直立鎖邊金屬屋面的抗風性能研究

常 波 梅獻忠 錢 昀 楊 庭

1. 同濟大學 上海 200092；2.浙江省建工集團有限責任公司 杭州 310012； 3. 中南建筑設計院股份有限公司 武漢 430071

1 金屬屋面應用簡介

金屬屋面是指采用金屬板材作為屋蓋材料，將結構層和防水層合二為一的屋蓋形式[1-4]。金屬板材的種類很多，有鋅板、鍍鋁鋅板、鋁合金板、鋁鎂合金板、鈦合金板、銅板、不銹鋼板等，厚度一般為0.4～1.5 mm。

金屬屋面根據板塊連接方式不同又分為了直立鎖邊金屬屋面系統、古典式扣蓋金屬屋面系統、平鎖扣式金屬屋面系統等，其中以直立鎖邊金屬屋面系統應用最為廣泛。此類建筑的特點是跨度大、層數低、屋面面積大，因而采用金屬屋面優勢明顯，也為現代建筑向舒適、輕型、耐久、經濟、環保等方向發展發揮了重要的作用。典型的直立鎖邊金屬屋面構造如圖1、圖2所示。

圖1 直立鎖邊金屬屋面系統

圖2 屋面板鎖邊過程

2 直立鎖邊金屬屋面抗風設計

在直立鎖邊金屬屋面設計中，因屋面結構自重輕，且常設計為超長超寬屋面，屋面系統的受風面積大，屋蓋的實際風壓與負風壓通常無法準確計算。常采用試驗驗證的方式進行設計。然而現在隨著惡劣天氣不斷涌現（局部出現16 級以上大風），金屬屋面板脫落、被掀翻的事故也屢見不鮮，對直立鎖邊金屬屋面系統施工管控與屋面系統加固迫在眉睫。

直立鎖邊金屬屋面的抗風性能主要依靠屋面板與金屬連接支座咬合、金屬連接支座與屋面檁條固定來實現，因此現在常采用金屬連接支座加強與屋面板咬合加固2 種方式來加強金屬屋面系統的抗風性能。

3 直立鎖邊金屬屋面加固與管控措施

3.1 連接支座加強措施

3.1.1 薄弱部位加強措施

通過對以往破壞案例的分析，可發現直立鎖邊金屬屋面的抗風性能的薄弱部位為屋脊、檐口、天溝邊、天窗邊等收頭部位與形狀突變部位，設計時需考慮這些部位覆蓋嚴密不吃風，且覆蓋或加塞配件連接穩固。因此屋脊、檐口、天溝邊、天窗邊這些屋面板收頭位置做泛水板、蓋板時均做下折、塞擋風堵頭并采用Z字形支撐件與結構檁條或屋蓋幾字形襯檁連接。

屋面板堵頭分為2 種，一種為內堵頭，主要用于天溝邊部位，塞于金屬屋面板凹凸空間內（圖3）；另一種為外堵頭，主要用于屋脊及檐口部位，塞于泛水板與蓋板內（圖4）。

3.1.2 檁條加密措施

通過結構次檁條加密來增加屋面板支座連接點，達到屋面板抗風加固的作用。屋面次檁條布置時，往往會忽視其作為屋面板的固定點，其間距的大小直接影響屋面板的抗風性能，因此在設計時須有針對性的布置。比如，一般情況下的屋蓋，普通部位次檁條布置間距為1 500 mm，而在天溝、檐口、天窗和屋脊周邊等抗風性能的薄弱區域，次檁條間距須進行加密至間隔750 mm，以增加屋面固定支座與結構檁條之間的連接點數量，從而達到增強屋蓋系統抗風性能的目的。

圖3 內堵頭

圖4 外堵頭

3.1.3 支座固定螺絲加強措施

在風災中金屬屋面板脫落也存在鋁合金支座被拔起的現象，因此也考慮支座固定螺絲的整體加固或局部加固，并通過支座拉拔試驗驗證支座的抗拔力是否滿足設計要求。通常設計為鋁合金支座采用2 個自攻螺絲與屋面檁條或幾字形檁條連接，自攻螺絲每邊布置1 個。在加固時采用增加質和量2 個方面加強，即采用高強耐久的不銹鋼螺絲和增加螺絲數量，1 個支座的自攻螺絲由原來的2 個增加到4 個，對稱布置。

3.1.4 施工過程管控措施

施工質量是保證屋蓋系統整體穩定的關鍵。因此須加強施工原材料、安裝工序等環節的質量管控，以保證直立鎖邊金屬屋面的抗風性能。屋蓋施工前須對屋蓋結構檁條進行平整度、平順度驗收，對不符合要求部位須采取措施調平。施工前應進行排版設計，測量放線，保證次檁條、幾字形襯檁、鋁支座等安裝平順直。面板鋪設完畢，應及時使用專用鎖邊機進行屋面板咬合鎖邊，屋面板安裝完畢，檐口收邊工作應盡快完成，以獲得必要的組合效果。

3.2 屋面板與支座咬合加固措施

在風災中，金屬屋面受到最多的破壞是屋面板與固定支座間脫落。由于屋蓋處于室外復雜的氣候環境中，造成支座鎖邊脫落的原因很復雜，無法得到準確的分析，日常使用過程中加強檢查、維護是一方面，通常還采用支座鎖邊上增加夾具的方式進行加固，特別是檐口、天溝邊、屋脊等薄弱或受風面積較大部位，增加設置夾具并采用鋁合金方管連接，可有效提高屋面板的整體抗風性能（圖5）。

4 驗證試驗

為驗證直立鎖邊金屬屋面加固后的效果，可采用模擬試驗的方式進行加固前試件與加固后試件的對比，主要通過抗風揭試驗與支座拉伸試驗2 種試驗驗證。

圖5 屋面加固節點

抗風揭試驗是，采用檁條及屋面板反向放置，堆載（標準鐵塊和沙袋）以模擬風吸作用，通過設置支座夾具和不設置支座夾具進行對比，測試直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面系統在等效風場作用的抗風揭能力及增設夾具后抗風性能的提高程度。支座拉伸試驗是通過對加固后支座試件施加拉拔力，驗證支座破壞位置，測定T形支座與襯檁條連接件的抗拉承載力。抗風揭試驗表明，試件的破壞形態為屋面板與T字形支座鎖邊脫離，與風災中常見破壞形式相同；所有試件的抗風揭承載力均滿足設計要求；鎖邊上設置夾具的試件的抗風揭承載力明顯高于不設夾具的試件，承載力平均提高69.4%。

T字形支座與檁條連接件的極限抗拉強度平均值為16.4 kN，試驗抗拉強度值滿足設計要求。破壞形式是自攻螺絲受拉斷裂，表明T字形支座與檁條連接件中的薄弱部位為自攻螺絲。

從模擬實驗可以看出，所采取的屋面加固措施能有效減緩屋面破壞，且試件未考慮板重與風吸力相反、試件小為非全尺寸模擬、實際風吹不連續與不集中等因素，因此通過加固后，金屬屋面板抗風性能大大得到提高，屋蓋的安全性能得到了保障。

5 結語

在金屬屋面應用日益廣泛的今天，特別是大型的場館、站房、綜合體，通過金屬屋面加固來保證屋面的安全性能，顯得越來越重要，且牢固的屋面系統也會使得建筑造型、建筑功能更完美地實現，越來越多的加固措施在建筑設計階段即被提出。我們通過實踐與模擬試驗總結出的金屬屋蓋加固經驗，也可供廣大從業人員借鑒。