金屬屋面抗風(fēng)掀性能檢測技術(shù)分析

沈 成 徐文慧

（江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司 江蘇省南京市 210000）

前言

金屬屋面是指使用金屬板材為建筑材料，把結(jié)構(gòu)層跟防水層進行結(jié)合的屋蓋樣式。因此它承擔(dān)著防水及防風(fēng)等重任，它的性能也直接決定著整個建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性跟安全性。同時金屬屋面的抗風(fēng)掀檢測跟幕墻的抗風(fēng)壓檢測有一定差異，在受到風(fēng)載荷的時候屋面易受到外部的吸力以及內(nèi)部的壓力，因此沒有嚴格按照規(guī)范并進行測試檢驗設(shè)計的屋面在惡劣天氣下就容易發(fā)生風(fēng)掀破壞。

1 金屬屋面風(fēng)掀破壞成因

1.1 伯努力效應(yīng)

當(dāng)臺風(fēng)來臨時，金屬屋面系統(tǒng)外部的空氣流速很大，而內(nèi)部的空氣接近靜止。根據(jù)伯努力效應(yīng)，外部空氣流速越大，內(nèi)外部壓差越大，從而產(chǎn)生由內(nèi)而外的壓力致使屋面掀起。

1.2 風(fēng)致共振

因金屬屋面具有質(zhì)量輕、柔性大等特點，屋面系統(tǒng)自振周期與風(fēng)速的長卓越周期較接近，故風(fēng)荷載為屋面所承受的主要荷載。金屬屋面由于柔性大相對主體結(jié)構(gòu)更易發(fā)生彈性振動，建筑物內(nèi)壓紊流容易引發(fā)Helmholtz共振，該共振是導(dǎo)致金屬屋面破壞的重要原因。

2 影響屋面風(fēng)荷載主要因素

2.1 內(nèi)外溫差

金屬屋面的破壞多發(fā)生于氣溫較低的季節(jié)，這是由于屋面底下為大面積公共區(qū)域，寒冷季節(jié)室內(nèi)供暖導(dǎo)致室內(nèi)溫度比室外高很多。屋面系統(tǒng)上下屋面板間有一定空間，空氣可自由對流。暖空氣會堆積在上層致使內(nèi)部壓強大于外部產(chǎn)生壓差。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

不同的屋面形式，其表面風(fēng)壓分部也不同。大量屋面破壞案例表明，破壞大多出現(xiàn)在屋面轉(zhuǎn)角、邊緣、屋脊等幾何造型突變部位。尤其是懸挑出來的部分，受負壓最大且變化最劇烈。故屋面造型及局部結(jié)構(gòu)形式會對屋面受風(fēng)荷載的大小產(chǎn)生一定影響。

3 屋面風(fēng)掀破壞形式

大量屋面破壞案例表明，受風(fēng)掀破壞的形式主要有：

（1）金屬屋面板肋與支座間咬合失效。

（2）檁條強度不足。

（3）支座與檁條間連接強度不足。

4 抗風(fēng)掀性能檢測的方法

國際上通用的抗風(fēng)掀檢測方法很多，限于篇幅在此僅討論我國的JGJ255-2012的測試方法。

金屬屋面抗風(fēng)掀和幕墻的抗風(fēng)壓檢測有一定相似性，都是利用在箱體中模擬風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值進行檢測，對桿件及面板的撓度限值實施判斷。主要區(qū)別在于抗風(fēng)掀每級的第三階段比幕墻抗風(fēng)壓的反復(fù)加壓檢測P2的波動周期更長，波動幅度更大，波動次數(shù)更多。且采用上下兩組箱體分別施加正負壓，更好地將壓力作用在試件內(nèi)外表面，分析試件安全性。加上其他設(shè)備還可測試試件諸如防水、隔聲、保溫、抗震等適用性和耐久性指標(biāo)。

4.1 試驗設(shè)備要求

設(shè)備應(yīng)由箱體、供風(fēng)系統(tǒng)、位移計、風(fēng)壓采集裝置組成。

4.2 實驗前準(zhǔn)備

①試件應(yīng)具代表性，宜為最不利板塊。②試件在箱體中需安裝牢固，箱體應(yīng)充分密封。③安裝完畢后應(yīng)靜置一段時間，待箱體內(nèi)溫度和室溫一致后方可進行實驗。

4.3 實驗中的要求

①上部箱體施加負壓，下部施加正壓，每級第三階段的波動周期為10±2S。因我國基本風(fēng)壓以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦的地面上離地10m高統(tǒng)計所得的50年（香港100年，澳門200年）一遇10min平均最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)，按基本風(fēng)壓=最大風(fēng)速的平方/1600確定的風(fēng)壓值。長期實踐表明，一次陣風(fēng)持續(xù)時間為2～3s，一次波動周期為8～10s。故該標(biāo)準(zhǔn)中第三階段10±2S的波動周期能很好模擬臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)的臺風(fēng)環(huán)境。②在檢測時壓力誤差不宜超過指定范圍，即實際壓力與設(shè)定壓力誤差不超過77.2Pa（15級時為49.8Pa），平均壓力與設(shè)定壓力誤差不超過62.2Pa（15級時為37.3Pa）。③每級波動結(jié)束后或定級檢測結(jié)束后都需開箱檢查記錄結(jié)果。④應(yīng)記錄試件的撓度變形。⑤在檢測階段，只有在設(shè)備發(fā)生滲漏時才可修理，否則不能進行。

5 抗風(fēng)掀性能檢測現(xiàn)狀

國內(nèi)早年主要是使用單風(fēng)機進行抗風(fēng)壓檢測，根據(jù)檁條和面板的撓度變形量判斷結(jié)構(gòu)安全性。也有針對T碼和直立鎖邊進行的拉拔實驗。但這些都不能很好模擬臺風(fēng)作用下的屋面受力情況，故GJG255-2012中的雙風(fēng)機檢測方法更符合屋面實際受力，為檢驗安裝效果及設(shè)計改進提供依據(jù)。

近年來的一些事故案例說明金屬屋面的抗風(fēng)掀檢測非常必要，但由于尚無規(guī)范強制規(guī)定，且無論建設(shè)方或施工方都出于成本考慮怠于此項目檢測。故筆者希望有關(guān)部門盡早重視屋面、采光頂、雨篷等上圍護結(jié)構(gòu)的檢測驗收。

6 結(jié)語

在國家大力倡導(dǎo)綠色建筑的大背景下，擁有輕質(zhì)、節(jié)能、造型美觀等優(yōu)秀性能的金屬屋面系統(tǒng)會被更廣泛地采用到更多的建筑當(dāng)中。但由于造型和結(jié)構(gòu)形式的不同會導(dǎo)致受風(fēng)壓影響的程度各異，故在設(shè)計時應(yīng)在美觀與安全性上找到平衡點，通過做金屬屋面抗風(fēng)掀實驗驗證屋面結(jié)構(gòu)形式的可靠性。

當(dāng)前國內(nèi)金屬屋面市場發(fā)展還遠不夠成熟，隨著一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的情況得到了改善，但只有完善驗收制度，把金屬屋面的相關(guān)性能檢測納入強檢范疇才能徹底規(guī)范整個行業(yè)，迎來良性競爭的新局面。

[1]吳永昌.金屬屋面結(jié)構(gòu)抗風(fēng)掀性能檢測技術(shù)研究[J].廣州建筑，2013，41（1）：35～41.

[2]謝杰華，別雪夢.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞及加固措施研究[J].長江大學(xué)學(xué)報（自科版），2015，12（4）：59～63.

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