直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

莫卓凱，賴燕德

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

金屬屋面是屋面板與水平方向夾角小于75°且不分擔(dān)建筑主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其主要由上部金屬面板與下部支承體系組成［1］。金屬屋面最早出現(xiàn)在歐式建筑中，現(xiàn)已有近90年的發(fā)展歷史，在國(guó)內(nèi)外的各類建筑中得到了廣泛應(yīng)用［2-4］。金屬屋面具有如下主要特點(diǎn)：①質(zhì)量輕；②基于金屬板及表面涂層的耐久性，耐老化、耐腐蝕好；③強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定；④防水性能良好且穩(wěn)定持久［5］；⑤有良好的可加工性，能滿足不同建筑的外觀需求；⑥外觀適用性廣，可以用于各種形狀的屋面結(jié)構(gòu)；⑦易于施工安裝［6］；⑧為綠色材料，金屬材料可回收循環(huán)利用。

隨著金屬屋面系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，各種與之相關(guān)的工程問題也不斷出現(xiàn)，其中最為多見的便是屋面風(fēng)致破壞、滲漏、腐蝕等問題。其中，金屬屋面風(fēng)致破壞造成的社會(huì)影響最為惡劣，經(jīng)濟(jì)損失最大。

直立鎖邊金屬屋面是目前工程中使用最為廣泛的金屬屋面之一。直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)因其新穎美觀、輕巧靈活的特點(diǎn)，在許多新建的體育場(chǎng)館、火車站等公共建筑的屋面圍護(hù)系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

1 直立鎖邊金屬屋面構(gòu)造介紹

直立鎖邊金屬屋面屬于咬合式屋面系統(tǒng)，主要構(gòu)造形式如圖1所示，直立鎖邊金屬屋面是由與下部支承檁條和上部金屬屋面板連接的T形碼支座、U形的金屬屋面板以及板下的多種構(gòu)造措施組成的金屬屋面系統(tǒng)的一種。其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、設(shè)計(jì)靈活、防水性能和抵御溫度應(yīng)力性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，因此其特別適合在大型公共建筑的屋面系統(tǒng)（尤其是大跨度的屋面系統(tǒng)）中采用［7-9］，并且倍受屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的青睞。工程中，直立鎖邊金屬屋面還經(jīng)常與其他屋面系統(tǒng)搭配使用。例如深圳市當(dāng)代藝術(shù)館與城市規(guī)劃展覽館內(nèi)層為直立鎖邊金屬屋面，外層為石材屋面；深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳內(nèi)層為直立鎖邊金屬屋面，外層為鋁板屋面。

圖1 直立鎖邊金屬屋面構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Standing Seam Metal Roof

2 直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

2.1 試件設(shè)計(jì)

屋面板選用0.9 mm厚直立鎖邊屋面鋁板；檁條選用規(guī)格為200 mm×76 mm×壁厚1.5 mm的鋼方管；固定座選用鋁合金T形碼固定座，截面高85 mm。選用6個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試件參數(shù)如表1所示。分區(qū)情況如圖2所示。

表1 設(shè)計(jì)試件參數(shù)Tab.1 Design Parameters of the Specimens

圖2 分區(qū)情況示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Partition（mm）

2.2 加載方式

對(duì)試件依次施加峰值為750 Pa（10次）、1 250 Pa（10次）、1 750 Pa（10次）、2 250 Pa（10次）、2 750 Pa（10次）、3 000 Pa（10次）、3 250 Pa（10次）、3 500 Pa（10次）、3 750 Pa（10次）、4 000 Pa（10次）、4 250 Pa（10次）、4 500 Pa（10次）的反復(fù)受荷檢測(cè)壓力差，直至試件損壞。3個(gè)區(qū)分別考察試驗(yàn)結(jié)果，1個(gè)區(qū)破壞后加固試件破壞區(qū)域，繼續(xù)進(jìn)行另2個(gè)區(qū)的試驗(yàn)，直到3個(gè)區(qū)均出現(xiàn)破壞。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)過程觀察，發(fā)現(xiàn)屋面板破壞多為T形碼固定座與屋面板連接處滑脫導(dǎo)致破壞。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，破壞情況如圖3所示。

圖3 試件破壞及安裝情況Fig.3 The Damage and Installation Situation of Specimen

從表2可知：①T形碼固定座間距增大，試件極限風(fēng)壓降低；②T形碼固定座長(zhǎng)度越大，試件極限風(fēng)壓越高。說明減小T形碼固定座間距，加長(zhǎng)T形碼固定座長(zhǎng)度可以有效地加強(qiáng)直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)揭性能。

表2 試件極限風(fēng)壓結(jié)果Tab.2 Extreme Wind Pressure Results

3 直立鎖邊金屬屋面帶外層裝飾鋁板屋面抗風(fēng)試驗(yàn)研究

3.1 試件設(shè)計(jì)

工程中，許多屋面系統(tǒng)為組合形式，內(nèi)層為直立鎖邊屋面，外層多為鋁板屋面。選取一個(gè)組合屋面試件進(jìn)行試驗(yàn)研究。直立鎖邊屋面板選用1.0 mm厚鋁鎂錳板；鋁板選用3.0 mm厚鋁單板；試件尺寸均為寬3 860 mm×長(zhǎng)5 700 mm；鋁鎂錳板分格尺寸為寬300 mm×長(zhǎng)5 500 mm；鋁板分格尺寸為寬1 000 mm×長(zhǎng)3 000 mm。試件安裝情況如圖4所示。

圖4試件安裝情況Fig.4 The Installation Situation of Specimen

3.2 加載方式

采用《強(qiáng)風(fēng)易發(fā)多發(fā)地區(qū)金屬屋面技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-148—2018》［10］中的抗風(fēng)揭檢測(cè)方法來進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.1 抗風(fēng)揭性能（動(dòng)態(tài)）

試驗(yàn)指標(biāo)：wd=7 230 Pa，W=1.4wd=10 122 Pa。

動(dòng)態(tài)加壓周期包括壓力上升和下降，壓力上升時(shí)間≤2 s，下降時(shí)間≤1 s，單個(gè)波動(dòng)周期應(yīng)≤3 s。

參照動(dòng)態(tài)負(fù)風(fēng)壓試驗(yàn)階段及風(fēng)壓載入比值，如圖5所示，從階段A開始，按順序完成各個(gè)階段的測(cè)試。各階段的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓加載比例如表3所示。

表3 動(dòng)態(tài)風(fēng)壓加載比例Tab.3 The Dynamic Wind Load Ratio

圖5 動(dòng)態(tài)風(fēng)壓加載示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Dynamic Wind Load

3.2.2 抗風(fēng)揭性能（靜態(tài)）

試驗(yàn)指標(biāo)：wd=7 230 Pa，W=1.6wd=11 568 Pa。

采取階梯式逐級(jí)加載，如圖6所示，每級(jí)保壓60 s，直至試件出現(xiàn)破壞失效為止。

圖6 靜態(tài)加載示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Static Load

3.3 試驗(yàn)結(jié)果（試件1）

3.3.1 抗風(fēng)揭性能（動(dòng)態(tài)風(fēng)壓）

按照?qǐng)D5、表3動(dòng)態(tài)負(fù)風(fēng)壓檢測(cè)階段及風(fēng)壓載入比值，從階段A開始，按順序完成各個(gè)階段的測(cè)試。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)現(xiàn)象如表4所示。

從表4可知，直立鎖邊面板根據(jù)風(fēng)壓荷載的變化而產(chǎn)生變形，風(fēng)壓越大，變形量越大，風(fēng)壓減小，變形量減小，變形最后可恢復(fù)至初始狀態(tài)。隨著風(fēng)壓幅值的變大，構(gòu)件連接處會(huì)產(chǎn)生響動(dòng)，風(fēng)壓幅值達(dá)到試件風(fēng)壓設(shè)計(jì)值時(shí)，由于面板變形量過大，試件局部出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致出現(xiàn)漏氣的尖銳聲音。

表4 動(dòng)態(tài)風(fēng)壓加載比例Tab.4 Dynamic Wind Pressure Loading Ratio

3.3.2 抗風(fēng)揭性能（靜態(tài)風(fēng)壓）

按照?qǐng)D5、表5，采取階梯式逐級(jí)加載，每級(jí)保壓60 s。加載到11 788 Pa時(shí)，試件發(fā)生損壞，直立鎖邊屋面板與固定座脫開。損壞情況如圖7所示。

表5 靜態(tài)加壓順序Tab.5 Static Pressurization Sequence

從圖7可知，直立鎖邊面板根據(jù)風(fēng)壓荷載的加大，變形增大，基本呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)。當(dāng)壓力超過風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值之后，變形加劇，最后屋面板與固定座脫開。

圖7 試件損壞情況Fig.7 The Damage Situation of Specimen

4 結(jié)論

本文通過直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)性能試驗(yàn)與直立鎖邊金屬屋面帶外層裝飾鋁板屋面抗風(fēng)試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

⑴直立鎖邊金屬屋面破壞多為屋面板與固定座滑脫破壞。

⑵T形碼固定座間距越大，直立鎖邊金屬屋面強(qiáng)度越低。

⑶T形碼固定座長(zhǎng)度越大，直立鎖邊金屬屋面強(qiáng)度越高。

⑷在受風(fēng)情況下，直立鎖邊面板根據(jù)風(fēng)壓荷載的加大，變形增大，在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載值以內(nèi)的變形可以恢復(fù)，為彈性變形。

⑸減小T形碼固定座間距，加長(zhǎng)T形碼固定座長(zhǎng)度可以有效地加強(qiáng)直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)性能。