金屬屋面系統(tǒng)工程應(yīng)用分析

汪 明 波

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

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金屬屋面系統(tǒng)工程應(yīng)用分析

汪 明 波

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

通過對金屬屋面工程風(fēng)災(zāi)的調(diào)查，分析了金屬屋面工程應(yīng)用中存在的主要問題，并采用有限元軟件ANSYS，探討了自攻螺釘YX27-745型屋面板安裝質(zhì)量對抗風(fēng)承載力的影響，提出了一些金屬屋面板的應(yīng)用建議。

金屬屋面，ANSYS，螺釘，抗風(fēng)性能

金屬屋面系統(tǒng)主要由冷彎薄壁金屬板及保溫、隔熱、防潮、吸聲等構(gòu)造層組成，相較于傳統(tǒng)屋面做法，具備質(zhì)量輕、耐久性好，維護(hù)少、具有良好的防水性能、外觀適用性廣、易于施工安裝等優(yōu)點。由于金屬屋面板系統(tǒng)的這些優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用于下列建筑中：

1)大跨度公共展示建筑，如會展中心；2)大跨度公共演藝中心，如大劇院、藝術(shù)中心；3)大型交通樞紐中心，如機場、火車站；4)體育建筑，如體育館；5)大跨度工業(yè)建筑，如廠房、物流中心。圖1,圖2為金屬屋面板在建筑工程中的應(yīng)用。

1 金屬屋面工程風(fēng)災(zāi)調(diào)査

金屬屋面系統(tǒng)的安全包括了防水、防火、抗風(fēng)揭、抗冰雹、抗踩踏、耐久性等方面，其中抗風(fēng)揭關(guān)系到建筑屋面系統(tǒng)在大風(fēng)條件下是否安全可靠，對建筑的安全性影響重大，產(chǎn)生破壞造成的損失也非常嚴(yán)重。因此，無論國內(nèi)國外，對建筑的風(fēng)荷載安全都很重視。然而近年來，沿海地區(qū)和風(fēng)力較大地區(qū)卻出現(xiàn)大量工程屋面發(fā)生破壞的案例。2008年9月廣東某體育館金屬屋面系統(tǒng)受強臺風(fēng)“黑格爾”正面作用而遭受嚴(yán)重破壞；2007年7月，武漢機場二期主候機樓的金屬屋面板被突如其來的大風(fēng)破壞；2010年9月大風(fēng)導(dǎo)致泉州火車站屋面漏雨，致使部分列車晚點乃至取消；2012年8月，臺風(fēng)“海葵”作用下，滬寧城際蘇州園區(qū)站金屬屋面遭受嚴(yán)重破壞；首都機場T3航站樓于2010年、2011年和2013年三次被風(fēng)掀開，嚴(yán)重影響機場正常使用；2014年，受9號臺風(fēng)“威馬遜”影響，海口瓊臺師專體育館金屬屋面遭受嚴(yán)重破壞，體育館內(nèi)漏水嚴(yán)重；2015年，臺風(fēng)“彩虹”登陸湛江造成寶鋼工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失嚴(yán)重。此類風(fēng)災(zāi)事故嚴(yán)重影響人民的生命財產(chǎn)安全。研究金屬屋面系統(tǒng)對這類問題的規(guī)避起著重要作用。

2 金屬屋面工程應(yīng)用的主要問題

1)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范少，行業(yè)管理缺失。我國[1]對金屬壓型板的規(guī)范僅有《鋁及鋁合金壓型板》《建筑用壓型鋼板》兩種，而隨著建筑材料的發(fā)展，各類金屬材料加入了金屬壓型板中，而類似對于不銹鋼板、銅板、鈦及鈦合金板的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺乏。對于屋面板系統(tǒng)應(yīng)用從設(shè)計到施工再到圍護(hù)都沒有相關(guān)專業(yè)規(guī)范，僅在《屋面工程質(zhì)量驗收規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》《屋面工程技術(shù)規(guī)范》《坡屋面工程技術(shù)規(guī)范》《采光頂與金屬屋面工程技術(shù)規(guī)程》等里面有所涉獵，但不具體，而對于屋面的抗風(fēng)性能檢測這塊缺失，國內(nèi)抗風(fēng)檢測所用的相關(guān)規(guī)范都借鑒國外的規(guī)范，類似美國的ASTME 1592-2005，UL 580-2006，F(xiàn)M 4474-2004以及加拿大的CSA A123.21。金屬屋面圍護(hù)工程缺乏行業(yè)管理組織與機構(gòu)，缺乏相關(guān)監(jiān)督。

2)國內(nèi)金屬屋面產(chǎn)品技術(shù)含量低。正如上述所說由于缺乏相關(guān)規(guī)范及管理單位，各廠家生產(chǎn)的金屬屋面板質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致不同廠商生產(chǎn)的同一板型的抗風(fēng)掀能力差距甚大。

3)國內(nèi)金屬屋面系統(tǒng)施工質(zhì)量不能得到保證。對于屋面板系統(tǒng)施工單位的相關(guān)資質(zhì)國內(nèi)未有規(guī)定，導(dǎo)致屋面板系統(tǒng)施工的質(zhì)量得不到保證。對于自攻螺釘金屬屋面系統(tǒng)，螺釘?shù)念A(yù)緊力過大或過小對其抗風(fēng)性能影響較大，而熟練度不同的工人導(dǎo)致的螺釘安裝質(zhì)量差距甚大；對于常用的直立鎖邊屋面系統(tǒng)，其抗風(fēng)承載力主要靠鎖邊處的咬合強度來體現(xiàn)，而其咬合強度取決于施工人員的技術(shù)；對于同樣新型的焊接屋面系統(tǒng)，其焊接質(zhì)量也取決于工人的熟練程度。

4)屋面系統(tǒng)未有相關(guān)設(shè)計資質(zhì)要求。金屬屋面工程沒有特定的行業(yè)和專業(yè)，也沒有關(guān)于金屬屋面設(shè)計內(nèi)容、深度和責(zé)任的相關(guān)規(guī)定，同時未有相關(guān)單位資質(zhì)要求，目前在金屬屋面工程設(shè)計階段，大部分設(shè)計院僅在設(shè)計中說明是“金屬屋面，詳見廠家圖紙”，不僅對金屬屋面基本要求不全面，且深化設(shè)計不做技術(shù)審核確認(rèn)。同時工程承包單位往往考慮利潤而在屋面上投入不大。設(shè)計單位由于相關(guān)經(jīng)驗、知識的不足，導(dǎo)致在設(shè)計過程中技術(shù)考慮比較欠缺。例如2016年廣州白云機場航站樓屋面在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及設(shè)計風(fēng)壓大小的風(fēng)荷載下被掀，同時澳門東亞體育館屋面設(shè)計不合理，以致屋面系統(tǒng)支座被磨平從而導(dǎo)致屋面被掀。

3 實例有限元分析

針對我國金屬屋面系統(tǒng)工程應(yīng)用所存在的問題，就施工質(zhì)量問題，利用有限元軟件ANSYS對自攻螺釘YX27-745型屋面板進(jìn)行分析。YX27-745型金屬板如圖3所示。

用有限元數(shù)值模擬的方法分析自攻螺釘金屬屋面板抗風(fēng)性能，首先需保證有限元模型的正確性，在此基礎(chǔ)上才能利用數(shù)值方法分析其抗風(fēng)性能。Y.L.Xu[2]指出，對于壓型板金屬屋面而言，利用兩跨的屋面板形式來研究其得到的結(jié)果是安全保守的。同時Y.L.Xu[2]又指出當(dāng)屋面板較大時，自攻螺釘金屬板之間的搭接縫對于其抗風(fēng)性能的影響不大，可以忽略其影響，當(dāng)做屋面板是由無限的連續(xù)板組成的。故可建立單波寬兩跨模型如圖4所示,有限元模型截面見圖5。

在自攻螺釘金屬屋面板試驗安裝過程中，金屬屋面板通過螺釘與檁條連接在一起，金屬板安裝施工人員熟練程度不同，螺釘安裝的質(zhì)量不同，螺釘安裝的質(zhì)量對板系統(tǒng)承受風(fēng)揭能力有影響。螺釘?shù)陌惭b質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為兩個方面：

1)螺釘安裝的過緊從而墊片被壓碎，板產(chǎn)生初始變形；

2)螺釘安裝的過松從而板與檁條連接不緊密，在風(fēng)荷載下，疲勞效應(yīng)明顯。在實際工程應(yīng)用中，主要出現(xiàn)第一種螺釘安裝質(zhì)量問題。初始安裝缺陷圖見圖6。

參考中螺釘?shù)念A(yù)緊力[3]分析，在分析中將螺釘頭與金屬板的初始相對位置的不同視為不同的初始缺陷值。在加載試驗荷載之前先加載位移荷載，使螺釘頭向下移動d，分析d=0.5 mm，d=1.0 mm，d=1.5 mm，d=2 mm四種初始情況下板的應(yīng)力變形情況。板面最大等效應(yīng)力、板面節(jié)點最大位移如表1～表3所示。

表1 最大等效應(yīng)力

表2 板面測點最大位移 mm

表3 模型承載力折減

可以看出隨著初始缺陷的增加，在螺釘連接處板型的變形越大，同時初始等效應(yīng)力也較大，對后期金屬屋面板的使用產(chǎn)生的不良影響更大，承載力越低。

4 結(jié)語

金屬屋面板系統(tǒng)在工程應(yīng)用中越來越廣泛，但同時也存在著不小的問題，對于我國金屬屋面板的應(yīng)用給出如下建議：

1)相關(guān)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程應(yīng)盡快完善，從源頭上避免工程施工的發(fā)生；

2)相關(guān)研究單位應(yīng)配合工程需求，研究各類金屬屋面板的抗風(fēng)機理，為設(shè)計單位、施工單位提供相應(yīng)的技術(shù)理論支持；

3)規(guī)范金屬屋面市場，板型供應(yīng)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)督單位應(yīng)制定相應(yīng)的要求。

[1] 黃 唯,周懷偉.金屬屋面板系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)與金屬屋面新技術(shù)應(yīng)用,2015(11):99-100.

[2] Xu,Y.L., J.G.Teng.Local plastic failure of light gauge steel roofing sheets: Finite element analysis versus experiment. Journal of Constructional Steel Research,1994,30(30):125-150.

[3] 張洪偉,高相勝，張慶余.ANSYS非線性有限元分析方法及范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2013.

Analysis on application of metal roof system engineering

Wang Mingbo

(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

According to the investigation of the wind disasters on metal roof projects, the paper analyzes the main problems in the metal roof projects, adopts the finite element software ANSYS to explore the influence of the installation quality of the self-tapping screw YX27-745 roof slab on the anti-wind loading capacity, and points out the suggestion for the application of some metal roof slab.

metal roof, ANSYS, screw, anti-wind performance

1009-6825(2017)09-0091-02

2017-01-14

汪明波(1990- )，男，在讀碩士

TU765

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