金属屋面系统的设计与应用

金属屋面系统的设计与应用

摘要：我们以某航站楼与某火车站金属屋面风损后的加固方案，简单阐述金属屋面系统的设计与应用。

关键词：金属屋面、设计、应用

一、某机场金属屋面风损后加固案例

1、某机场航站楼金属屋面风损后提高风承载力

某机场航站楼建在渤海湾边，屋面面积大，达4万m2，其中大厅屋面约为2万m2，屋面从南向北呈70向上延伸；幕墙外悬挑宽31m，悬挑屋面最高处达42m。屋面面板为铝镁锰合金的暗扣式压型板。风荷载对屋面产生较大的负压，大厅屋面局部区域自2007年12月到2008年12月先后多次被破坏。为了分析屋面板在风荷载作用下的破坏机理和在屋面板T码上施加锁夹对屋面板抗风压承载力的影响，以防止再次破坏，进行了抗风承载性能试验，该试验也可供类似大型场馆金属屋面加固时参考。

1.1试验及试件

试验根据机场航站楼挑檐部分屋面的有关参数制作试件，试件长6330mm、宽3 100mm，纵向设置檩条，檩条间距750mm。共设置3根檩条，檩条的截面为“[ ]”状双卷边槽形口对口C180x70x20x2.0，上铺65/333型0.6mm厚镀铝锌面板，面板周边与对口进行密封焊接，密封用底板厚度4mm，底板上设置两道加劲肋，间距1000 mm。试验所用镀铝锌面板以及T码等安装配件，均从现场运至上海，由现场施工人员在试件上安装。试件分3种，试件1为屋面T码上全部施加锁夹，试件2为锁夹在有T码的位置交错布置，试件3为T码位置不设锁夹。试件2和试件3，分别是在试件1的基础上去掉部分和全部锁夹后依次进行试验。

1.2试验过程

在试验初期，3个试件皆表现为板肋间的面板呈现鼓起变形。随着压力的逐渐增大，板肋间的面板鼓起变形逐渐增大，板肋和锁夹并未随面板的鼓起而倾斜，变形不明显。当升压到最大值时，在稳压5min的过程中，观察到压型板咬合部位和板面变形正常，受力完好，并未发生破坏。3个试件所加压力的最大值分别为7.8kN/m2、7.7kN/m2、7.6kN/m2，面板变形状态如图1所示：

图1

在对试件3进行试验时，镀铝锌面板当加压到7.9kN/m2时，局部面板与T 码脱开上拱，产生了不可恢复的塑性变形，屋面板被破坏，如图2所示：

图2

上述的破坏试验表明，屋面系统的薄弱区在屋面板与T码的咬合处。破坏时面板与T码脱开上拱，然后带动其他位置的屋面板一起拱起，致使屋面板最终被撕裂而破坏。表1列出了试验得到的镀铝锌面板与T码咬合部位最大抗力值R数据。

表1

1.3试验结果

1.3.1 3个试件的试验研究表明，屋面系统的薄弱区在屋面板与T码的咬合处，其破坏形态如上所述。

1.3.2 65/333型(0.6mm厚)镀铝锌面板上施加锁夹，可提高试件的抗风承载力，且随锁夹布置密度的增大而增大。

1.3.3 加固所选用的65/333型(0.6mm厚)镀铝锌面板，可满足该航站楼屋面抗风设计要求。考虑该航站楼挑檐部分其他各种不利因素的影响，采取在屋面板T码处交错布置锁夹的加固措施，以增大其屋面的抗风承载力。

二、某火车站金属屋面设计因风压偏低而加固

屋面系统角部设计风压偏低，易发生屋面被掀翻的可能，需要加固。经计算复核，火车站金属屋面在角部部位的100年一遇的风荷载值为4.865kN/m2，厂家提供的1500mm间距的实验报告极限荷载值为4.25kN/m2，易发生屋面被掀翻的可能，故角部的金属屋面必须加固。根据屋面不同部位，制订了如下整改加固方案：

1、屋脊是本次检查中发现问题最大的部位，不能抵抗较大的负风压。为防止台风造成破坏，设计了一套切实可行的加固方案，如图3所示：

图3

2、将屋脊与屋面连接，同时连接好高端堵头并将屋面板卷边，如图4所示：

图4

4、檐口区加固:由于檐口有很多不利工况，故将所有的檐口增加3排铝合金抗风夹，夹具与T型支座连接，如图5所示：

图5

5、伸缩缝加固：顶部采用铝合金与三元乙丙密封胶条组合的伸缩缝加固方案，同时为保证屋面的抗风效果，又新增加一条铝镁锰板伸缩缝系统。这一双保险方案，由于在吊顶部位增加了铝合金与三元乙丙密封胶条组合的伸缩缝，在保证安全的前提下又能满足观感要求。如图6所以：

图6

6、檐口由于悬边，在风的往复作用下被破坏，本次加固增加U型线条，将线条两边固定于上下板块上，如图7所示。

图7

屋面结构的设计一般仅考虑自重、雪载、施工荷载，而风的作用常被忽略，认为风荷载的影响不大或风引起的吸力对屋面结构无害。实地调查结果表明，在风作用下屋面整体被破坏的例子并不多见，但其局部表面饰物脱落或屋面局部被掀开以致整个屋面遭受风荷载破坏的例子却时有发生。提高金属屋面的抗风性，要从技术以及设计、材料、施工、管理、维护多方面着手。本文所述，仅从技术层面着眼，提供建议。

三、提高金属屋面抗风性技术建议

1、制定并实施工程设计及施工资质等级标准

为加强从事金属屋面系统工程设计与施工企业的管理，保证工程质量和安

全，结合金属屋面系统工程的特点，建议制定并实施金属屋面系统工程设计与施工资质等级标准。

设计院往往对钢结构主体结构的设计比较注重，在采用金属屋墙面系统时对围护结构的设计深度和广度不够，有些工程盲目照搬国外、境外公司技术，但金属屋面系统尚需二次深化设计，应考虑风荷载、雪荷载以及厂家板型截面惯性矩和安装技术等要求，并给出详细的与钢结构主体结构细部的连接节点。

工程施工往往由总包负责，而总包单位一般缺乏对金属屋墙面系统施工的技术实力，深化设计考虑不周，从而埋下风揭破坏隐患。施工企业应具备针对金属屋面系统板型特点的深化设计能力，也要具备施工安装技术能力，再配备专业人员，加上科学管理，才能保证工程质量。因此，成立具备金属屋墙面系统设计与施工一体化资质的专业企业，迫在眉睫。

2、风荷载设计宜分别按结构、上下表面的最不利风荷载取值

结构的风压计算，应考虑上下表面风压值叠加。对于开敞式屋面结构，上下表面都受到风的作用，而设计支承结构时需要的是屋盖上、下表面的风压差，即净风压。一般来说，净风压不完全等于屋面上表面或下表面所受风压，所以只考虑净风压的设计，结构可能安全，而屋面的上表面、下表面可能不安全。建议屋面风荷载设计宜分别按屋面结构以及上、下表面的最不利风荷载取值。

3、金属屋面工程施工前宜进行一系列试验

这些试验包括:抗风压试验;结构性能试验；屋面板承受集中荷载试验；气密性试验；水密性试验；热循环测试；隔声试验；保温性能试验；吸声试验；抗风揭试验等。

4、屋面风荷载设计宜用抗风揭试验结果验证

我国现行的相关规范对风荷载只有设计要求，没有相关的标准测试方法对此进行验证。建议金属屋面按照GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》设计后，宜采用抗风揭实验室试验结果进行验证，检验屋面系统的设计、屋面系统所用的各种材料(包括表面材料、基层材料、保温材料、固定件)以及整个屋面系统的可靠性和可行性。

5、采用优质机械咬口及抗风增强夹

机械咬口屋面板承载力高于手工的，咬合时需用专用工具将整条边全部咬合。手工咬边施工不到位，导致咬合力不够;机械咬口咬合部位施工质量较好，其极限承载力有明显提高，因此金属屋面宜采用优质机械咬口。另外，金属屋面板还可采用抗风增强夹提高抗风力，其节点、实物及安装参考如图8所示：