鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風揭性能的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題

譚偉文

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司）

20 世紀70 年代末，金屬屋面系統(tǒng)開始在我國逐漸得到應用。近年來，隨著世界杯和奧運會等體育運動盛會及世博會等大型活動和高鐵建設(shè)的需要，大跨度空間結(jié)構(gòu)體系在我國得到迅速發(fā)展。與此同時，由于具有輕質(zhì)高強、外形美觀、色彩豐富、造型多變、設(shè)計靈活等優(yōu)點，金屬屋面系統(tǒng)在這些大跨度空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應用。金屬屋面板的材料也在不斷的革新，常用的金屬屋面板有壓型鋼板、鋁合金板和鋅合金板等。其中，鋁合金材料具有重量輕、強度高、可模性好、延展性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故目前鋁合金屋面板的應用較為普遍。然而，在實際工程中，鋁合金板屋面系統(tǒng)的風揭破壞現(xiàn)象時有發(fā)生。基于此，本文介紹了鋁合金板屋面系統(tǒng)的特點；并從實際工程案例出發(fā)，分析鋁合金板屋面系統(tǒng)風揭破壞原因，總結(jié)提高其抗風揭性能的方法；從試驗研究、數(shù)值分析和設(shè)計方法角度，評述鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風揭性能的研究現(xiàn)狀；進一步探討提出鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風揭性能研究中需解決的若干關(guān)鍵問題，期望為實際工程應用和理論研究提供可參考的綜合分析資料。

1 鋁合金板屋面系統(tǒng)的特點

鋁合金屋面板（圖1）已廣泛應用于大跨度空間結(jié)構(gòu)當中，如鄂爾多斯博物館[1]、新加坡環(huán)球影城主題公園[2]、杭州大劇院[3]、國家大劇院[4]等（圖2）。

圖1 直立鎖邊65-430型鋁合金屋面板

圖2 鋁合金屋面板的工程應用

在鋁合金屋面板的加工過程中，為滿足色彩效果的要求，可采用PE和PVDF進行涂層處理，提高板材的耐候性；為滿足各種形狀屋面的要求，可以將鋁合金屋面板做成扇形板或彎弧板。對于鋁合金屋面板的連接，其橫向連接采用直立鎖邊咬合連接，如圖3 所示，使用專門的電動鎖邊機將屋面板直立鎖邊和高強鋁T 型支座梅花頭進行有效咬合，施工安裝簡單快捷，完全由機械自動完成；其縱向連接一般采用搭接形式，當為扇形屋面一塊板變兩塊板連接時，可采用屋面板錯高搭接或采用鋁焊絲進行氬弧焊密實焊接。

圖3 鋁合金屋面板的橫向咬合連接

鋁合金板屋面系統(tǒng)通常應用于坡度大于5%的坡屋面和弧形屋面，其構(gòu)造如圖4 所示。從上往下，第一層是鋁合金屋面板，直立邊高度、方向的選擇和節(jié)點的構(gòu)造處理決定了面層的防水性能；第二層是保溫層，可采用玻璃保溫棉，主要起到保溫作用；第三層是吸音層，一般采用離心玻璃吸音棉加鋁箔貼面，主要起到降噪作用；第四層是防潮層，可采用防水透氣膜；第五層是裝飾層，一般采用彩鋼壓型鋼板，用來支撐吸音棉和保溫棉，同時起到裝飾作用；第六層是檁條結(jié)構(gòu)層，檁條起支撐和找坡作用。高強鋁T 型支座梅花頭連接第一層的鋁合金屋面板，支座底部通過自攻螺釘連接檁條，從而使整個鋁合金板屋面系統(tǒng)形成一個整體。為了提高鋁合金板屋面系統(tǒng)的抗風揭性能，可在咬合連接處設(shè)置抗風夾。

圖4 鋁合金板屋面系統(tǒng)構(gòu)造

鋁合金板屋面系統(tǒng)的性能卓越，主要體現(xiàn)在兩個方面[5]。⑴防水性能好，通長的鋁合金屋面板無任何穿孔，其直立鎖邊咬合連接屬于隱藏式連接，消除了傳統(tǒng)壓型金屬板存在的漏水隱患；鋁合金屋面板的長度可根據(jù)施工需要確定，避免了屋面板沿長度方向的搭接縫。⑵有效釋放溫度應力，屋面板和T 型支座間沿縱向能自由滑動，沿橫向能自由轉(zhuǎn)動，故鋁合金屋面板的構(gòu)造能有釋放溫度應力，解決溫度變形問題。

2 屋面系統(tǒng)風揭破壞及加固方法

2007年，武漢天河機場[6]屋面發(fā)生風揭破壞。其屋頂按《建筑荷載規(guī)范》GB20009-2006[7]中50 年一遇基本風壓設(shè)計，原設(shè)計應能抗12 級風。然而，發(fā)生風揭破壞時的風速為29m/s（11 級）。破壞時，鋁合金屋面板掀起約100m2；屋頂內(nèi)部PC 板幾乎全部被吹落或掀起，面積約為3000m2；屋面板破壞處T 型支座、主次檁條連接均良好。故其破壞原因在于屋面板直立鎖邊咬合連接因風吸力拉脫而至。

2011 年，北京某城軌交通高架站屋面先后發(fā)生兩次風揭破壞[8]。發(fā)生風揭破壞時，65/400鋁合金屋面板從迎風面的檐口開始揭起并發(fā)展。破壞原因包括直立鎖邊咬合連接失效和自攻螺釘拔出。在后期的屋面加固過程中，通過屋面維護結(jié)構(gòu)的重新驗算和風揭荷載試驗檢測，采用多項改進措施，并改用65/300 鋁合金屋面板。

2010 年～2013 年間，北京T3 航站樓先后發(fā)生了3次風揭破壞[8]。3 次風揭破壞位置都發(fā)生在屋面檐口處，鋁合金屋面板從直立鎖邊咬合處脫開并逐漸擴展，破壞面積一共約1600m2。值得注意的是，發(fā)生風揭破壞時的為9～11級風，均小于設(shè)計要求。

上述實際工程案例可以看出，屋面板直立鎖邊的咬合連接、T 型支座的自攻螺釘連接和屋面四周邊緣區(qū)域是鋁合金板屋面系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

對于屋面板直立鎖邊的咬合連接，在風吸力的作用下，屋面板跨中發(fā)生向上的位移，使得其鎖縫部位產(chǎn)生水平力，導致咬合連接處的咬合開口尺寸變大。當咬合開口尺寸大于T 型支座的梅花頭時，屋面板脫落，此時咬合連接失效。在實際工程中，可通過增加抗風夾來提高咬合連接效率，如圖5所示。

圖5 抗風夾具和U型壓條

對于T 型支座的自攻螺釘連接，在風吸力的作用下，自攻螺釘受到拉力作用，其抗拉性能應嚴格按照《壓型金屬板工程應用技術(shù)規(guī)范》GB50896-2013[9]中的承載力公式進行驗算。

對于屋面四周邊緣區(qū)域，如檐口、挑檐、山墻、屋脊等突出屋面處，在風荷載作用下，屋面板往往會受到下頂上吸的作用，屋面發(fā)生風揭破壞的可能性更大。此時可以通過增設(shè)U 型壓條、減小板寬、增加板厚和加密檁條等方式提高其抗風揭性能，如圖5所示。

3 屋面系統(tǒng)抗風揭性能研究現(xiàn)狀

3.1 試驗研究

《壓型金屬板工程應用技術(shù)規(guī)范》GB50896-2013[9]指出壓型金屬板屋面系統(tǒng)，宜經(jīng)抗風揭試驗驗證系統(tǒng)的整體抗風揭能力。國內(nèi)外研究學者對金屬屋面系統(tǒng)的抗風揭性能進行了大量試驗研究。

國外，F(xiàn)arquhar 等[10]通過風洞試驗和均布風荷載試驗，指出ASCE7-02 設(shè)計指南高估了屋面角部區(qū)域的風荷載。Habte 等[11]通過足尺試驗研究真實風荷載作用下的金屬屋面承載性能，指出屋面外形和周邊檐口附件對風荷載具有極大的影響。Sivapathasundaram等[12]通過小尺寸和足尺試驗研究了金屬板屋面系統(tǒng)的拉斷破壞，并提出了合適的設(shè)計準則。Myuran 等[13]完成了一些列小尺寸金屬屋面板的循環(huán)風荷載試驗，根據(jù)試驗結(jié)果提出其疲勞破壞設(shè)計方法。

國內(nèi)，程明等[14]對國家大劇院鋁合金板屋面系統(tǒng)的承載性能進行試驗研究，然而試驗中采用集中荷載模擬風吸力，與實際情況不符。董震等[15]研究了向下荷載和向上荷載下鋁合金屋面板的承載性能，通過試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)向下荷載作用下，屋面板破壞模式表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)整體塌陷，并且T 型支座折斷或彎曲；向上荷載作用下，屋面板破壞模式表現(xiàn)為直立鎖邊咬合連接脫開，承載力低。徐春麗[16]以某國際機場航站樓屋面加固方案為背景，對三組65/333 型鋁合金板屋面系統(tǒng)的抗風揭性能進行試驗研究。試驗結(jié)果顯示三組屋面系統(tǒng)在最大風荷載下均未發(fā)生破壞，驗證了加固方案的可行性。葛連福[17]介紹了屋面系統(tǒng)抗風揭性能的FM4471：2010 標準測試方法，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了不同支座連接方式的承載性能，指出增加抗風夾和減小板寬能有效提高支座連接的抗松脫承載力。馬福憲等[18]對駐馬店西高鐵站臺雨篷金屬屋面系統(tǒng)的抗風揭性能進行試驗研究，指出咬合連接處除受到豎直向上的風吸力外，其鎖縫部位還受到水平力，水平力不僅使得鎖邊口變大，同時使得支座受彎，咬合力大大降低。李路川[19]對直立鎖邊鋁合金板屋面系統(tǒng)整體抗風揭性能進行試驗研究，指出直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)抗風承載力的大小，取決于很多因素，其中主要包括屋面板板寬、檁條間距、屋面板板厚以及面板材料等。王靜峰和王海濤等[20～21]對未加固金屬板屋面系統(tǒng)試件、加固金屬板屋面系統(tǒng)試件和吊頂板采用沙袋堆載的方式進行了抗風揭模擬試驗研究，研究結(jié)果顯示風揭作用下金屬板屋面系統(tǒng)的主要破壞模式為屋面板嚴重屈曲，變形過大或被撕裂；T 型支座連接處自攻螺釘連接破壞；邊緣T 型支座的彎曲或撕裂；檁條發(fā)生彎曲或局部變形；屋面板咬合連接處脫開；自攻螺釘連接處屋面板撕裂。方健[22]以三亞火車站金屬屋面系統(tǒng)為例，進行8 組鋁合金板屋面試件的抗風揭性能試驗，指出金屬屋面結(jié)構(gòu)提升抗風揭性能的措施包括選擇板厚寬小的屋面板、增設(shè)抗風夾和加密檁條（減小板跨）。秦國鵬等[23]根據(jù)兩組鋁合金板屋面系統(tǒng)試件的抗風揭性能試驗結(jié)果，指出鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風揭能力最薄弱的地方位于支座與屋面板的鎖邊處，通過在支座和屋面板的鎖邊位置增加抗風加強夾，能夠顯著提高屋面的抗風揭能力，且加強夾間距越密，屋面系統(tǒng)的抗風揭能力越強。

3.2 數(shù)值分析

為了更加全面了解鋁合金板屋面系統(tǒng)的風揭破壞機理；各參數(shù)對鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風揭性能的影響規(guī)律；咬合連接的失效演變過程；不規(guī)則鋁合金板的承載能力等，還需要采用考慮幾何非線性的數(shù)值方法進行分析[24]。

國外，Damatty 等[25]采用薄殼單元模擬屋面板，用梁單元模擬檁條，并通過彈簧單元將屋面板和檁條進行有效連接，形成一個三維足尺的直立鎖邊屋面數(shù)值模型。Ali 等[26]采用數(shù)值方法對直立鎖邊屋面系統(tǒng)的靜力和動力性能進行分析，研究了屋面組件的失效模式、疲勞性能、有效修復方法。Diaz 等[27]采用數(shù)值模型分析了金屬屋面系統(tǒng)的風壓分布。

國內(nèi)，羅永峰等[28]對上海浦東郵件處理中心的金屬屋面系統(tǒng)承載能力進行驗算，建立其數(shù)值模型進行譜分析。隨后，羅永峰等[29]采用數(shù)值方法分析了合肥新橋國際機場鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風咬合連接的受力性能，探究了屋面板跨中撓度和咬合開口尺寸的關(guān)系，并設(shè)計了一種鋁合金板屋面系統(tǒng)的改進型咬合連接[30]。陳玉[5]通過鋁合金板屋面系統(tǒng)的數(shù)值模型，分析了檁條間距、屋面板厚度和寬度、摩擦系數(shù)、支座梅花頭寬度和卷邊大耳邊直徑對鋁合金板屋面系統(tǒng)抗風揭性能的影響。秦國鵬等[31]建立了鋁合金板屋面系統(tǒng)的數(shù)值模型，并通過試驗結(jié)果進行驗證，隨后分析了屋面板厚度和檁條間距對其抗風揭性能的影響。李明等進行直立鎖邊屋面系統(tǒng)抗風揭性能數(shù)值分析，探求影響直立鎖邊屋面系統(tǒng)抗風揭性能的影響因素。

上述研究發(fā)現(xiàn)，建立鋁合金板屋面系統(tǒng)數(shù)值模型的主要難點在于咬合連接處屋面板之間和屋面板與T 型支座之間的接觸模擬，實際建模過程中，通常采用彈簧單元模擬其接觸關(guān)系。從大量數(shù)值分析中，研究學者們歸納出金屬屋面系統(tǒng)抗風揭性能的主要影響因素有：⑴檁距越大，屋面跨中位置豎向位移越大，極限抗風承載能力越差；⑵板厚的增加可以提高金屬屋面系統(tǒng)抗風揭承載能力；⑶板寬的減小可以有效提高金屬屋面系統(tǒng)抗風揭承載能力；⑷咬合連接處，接觸的摩擦力越大，金屬屋面系統(tǒng)抗風揭性能的極限承載力越高，因此通常增加抗風夾來提高咬合連接的摩擦力；⑸T 型支座梅花頭越寬，咬合連接越不容易發(fā)生脫離，故金屬屋面系統(tǒng)抗風揭性能的極限承載力越高。

3.3 設(shè)計方法

現(xiàn)有的《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》JGJ255-2012[24]中指出，金屬屋面應按維護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并應具有規(guī)定的承載能力、剛度、穩(wěn)定性和變形協(xié)調(diào)能力，應滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。在確定鋁合金板屋面系統(tǒng)設(shè)計方法時，應先了解其可能出現(xiàn)的破壞模式。試驗觀察到的破壞模式有鋁合金屋面板的失效、檁條的失效、自攻螺釘連接的失效、T 型支座的失效和鋁合金板直立鎖邊咬合連接的失效。

鋁合金屋面板的強度、變形和穩(wěn)定的驗算在《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》JGJ255-2012[24]中有詳細的說明。計算分析時，計算模型簡化為連續(xù)梁，T 型支座為連續(xù)梁的鉸接支座，如圖6 所示。對于豎向向下荷載，該簡化較為合理；然而，對于豎向向上荷載，當荷載較大時，咬合連接處屋面板和T 型支座可能會發(fā)生豎向位移，故理想鉸接支座的力學模型并不能反映實際的受力情況。檁條的變形、強度和穩(wěn)定驗算可參考《冷灣薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002，將檁條當做雙向受彎構(gòu)件進行設(shè)計。含有風荷載的組合荷載作用下，自攻螺釘連接的抗拉承載力可按照8.5tf和0.75atcdf中的較小值取值[9]，其中t為壓型鋼板厚度，f為基材的抗拉強度設(shè)計值，a為折減系數(shù)，tc為鉆入基材厚度，d為自攻螺釘直徑。《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》JGJ255-2012[24]將T 型支座當做軸心受壓構(gòu)件進行設(shè)計。然而，上述試驗發(fā)現(xiàn)，在風吸力作用下，邊緣T 型支座會受到水平剪力而發(fā)生彎曲或撕裂，故T 型支座的抗剪和抗彎強度設(shè)計急需進行補充。對于鋁合金板直立鎖邊咬合連接驗算，現(xiàn)階段規(guī)范還沒有詳細的設(shè)計公式，規(guī)范規(guī)定其咬合連接強度一般通過風揭試驗確定[24]。

圖6 鋁合金屋面板的簡化計算模型

4 屋面系統(tǒng)抗風揭性能研究的關(guān)鍵問題

鋁合金板屋面系統(tǒng)在我國有著十分廣泛的應用。與鋁合金板屋面系統(tǒng)在國內(nèi)飛速發(fā)展形成鮮明對比的是，鋁合金板屋面系統(tǒng)的研究起步較晚。因此相關(guān)標準的制定及修訂過于滯后，許多技術(shù)規(guī)程及管理制度仍然不健全，導致鋁合金板屋面系統(tǒng)風揭現(xiàn)象時常發(fā)生?，F(xiàn)階段鋁合金板屋面系統(tǒng)研究中仍有許多需解決的關(guān)鍵問題。

4.1 直立鎖邊咬合連接性能研究問題

在風吸力作用下，鋁合金板直立鎖邊咬合連接是屋面系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。了解直立鎖邊咬合連接的失效演變過程，分析其受力特征和破壞機理，總結(jié)各參數(shù)對其連接性能的影響規(guī)律，定義連接的失效準則，推導其剛度性能的計算公式，是目前急需解決的關(guān)鍵問題之一。另外在邊緣區(qū)域，T 型支座與單塊鋁合金板直立鎖邊進行連接。鋁合金板的變形會對T 型支座產(chǎn)生不容忽視的水平力作用，此時的連接性能和T 型支座的承載能力亦有待進行研究。

4.2 鋁合金板屋面系統(tǒng)整體性能研究問題

現(xiàn)階段鋁合金板屋面系統(tǒng)整體抗風揭性能的數(shù)值模型大部分都是單塊鋁合金板屋面或者局部鋁合金板屋面，所得到的結(jié)果并不能代表鋁合金板屋面系統(tǒng)的整體抗風揭性能。其主要原因在于：⑴T 型支座與鋁合金板直立鎖邊的咬合連接無法準確模擬?，F(xiàn)有研究表明，在風吸力作用下，如果將T 型支座假定為理想鉸接，屋面板的計算撓度和試驗值有40%誤差[15]。由此可見，在整體模型中，直立鎖邊咬合連接性能類似于帶有一定剛度的彈簧。因此，由于變形協(xié)調(diào)關(guān)系，局部鋁合金板屋面的數(shù)值結(jié)果并不能代表屋面系統(tǒng)的整體抗風揭性能。⑵鋁合金板屋面系統(tǒng)不僅包括鋁合金屋面板，同時包括T 型支座連接和屋面檁條系統(tǒng)，缺乏鋁合金板屋面系統(tǒng)的整體分析，會導致鋁合金板屋面與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機理研究無法開展。

4.3 鋁合金板屋面系統(tǒng)整體數(shù)值模型及模型修正問題

由于結(jié)構(gòu)施工的影響，鋁合金板屋面系統(tǒng)的整體數(shù)值模型和實際屋面整體結(jié)構(gòu)存在差異。其差異主要體現(xiàn)在：⑴模型結(jié)構(gòu)誤差，由影響模型控制方程的一些不確定因素引起，與所選擇的分析假定有關(guān)，例如線性分析忽略了非線性因素對實際結(jié)構(gòu)的影響；⑵模型參數(shù)誤差，實際結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)如密度、質(zhì)量、面積、彈性模量、幾何尺寸等與有數(shù)值模型肯定有差異，同時，施工現(xiàn)場的荷載參數(shù)如風荷載、溫度作用等以及結(jié)構(gòu)的邊界條件極為復雜，數(shù)值模型難以精確模擬，從而產(chǎn)生了較大的誤差；⑶模型階次誤差，實際結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，具有無限個自由度，而數(shù)值模型將結(jié)構(gòu)進行離散化，其自由度是有限的，故兩者之間必然存在不可忽視的誤差。因此，如何基于實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對鋁合金板屋面系統(tǒng)的整體數(shù)值模型進行修正是目前急需解決的問題。

結(jié)構(gòu)模型修正從數(shù)學上講是優(yōu)化問題，結(jié)構(gòu)靜力數(shù)值模型修正過程按數(shù)學優(yōu)化概念可表述為：在一定（合理）范圍內(nèi)尋找合適的結(jié)構(gòu)數(shù)值模型參數(shù)，是的結(jié)構(gòu)靜力相應的數(shù)值計算值與實測值的差異最小。結(jié)構(gòu)靜力數(shù)值模型修正可轉(zhuǎn)化為對以下數(shù)學優(yōu)化問題的求解：

式中，X 為待修正的結(jié)構(gòu)靜力數(shù)值參數(shù)集；F(X)為反映結(jié)構(gòu)靜力響應數(shù)值模型計算值與實測值差異的指標函數(shù)，是優(yōu)化問題的目標函數(shù)，F(xiàn)(X)為單個函數(shù)時，為單目標優(yōu)化問題；F(X)為函數(shù)集時，為多目標優(yōu)化問題；Xu、Xl為結(jié)構(gòu)數(shù)值模型參數(shù)集X的上、下限（合理的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)取值范圍），是優(yōu)化問題的約束條件。近年來計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，為研究者提供了更多解決結(jié)構(gòu)模型修正問題的思路和方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等智能方法。