直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)性能研究

常 波 梅獻忠 錢 昀 楊 庭

1. 同濟大學(xué) 上海 200092；2.浙江省建工集團有限責(zé)任公司 杭州 310012； 3. 中南建筑設(shè)計院股份有限公司 武漢 430071

1 金屬屋面應(yīng)用簡介

金屬屋面是指采用金屬板材作為屋蓋材料，將結(jié)構(gòu)層和防水層合二為一的屋蓋形式[1-4]。金屬板材的種類很多，有鋅板、鍍鋁鋅板、鋁合金板、鋁鎂合金板、鈦合金板、銅板、不銹鋼板等，厚度一般為0.4～1.5 mm。

金屬屋面根據(jù)板塊連接方式不同又分為了直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)、古典式扣蓋金屬屋面系統(tǒng)、平鎖扣式金屬屋面系統(tǒng)等，其中以直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。此類建筑的特點是跨度大、層數(shù)低、屋面面積大，因而采用金屬屋面優(yōu)勢明顯，也為現(xiàn)代建筑向舒適、輕型、耐久、經(jīng)濟、環(huán)保等方向發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。典型的直立鎖邊金屬屋面構(gòu)造如圖1、圖2所示。

圖1 直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)

圖2 屋面板鎖邊過程

2 直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)設(shè)計

在直立鎖邊金屬屋面設(shè)計中，因屋面結(jié)構(gòu)自重輕，且常設(shè)計為超長超寬屋面，屋面系統(tǒng)的受風(fēng)面積大，屋蓋的實際風(fēng)壓與負(fù)風(fēng)壓通常無法準(zhǔn)確計算。常采用試驗驗證的方式進行設(shè)計。然而現(xiàn)在隨著惡劣天氣不斷涌現(xiàn)（局部出現(xiàn)16 級以上大風(fēng)），金屬屋面板脫落、被掀翻的事故也屢見不鮮，對直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)施工管控與屋面系統(tǒng)加固迫在眉睫。

直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)性能主要依靠屋面板與金屬連接支座咬合、金屬連接支座與屋面檁條固定來實現(xiàn)，因此現(xiàn)在常采用金屬連接支座加強與屋面板咬合加固2 種方式來加強金屬屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能。

3 直立鎖邊金屬屋面加固與管控措施

3.1 連接支座加強措施

3.1.1 薄弱部位加強措施

通過對以往破壞案例的分析，可發(fā)現(xiàn)直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)性能的薄弱部位為屋脊、檐口、天溝邊、天窗邊等收頭部位與形狀突變部位，設(shè)計時需考慮這些部位覆蓋嚴(yán)密不吃風(fēng)，且覆蓋或加塞配件連接穩(wěn)固。因此屋脊、檐口、天溝邊、天窗邊這些屋面板收頭位置做泛水板、蓋板時均做下折、塞擋風(fēng)堵頭并采用Z字形支撐件與結(jié)構(gòu)檁條或屋蓋幾字形襯檁連接。

屋面板堵頭分為2 種，一種為內(nèi)堵頭，主要用于天溝邊部位，塞于金屬屋面板凹凸空間內(nèi)（圖3）；另一種為外堵頭，主要用于屋脊及檐口部位，塞于泛水板與蓋板內(nèi)（圖4）。

3.1.2 檁條加密措施

通過結(jié)構(gòu)次檁條加密來增加屋面板支座連接點，達到屋面板抗風(fēng)加固的作用。屋面次檁條布置時，往往會忽視其作為屋面板的固定點，其間距的大小直接影響屋面板的抗風(fēng)性能，因此在設(shè)計時須有針對性的布置。比如，一般情況下的屋蓋，普通部位次檁條布置間距為1 500 mm，而在天溝、檐口、天窗和屋脊周邊等抗風(fēng)性能的薄弱區(qū)域，次檁條間距須進行加密至間隔750 mm，以增加屋面固定支座與結(jié)構(gòu)檁條之間的連接點數(shù)量，從而達到增強屋蓋系統(tǒng)抗風(fēng)性能的目的。

圖3 內(nèi)堵頭

圖4 外堵頭

3.1.3 支座固定螺絲加強措施

在風(fēng)災(zāi)中金屬屋面板脫落也存在鋁合金支座被拔起的現(xiàn)象，因此也考慮支座固定螺絲的整體加固或局部加固，并通過支座拉拔試驗驗證支座的抗拔力是否滿足設(shè)計要求。通常設(shè)計為鋁合金支座采用2 個自攻螺絲與屋面檁條或幾字形檁條連接，自攻螺絲每邊布置1 個。在加固時采用增加質(zhì)和量2 個方面加強，即采用高強耐久的不銹鋼螺絲和增加螺絲數(shù)量，1 個支座的自攻螺絲由原來的2 個增加到4 個，對稱布置。

3.1.4 施工過程管控措施

施工質(zhì)量是保證屋蓋系統(tǒng)整體穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此須加強施工原材料、安裝工序等環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控，以保證直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)性能。屋蓋施工前須對屋蓋結(jié)構(gòu)檁條進行平整度、平順度驗收，對不符合要求部位須采取措施調(diào)平。施工前應(yīng)進行排版設(shè)計，測量放線，保證次檁條、幾字形襯檁、鋁支座等安裝平順直。面板鋪設(shè)完畢，應(yīng)及時使用專用鎖邊機進行屋面板咬合鎖邊，屋面板安裝完畢，檐口收邊工作應(yīng)盡快完成，以獲得必要的組合效果。

3.2 屋面板與支座咬合加固措施

在風(fēng)災(zāi)中，金屬屋面受到最多的破壞是屋面板與固定支座間脫落。由于屋蓋處于室外復(fù)雜的氣候環(huán)境中，造成支座鎖邊脫落的原因很復(fù)雜，無法得到準(zhǔn)確的分析，日常使用過程中加強檢查、維護是一方面，通常還采用支座鎖邊上增加夾具的方式進行加固，特別是檐口、天溝邊、屋脊等薄弱或受風(fēng)面積較大部位，增加設(shè)置夾具并采用鋁合金方管連接，可有效提高屋面板的整體抗風(fēng)性能（圖5）。

4 驗證試驗

為驗證直立鎖邊金屬屋面加固后的效果，可采用模擬試驗的方式進行加固前試件與加固后試件的對比，主要通過抗風(fēng)揭試驗與支座拉伸試驗2 種試驗驗證。

圖5 屋面加固節(jié)點

抗風(fēng)揭試驗是，采用檁條及屋面板反向放置，堆載（標(biāo)準(zhǔn)鐵塊和沙袋）以模擬風(fēng)吸作用，通過設(shè)置支座夾具和不設(shè)置支座夾具進行對比，測試直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面系統(tǒng)在等效風(fēng)場作用的抗風(fēng)揭能力及增設(shè)夾具后抗風(fēng)性能的提高程度。支座拉伸試驗是通過對加固后支座試件施加拉拔力，驗證支座破壞位置，測定T形支座與襯檁條連接件的抗拉承載力?？癸L(fēng)揭試驗表明，試件的破壞形態(tài)為屋面板與T字形支座鎖邊脫離，與風(fēng)災(zāi)中常見破壞形式相同；所有試件的抗風(fēng)揭承載力均滿足設(shè)計要求；鎖邊上設(shè)置夾具的試件的抗風(fēng)揭承載力明顯高于不設(shè)夾具的試件，承載力平均提高69.4%。

T字形支座與檁條連接件的極限抗拉強度平均值為16.4 kN，試驗抗拉強度值滿足設(shè)計要求。破壞形式是自攻螺絲受拉斷裂，表明T字形支座與檁條連接件中的薄弱部位為自攻螺絲。

從模擬實驗可以看出，所采取的屋面加固措施能有效減緩屋面破壞，且試件未考慮板重與風(fēng)吸力相反、試件小為非全尺寸模擬、實際風(fēng)吹不連續(xù)與不集中等因素，因此通過加固后，金屬屋面板抗風(fēng)性能大大得到提高，屋蓋的安全性能得到了保障。

5 結(jié)語

在金屬屋面應(yīng)用日益廣泛的今天，特別是大型的場館、站房、綜合體，通過金屬屋面加固來保證屋面的安全性能，顯得越來越重要，且牢固的屋面系統(tǒng)也會使得建筑造型、建筑功能更完美地實現(xiàn)，越來越多的加固措施在建筑設(shè)計階段即被提出。我們通過實踐與模擬試驗總結(jié)出的金屬屋蓋加固經(jīng)驗，也可供廣大從業(yè)人員借鑒。