大型鋼結(jié)構(gòu)廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)防滲漏技術(shù)研究

黃奇斌 李安政 張 濤 潘祥健 程玉松

鋼結(jié)構(gòu)因具有施工效率高、外形簡潔、污染小、材料可循環(huán)利用等優(yōu)勢，逐步取代了部分大跨度混凝土結(jié)構(gòu)。但是從實(shí)際情況來看，如今的鋼結(jié)構(gòu)建筑正面臨著鋼結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展、圍護(hù)結(jié)構(gòu)原地踏步的窘境。尤其屋面滲漏問題已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨的主要問題。本研究針對鋼結(jié)構(gòu)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏問題展開探討，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)與施工環(huán)節(jié)出發(fā)，全面闡述鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)防滲漏技術(shù)，對于提高工程質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

項(xiàng)目位于滁州市瑯琊區(qū)，名稱為滁州市瑯琊區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)園一期項(xiàng)目，屬于大型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房。項(xiàng)目總建筑面積15.06 萬m2，其中鋼結(jié)構(gòu)建筑面積10.09 萬m2，混凝土結(jié)構(gòu)建筑面積4.97 萬m2。項(xiàng)目計(jì)劃開工時(shí)間為2022 年7 月1 日，計(jì)劃竣工時(shí)間為2023 年6 月25 日。項(xiàng)目由門式鋼結(jié)構(gòu)主廠房和構(gòu)架砼結(jié)構(gòu)小單體組成，其中電池車間的建筑面積約9.8 萬m2，平面尺寸為603 m×163 m[1]。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏原因

2.1 屋面材料熱脹冷縮產(chǎn)生殘余應(yīng)力

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水分傳輸與結(jié)構(gòu)裂縫形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、外部荷載存在直接關(guān)聯(lián)。如果溫差較大，屋面鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拖曳、拉動情況將更明顯，致使屋面鋼結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生破壞、緊固件松動、裂縫問題。因?yàn)闇夭钭兓摻Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力變形關(guān)系計(jì)算公式為：

式中：a為鋼結(jié)構(gòu)溫差所產(chǎn)生的線脹系數(shù)；ΔT為鋼結(jié)構(gòu)單位溫度變化；ΔL為物體的線長變化率；L為材料收縮長度[2]。

假設(shè)廠房屋面夾滑移的最大值為70 mm，通過計(jì)算后屋面單坡長度可達(dá)83 m。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)出兩個(gè)固定端與一個(gè)自由端能夠?qū)崿F(xiàn)面板的相對自由移動。本工程的屋面較長，根據(jù)滁州市的氣候條件以及溫度變形應(yīng)力要求，采用預(yù)打孔技術(shù)設(shè)計(jì)屋面結(jié)構(gòu)能夠一定程度上消除溫度變形應(yīng)力。

2.2 雨荷載作用

強(qiáng)雨降落是圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滲漏問題的主要原因之一。雨滴的自由落體運(yùn)動因?yàn)槭苡甑沃睆?、空氣阻力、自身加速度等因素影響，在下落過程中很容易產(chǎn)生破碎合并現(xiàn)象[3]。同時(shí)，雨滴速度會隨著雨滴合并后的直徑與質(zhì)量增加而加快。不同降雨強(qiáng)度下的雨滴直徑與雨滴終點(diǎn)速度如表1所示。

表1 不同降雨強(qiáng)度下的雨滴直徑與雨滴終點(diǎn)速度

雨滴對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊力度變化受很多因素影響，運(yùn)動中的雨滴與剛性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞后在階段時(shí)間內(nèi)變化為0，二者之間的相互作用力遵循牛頓第二定律，由此可得動量定理：

式中：v為雨滴加速度；m為質(zhì)量；z為雨滴與剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面碰撞的瞬間速度；f(t)為單個(gè)雨滴撞擊力矢量。

2.3 風(fēng)荷載作用

風(fēng)荷載是風(fēng)對建筑物的動力作用。在風(fēng)荷載作用下，建筑物四周表面產(chǎn)生的壓力、吸力使得建筑迎風(fēng)面空氣壓力大于大氣壓而產(chǎn)生壓強(qiáng)。在較高風(fēng)速中產(chǎn)生的壓力或吸力會對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響[4]。如果建筑物的立面、側(cè)面、背面與屋頂持續(xù)受空氣強(qiáng)大氣流時(shí)會對建筑外飾面以及維護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載作用與基本風(fēng)壓值存在關(guān)聯(lián)，以《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205—2020）為參照，得到建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)，如表2 所示。

表2 風(fēng)荷載相關(guān)系數(shù)

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；ρgz為圍護(hù)結(jié)構(gòu)陣風(fēng)系數(shù)；us為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；uz為風(fēng)荷載體型系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)防滲漏技術(shù)

3.1 鋼結(jié)構(gòu)屋面形式的選擇

本項(xiàng)目的鋼柱柱腳為剛接柱腳，有3 種類型，分別為外露式、外包式和杯口式。外露式相對簡單，施工最快，但外包式和杯口式在設(shè)計(jì)上對鋼接更有利。外包式的柱腳需要把地腳螺栓埋置承臺內(nèi)部，不易操作且施工工序復(fù)雜。杯口式需要提前預(yù)留杯口，二次澆筑施工難度較大。項(xiàng)目部通過查詢規(guī)范和綜合分析工程的實(shí)際情況后，采用三山形式以及單山形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三山形式的優(yōu)點(diǎn)在于屋面匯水面積較小，排水更加及時(shí)，效率也更高。但是該設(shè)計(jì)形式需要在屋面設(shè)置內(nèi)天溝，破壞了面板連續(xù)性[5]。強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)雨侵襲時(shí)，天溝埋處存在極大的滲透隱患。天溝拼接處如果留有焊穿孔或遇到落水口堵塞問題，將面臨巨大的漏水威脅。滁州市的降水量較為豐富，需要盡可能避免此類問題。

單山形式的優(yōu)點(diǎn)在于廠房的屋脊到檐口部分能夠利用一張完整的彩板進(jìn)行鋪裝。彩板之間只存在橫向鉸邊搭接，不存在橫向拼接情況。由于屋面面板形成統(tǒng)一整體的情況使得破孔問題幾乎不存在。同時(shí)，搭配外掛天溝的形式，除非遇到特大暴雨、狂風(fēng)，幾乎不存在屋面漏水的可能性。單山形式的缺點(diǎn)在于要求屋面板型必須是鉸邊搭接的板型，在運(yùn)輸安裝過程中會遇到一定的安全問題。經(jīng)過綜合對比后將屋面設(shè)計(jì)為單山形式，面板采用360°閉合式鉸邊板。綜合工程實(shí)際情況后，屋面泄水坡度數(shù)值取5%。板檁條的連接主要采用固定座進(jìn)行連接，不僅能使彩板滑動，還能減少因溫差變化引起的形變問題[6]。

3.2 屋面排水天溝

屋面排水天溝一般分外掛天溝和內(nèi)天溝。前者成本較低，主要由彩板折壓而成，基本不會造成屋面漏水，對防水性要求也較低。后者的成本較高，主要由鋼板或不銹鋼板折壓而成，一旦出現(xiàn)天溝漏水問題則很容易對廠房使用造成影響，對防水性要求也較高。因此，廠房屋面排水盡可能選擇外掛天溝。廠房大多數(shù)檐口采用了外掛彩板天溝結(jié)合泛水擋板防止向廠房內(nèi)溢流（圖1），但是因?yàn)閺S房部分檐口存在女兒墻，因此只能利用內(nèi)天溝進(jìn)行排水（圖2）。雖然部分檐口采用的是內(nèi)天溝設(shè)計(jì)，但是因?yàn)榭拷厜?，即便出現(xiàn)漏水問題影響也較小。

圖1 外掛天溝（來源：網(wǎng)絡(luò)）

圖2 內(nèi)天溝（來源：網(wǎng)絡(luò)）

內(nèi)天溝可采用鋼板天溝、鍍鋅板天溝和不銹鋼天溝。鋼板天溝主要由鋼板折壓成型。天溝所處位置的特殊性，使其常年處于日照、雨淋環(huán)境中，對于天溝外層的油漆防腐性能要求較高。鍍鋅板天溝需要焊接，導(dǎo)致天溝搭接處的鍍鋅層被破壞，極易出現(xiàn)腐蝕問題；不銹鋼天溝與氬弧焊搭接后，將不銹鋼板折壓成型后即可使用。因?yàn)槠浒惭b便捷還耐腐蝕，本工程主要采用不銹鋼內(nèi)天溝[7]。也可以采用奧氏體不銹鋼制作，但是因?yàn)槠鋬r(jià)格較高，可與鐵素體不銹鋼搭配使用。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處理

本文主要從廠房屋脊處、天溝處、山墻泛水收邊、氣樓根部及窗洞口幾方面進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處理。

1）屋脊處。廠房屋脊處是最容易產(chǎn)生滲漏問題的部分。一般情況下，屋脊帽蓋膠泥出現(xiàn)裂縫或螺釘擴(kuò)孔是產(chǎn)生滲漏的主要原因。為了防止雨水倒流，將屋面板端部板谷上折70°～85°。另外，堵頭鋪設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)其與屋面板之間的契合度，對于屋脊帽蓋、彩板間等部分需要鋪設(shè)堵頭。屋脊帽蓋部分可以利用固定拉釘形式自由跟隨面板伸縮變形。在檀條、彩板、堵頭與鋁拉釘有效結(jié)合的前提下，能夠有效減少擴(kuò)孔問題。屋脊帽蓋在鋁拉釘位置打上硅酮膠，搭接位置打不干膠泥，填充縫隙，確保滲漏問題得以解決。

2）天溝處。截面落水管排水能力不強(qiáng)、搭接縫隙較大、落水口堵塞是天溝漏水的主要原因。外天溝層面，為了減少向內(nèi)溢流問題，外邊緣高度應(yīng)低于內(nèi)邊緣高度。檐口處應(yīng)設(shè)置泛水擋板，使溝滿后能夠向外溢流。內(nèi)天溝層面，因?yàn)槠洳馁|(zhì)與施工工藝與外天溝存在差別，因此應(yīng)從落水管管徑、截面參數(shù)等方面精確計(jì)算。

3）山墻泛水收邊。泛水板規(guī)格與彩板不適配、泛水板寬度不滿足要求是山墻處漏水的主要原因。因此，鋪設(shè)泛水板時(shí)應(yīng)確保泛水板寬度在屋面板的波峰上。泛水板搭接位置打不干膠泥與鋁拉釘[8]。泛水板與彩板主要利用丁基橡膠防水密封帶粘接。鋁拉釘位置打硅酮膠。

4）氣樓根部。雨水倒流、膠泥開裂和螺釘處擴(kuò)孔是氣樓根部滲漏的主要原因。該節(jié)點(diǎn)的防滲漏方法可采用以下方式：敷設(shè)泛水板及彩板，并將彩板上折70°～85°，確保堵頭形狀與屋面板形相吻合。

5）窗洞口。對于窗口部分來說，磚墻頂部與墻梁的窗洞口是廠房窗洞口的主要節(jié)點(diǎn)[9]。安裝窗戶時(shí)應(yīng)首先安裝窗戶四周包邊，并實(shí)現(xiàn)對窗戶周邊的完全密封處理。密封操作完成后制作泛水構(gòu)件，打2 道自攻螺釘與密封膠。安裝泛水件前，需要重點(diǎn)檢查泛水件端部尺寸，確保其能夠滿足節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。安裝泛水件搭接口時(shí)，應(yīng)設(shè)置雙面膠條。

4 結(jié)語

本文以滁州市瑯琊區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)園一期項(xiàng)目為例，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏原因并針對性提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)防滲漏技術(shù)，得出以下結(jié)論：第1，屋面材料熱脹冷縮產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、風(fēng)荷載、雨荷載是破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要因素；第2，單山形式對于鋼結(jié)構(gòu)屋面適配性較強(qiáng)；第3，廠房大部分檐口采用外掛天溝，緊貼女兒墻部分采用內(nèi)掛天溝形式；第4，屋脊處、天溝處、山墻泛水收邊、氣樓根部及窗洞口是主要的滲漏節(jié)點(diǎn)，也是防滲漏措施的主要關(guān)注點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)2 種類型，在實(shí)際工程建設(shè)期間很容易出現(xiàn)滲漏問題。防滲漏技術(shù)的良好應(yīng)用能夠有效提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防滲漏效果，提高工程質(zhì)量。