大型場館金屬屋面抗風(fēng)性能檢測與研究

梁子康，楊皓東，劉 詠，劉 紅

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥 230601；2.合肥建工集團(tuán)有限公司，合肥 230088；3.合肥建工裝飾工程有限責(zé)任公司，合肥 230088）

金屬屋面系統(tǒng)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、設(shè)計新穎、造型獨特等優(yōu)點，有學(xué)者對金屬屋面和異形幕墻的施工技術(shù)進(jìn)行了研究[1-4]。但是在實際工程的應(yīng)用中，由于設(shè)計階段的考慮不充分，或不規(guī)范施工導(dǎo)致的質(zhì)量問題，部分金屬屋面工程在風(fēng)荷載作用下，出現(xiàn)了風(fēng)揭事故。因此，相關(guān)學(xué)者對金屬屋面的抗風(fēng)性能進(jìn)行了較為深入的研究：陶照亮[5]等采用室內(nèi)加壓的方式，來檢測鋁板、螺絲與T 型支托對金屬屋面系統(tǒng)的加固效果；邵雷[6]采用沙袋堆載的方式來模擬風(fēng)荷載，對蜂窩鋁屋面板在風(fēng)吸荷載作用下的破壞形式和承載能力進(jìn)行了研究，并結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境和數(shù)值風(fēng)洞模擬，分析現(xiàn)場施工質(zhì)量對屋面板的承載力的影響，王靜峰[7，8]考慮了金屬屋面板在風(fēng)吸力作用下的應(yīng)變分布規(guī)律；秦國鵬等[9]將強(qiáng)力引風(fēng)機(jī)對鋁合金屋面系統(tǒng)進(jìn)行的抗風(fēng)性能測試結(jié)果，并使用ABAQUS 進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析，并對卷材屋面系統(tǒng)和金屬屋面系統(tǒng)進(jìn)行抗風(fēng)揭實驗；朱曉華等[10]與美國的FM實驗室的實驗結(jié)果進(jìn)行了對比，對測試結(jié)果和計算值之間的關(guān)系以及中美兩國相關(guān)建筑規(guī)范中的風(fēng)速、風(fēng)壓的換算關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充說明；于敬海、董彪等[11，12]對金屬屋面的設(shè)計和抗風(fēng)承載力節(jié)點進(jìn)行試驗研究。上述學(xué)者在該領(lǐng)域的探索對金屬屋面抗風(fēng)性能檢測方法具有良好的參考價值，但是國內(nèi)對于金屬屋面在抵抗綜合風(fēng)壓的性能研究、施工質(zhì)量對抗風(fēng)性能的影響還有不足的地方。

《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》中采用的方法是通過引風(fēng)機(jī)對完全密閉狀態(tài)下的金屬屋面板加壓的方式來模擬風(fēng)荷載[13]，執(zhí)行該方法需要專門的引風(fēng)加壓設(shè)備，和工作承臺，實施起來有較大的困難；同時該方法雖然可以模擬動態(tài)風(fēng)荷載，但是整個實驗過程是在實驗構(gòu)件完全密封的前提下進(jìn)行，因此很難發(fā)現(xiàn)在實驗過程中出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象；而且實驗構(gòu)件的具體尺寸大小會受到加壓設(shè)備規(guī)格的限制，需要將實驗構(gòu)件制作成矩形，和工程的實際構(gòu)造不同，無法在最大程度上模擬出異形建筑在抵抗風(fēng)揭破壞時的受力特性。

1 實驗背景

滁州市天長市全民健身中心體育場的金屬屋面外形復(fù)雜，呈環(huán)形切割鉆石狀，該項目為大型敞口式的露天體育場（工程效果圖和平面圖見圖1、圖2），總建筑面積47 000 m2，建筑層數(shù)地上3層，體育場結(jié)構(gòu)東西縱向長度約213 m，南北橫向長度約243 m，鋼結(jié)構(gòu)最大標(biāo)高33.445 m。本工程將整個屋面劃分為20個單元（每個單元分為16片屋面龍骨架和4片立面龍骨架）。

圖1 體育場效果圖

圖2 體育場平面圖

本文以滁州市天長市全民健身中心體育場項目的金屬屋面工程為背景，以體育場屋面結(jié)構(gòu)的檁條龍骨鋼架和屋面金屬鋁板為實驗對象，采用沙袋堆載的方式，用靜載來模擬風(fēng)荷載垂直作用于面板的工況，從而達(dá)到檢測該金屬屋面的抗風(fēng)揭性能的目的。

2 實驗概況

2.1 試件設(shè)計

實驗選取構(gòu)件的結(jié)構(gòu)構(gòu)造完全按照體育場屋面工程實際施工工藝1:1制作。該區(qū)域的單元屋面板均為三角形，為了更加真實的反映受力情況，實驗構(gòu)件造型也選擇三角形。實驗構(gòu)件與圖2 體育場平面圖紅色部分的結(jié)構(gòu)構(gòu)造完全相同。

屋面板采用3 mm 鋁單板，檁條龍骨鋼架采用50 mm×50 mm×3.75 mm 的熱浸鍍鋅方管，龍骨架采用焊接的方式進(jìn)行連接，并在焊接后對焊縫進(jìn)行噴漆處理，鋁板與檁條龍骨架之間采用角碼和自攻螺絲連接，鋁板背面的加強(qiáng)肋樣式為c 型鋁條，用種釘和螺帽固定。以實驗構(gòu)件的3 個頂點作為支撐點，焊接鍍鋅方管作為支撐立柱，實驗構(gòu)體整體面積約3.5 m2，單塊鋁板面積約為0.85 m（2單塊設(shè)計見圖3（b）且四塊板尺寸相同，圖4為實驗構(gòu)件）。

圖3 實驗構(gòu)件尺寸示意圖

圖4 實驗構(gòu)件成品

2.2 理論計算

2.2.1 風(fēng)荷載計算

根據(jù)《建筑荷載規(guī)范》GB50009-2012,計算ωk=βgzμslμzω0，其中：ωk表示風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；βgz為B類，采用線性插值法，高度31.8 m 處的陣風(fēng)系數(shù)取1.5864；μsl表示風(fēng)荷載局部體形系數(shù)。該建筑呈環(huán)形切割鉆石敞口狀，規(guī)范中沒有此類形狀的風(fēng)荷載體型系數(shù)的規(guī)定，所以在荷載計算時，根據(jù)《天長市全民健身中心——體育場風(fēng)洞動態(tài)測壓試驗報告》確定最不利體型系數(shù)μsl為-1.32、2.2，μz采用線性插值法，取1.4134，ω0基本風(fēng)壓（kN/m2）（本實驗取100年重現(xiàn)期0.45 kN/m2），這里

2.2.2 面板理論位移計算

根據(jù)《JGJ255-2012 采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》要求規(guī)范中方法是采用幾何非線性的有限元方法對單層三角形金屬平板每區(qū)格的跨中撓度進(jìn)行計算：

其中：df—荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值作用下?lián)隙茸畲笾?；μ—撓度系?shù)，取0.4；qk—垂直于面板荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值；lx—鋁單板區(qū)間邊長；t—板的厚度；D—板的彎曲剛度；ν—泊松比，取0.3；E—彈性模量；η—折減系數(shù)，取0.4。

將2.2.1 中100%正、負(fù)向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值帶入2.2.2 公式，得出鋁單板在該工況作用下位移值29.85 mm、17.91 mm。

2.2.3 有限元模擬

屋面板的模擬位移值需要借助SAP2000軟件進(jìn)行相應(yīng)的計算。在建模過程中，將實驗構(gòu)件的三個支撐點定為鉸接支座；在鋁板和龍骨架連接處釋放所有約束的自由度，龍骨架和鋁單板做為一個整體共同工作。建模時將板厚設(shè)置為3 mm，將龍骨架的截面設(shè)置為50 mm×50 mm×3.75 mm的方管（暫不考慮加強(qiáng)肋的設(shè)置），并將各個邊按間距350 mm 等分；建模完畢后，分別施加2.2.1 中相應(yīng)均布荷載。（位移云圖見圖5。模擬位移見表1，模擬節(jié)點位置見圖3（a）紅色數(shù)字。）

表1 100%風(fēng)荷載作用模擬位移值

圖5 位移云圖

在100%正、負(fù)向風(fēng)荷載作用下，板位移最大值處于實驗構(gòu)件中間位置，最大值44.5 mm、31.1 mm，龍骨位移最大位置處于三角形最長邊的中間位置，最大位移43.1 mm、32.5 mm。

2.3 實驗簡述

該項目結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，大跨度敞口式屋面不可能只受到單一方向的正向風(fēng)荷載或負(fù)向風(fēng)荷載，而屋面以負(fù)向風(fēng)荷載為主。因此在加載時，先在屋面正面逐級均勻地堆加沙袋（每袋沙袋為10 kg），以此來模擬正向風(fēng)荷載；正向風(fēng)荷載施加完畢后靜置10 min后，卸載并將整個實驗構(gòu)件翻轉(zhuǎn)過來，此時實驗構(gòu)件的放置與工程實際的構(gòu)造相反，即屋面板在下，檁條龍骨鋼架在上，將沙袋均勻地堆積在屋面板反面，以此來檢測在極端狀況下，屋面板的抗風(fēng)揭能力。

本實驗采用分級加載的方式進(jìn)行加載。為了盡可能真實的模擬風(fēng)荷載，在實驗過程中需要盡可能的保證沙袋均勻地堆加在面板上，同時在實驗構(gòu)件下方需預(yù)墊支一個支撐物，防止傾覆，見圖6。

圖6 沙袋堆載圖

第一組實驗在施加正向風(fēng)荷載時，將施加的荷載分為10%、30%、60%、90%、100%、120%（正向風(fēng)荷載施加至30%時，表面鋪滿），施加負(fù)向風(fēng)荷載時，將施加的荷載分為20%、40%、60%、80%、100%、120%（負(fù)向風(fēng)荷載施加至40%時，表面鋪滿）。每級荷載施加完畢后需靜置10 分鐘，并記錄當(dāng)前位移值。

第二組實驗的正負(fù)向風(fēng)荷載加載方式與第一組實驗相同。

但考慮到還需檢測該構(gòu)件的極限抗風(fēng)揭性能，第二組實驗在施加至標(biāo)準(zhǔn)值的120%后，在該組實驗基礎(chǔ)上，繼續(xù)按150%、180%、200%來堆加沙袋，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時，將不再繼續(xù)施加荷載，即停止該組實驗的荷載施加。

2.4 設(shè)備選用及測點布置

實驗采用DH3818Y 靜態(tài)應(yīng)變測試儀采集實驗過程中的數(shù)據(jù)，自復(fù)位式彈簧位移傳感器進(jìn)行位移監(jiān)測，為了提高位移計在測量時的精確度，在凹凸不平的位置鋪設(shè)了強(qiáng)度較大的鋼片，保證構(gòu)件和位移計處于水平位置，提高測量精度,見圖7所示。

圖7 實驗設(shè)備圖

第一組實驗將位移計布置在三個鋁單板的中心位置，監(jiān)測單塊面板的撓度變形。

第二組實驗將位移計布置在實驗構(gòu)件的中心位置，中間位置的龍骨架檁條的中心及三角形龍骨架檁條最長邊的中心位置，監(jiān)測龍骨和構(gòu)件中心部位鋁單板的撓度變形。（位移計布設(shè)位置和布設(shè)方式見圖8）

圖8 測點布設(shè)圖

3 實驗結(jié)果和對比分析

3.1 面板分析

3.1.1 正風(fēng)向荷載階段

（1）在正向加載至120%時，面板仍處于彈性變形階段。第一組實驗在100%正向風(fēng)荷載作用下（詳細(xì)位移結(jié)果見表2、表3），鋁單板最大位移29.4 mm，平均位移27.93 mm，理論計算位移為29.85 mm，二者相差6.4%；在120%時，最大位移為33.9 mm，平均位移32.13 mm；圖9、圖10 曲線在最后100%至120%階段的斜率沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折變化。根據(jù)表2、表3 所示，在100%正向風(fēng)荷載作用下，板位移值均在30 mm以內(nèi)。

表2 第一組正向風(fēng)荷載作用下位移值

表3 第二組正向風(fēng)荷載作用下位移值

圖9 第一組正向風(fēng)荷載位移圖

圖10 第二組正向風(fēng)荷載位移圖

（2）圖9、圖10 位移曲線雖有“階梯”現(xiàn)象，但面板仍處于彈性變形階段。在表2 當(dāng)荷載等級從0 加載至10%、90%加載至100%時，兩個階段的荷載變化量僅為10%，屋面板的平均位移變化量為0.53 mm、0.16 mm，因此圖9 中該階段的位移曲線圖有“階梯”部分；當(dāng)荷載等級從30%加載至60%時，此階段的屋面板平均位移變化量為3.96 mm，當(dāng)荷載等級從60%加載至90%時，此階段的屋面板平均位移變化量為12.8 mm，這兩個階段的荷載變化量相同，但是板的平均變化量不同，此時為正向風(fēng)荷載的90%，結(jié)合鋁板的材料力學(xué)性能，未達(dá)到鋁單板的屈服應(yīng)力，屋面板還具有較大彈性，處于彈性階段，可承載較大的荷載；同時，屋面板底部配有兩根加強(qiáng)肋板，進(jìn)一步增強(qiáng)了屋面板抵抗正向風(fēng)荷載的能力。在該工況下，工程設(shè)計的安全度是可靠的。

3.1.2 負(fù)風(fēng)向荷載階段

（1）在120%負(fù)向風(fēng)荷載作用下，屋面板處于彈性階段。結(jié)合圖11、圖12 曲線整體趨勢，第一組和第二組實驗在施加到120%負(fù)向風(fēng)荷載過程中，位移變化曲線整體近似呈直線形，表明此時還未達(dá)到實驗構(gòu)件的極限承載力。

圖11 第一組負(fù)向風(fēng)荷載位移圖

圖12 第二組負(fù)向風(fēng)荷載位移圖

（2）在120%負(fù)向風(fēng)荷載作用下工程結(jié)構(gòu)是安全的，變形使用功能滿足規(guī)范要求。第一組實驗中3個測點與平均值差距不超過3.63 mm，3 個板測點最大位移29 mm，平均位移25.37 mm（詳細(xì)位移結(jié)果見表4），小于《JGJ255-2012采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》中所規(guī)定的L/60（該構(gòu)件的面板極限值為32.69 mm，其中L為跨距），工程設(shè)計是滿足要求的。節(jié)點位置的焊縫完好無損，連接屋面鋁板和檁條龍骨架的螺絲此時沒有被拉壞。

表4 第一組負(fù)向風(fēng)荷載作用下位移值

（3）負(fù)向風(fēng)荷載超過150%后，屋面板系統(tǒng)開始進(jìn)入破壞階段。荷載等級從150%加載至180%的過程中，圖12位移曲線在該階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，斜率從13.43增長至29.57（詳細(xì)位移結(jié)果見表5）；整個實驗構(gòu)件開始發(fā)出“咔咔”的響聲，表明構(gòu)件此時已進(jìn)入破壞階段，此時屋面結(jié)構(gòu)雖未破壞，但是屋面的使用功能已遭到破壞。在180%風(fēng)荷載作用下，中間鋁板的位移（5 號測點）達(dá)到39 mm，已超過構(gòu)件的面板極限值L/60。

表5 第二組負(fù)向風(fēng)荷載作用下位移值

3.2 龍骨、自攻螺絲分析

（1）在超過150%負(fù)向風(fēng)荷載作用下，龍骨進(jìn)入破壞階段。第二組實驗的負(fù)向風(fēng)荷載階段，由于整個構(gòu)件處于倒置狀態(tài)，此時鋁單板將所有受到的荷載通過螺絲傳遞給龍骨架，當(dāng)負(fù)壓的荷載等級加載至150%時，連接鋁板的螺絲還未破壞，檁條還沒有出現(xiàn)明顯的撓度變形，此時屋面鋁板的位移值為29.3 mm，尚處于安全范圍內(nèi)。加載至180%時，最長的檁條龍骨鋼架出現(xiàn)明顯的撓度變形，豎向位移已經(jīng)達(dá)到38.2 mm。

（2）自攻螺絲和角碼是控制面板和龍骨共同變形的關(guān)鍵。荷載卸載完畢后，鋁板和檁條龍骨架之間已有被拉開的跡象，二者不再緊密貼合；同時部分角碼和螺絲固定的連接點也有被拉開的跡象，但是各個螺絲、角碼并未破壞，未出現(xiàn)脫落、破損的現(xiàn)象。（角碼配置見圖3b）

自攻螺絲的直徑為4.8 mm，間距350 mm，單塊鋁板有13 個螺絲。當(dāng)荷載等級加載至180%時，此時風(fēng)荷載約為2.4 kN/m2，經(jīng)計算

此狀態(tài)下單個螺絲承受的剪力

結(jié)合該狀態(tài)下螺絲的工作狀態(tài)和變形情況，自攻螺絲的設(shè)計是安全的。

3.3 實測值、理論計算值與模擬值對比分析

（1）正、負(fù)風(fēng)荷載作用下，實測值和計算值的擬合性較好。結(jié)合表6、表7，在經(jīng)歷100%負(fù)向風(fēng)荷載的作用后，中心位置的實測值和計算值誤差為12.8%，并且在該作用下的實測值均大于計算值，1、2、3 測點平均誤差為14.83%。經(jīng)過正向風(fēng)荷載的加載后，屋面板還未破壞，但是也有一定的損傷。

表6 100%正向風(fēng)荷載工況下鋁板位移對比

表7 100%負(fù)向風(fēng)荷載工況下鋁板位移對比

（2）加強(qiáng)肋可以有效地增強(qiáng)板的抗風(fēng)性能。在正、負(fù)向風(fēng)荷載作用下的模擬值和實測值的相差21.52%、20.6%，最大相差33.9%、35.7%。由于鋁單板背面設(shè)置了兩條加強(qiáng)肋，限制了鋁單板的撓度變形，使實測值小于模擬值。

（3）2號測點所在鋁板為最不利工作狀態(tài)。中心部位的鋁板（2號測點）距離支座較遠(yuǎn)，因此該點的位移模擬值大于靠近支座的鋁板（1 號、3 號測點）位移模擬值。（表6、表7 為實測值、理論計算值、模擬位移值位移對比，實驗破壞圖見圖13）

圖13 破壞形態(tài)圖

4 結(jié)論

以天長市全民健身中心體育場金屬屋面為研究對象，使用沙袋堆載法，對金屬屋面先后施加正、負(fù)向風(fēng)荷載的方式來檢測其抗風(fēng)性能，并得到以下結(jié)論：

（1）將材料的極限抗風(fēng)壓數(shù)值設(shè)置在120%之內(nèi)是偏向安全的。施加120%正風(fēng)壓值后，繼續(xù)施加超過150%負(fù)風(fēng)壓值，該工程的金屬屋面系統(tǒng)會進(jìn)入破壞階段。在這兩種工況下的面板最大變形值超過了規(guī)范規(guī)定值。在設(shè)計階段可將安全系數(shù)設(shè)置為120%。

（2）自攻螺絲數(shù)量和分布是抵抗風(fēng)揭破壞的重要因素。實驗中的金屬屋面板結(jié)構(gòu)在抵抗風(fēng)揭作用時，主要以自攻螺絲為主。因此在施工時，必須保證各連接部位處的自攻螺絲的施工質(zhì)量，以此確保金屬屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)揭性能。

（3）本文中采用的實驗方法具有較好的合理性和實操性。本方法和規(guī)范中采用的引風(fēng)加壓的方法不同，通過靜載的方式模擬風(fēng)荷載，同樣可以實現(xiàn)檢測金屬屋面抗風(fēng)揭性能的目的。實施該方法不受場地和機(jī)械設(shè)備等限制，可以在施工現(xiàn)場進(jìn)行檢測。

（4）實驗中使用的模型構(gòu)件為三角形，符合工程實際，可以反映金屬屋面真實的受力情況，但是該金屬屋面在動荷載作用下的破壞情況還有待研究。