下水及排污情况不能得到较好解决；二是外海侧雨水管风浪较大，基本被破坏，不宜设置；三是沿海地区空气盐碱度较高，考虑材料的耐腐蚀性；四是有些闸室内未设置值班室，需要人员临时值班时没有合适的值班场所。以上问题，仍需要设计人员引起重视，给水利工程后期维护管理工作带来便利。