淺析沿海高風壓地區不銹鋼金屬屋面的抗風揭技術

孫小強，高辰冬，謝一鳴

（中建二局安裝工程有限公司，北京 100176）

0 引言

平潭是海島地區，常受熱帶風暴影響，年平均 6.3次，年平均風速 6.9 m/s，灣海地區全年大風（7 級以上）日數為 125 d，是強風區之一，100 年重現期的基本風壓達到了 1.6 kN/m2，是全國基本風壓最大的地區。其高風壓、高腐蝕的特點使得常規金屬屋面無法滿足設計需求，平潭海洋國際會展中心項目大膽創新，采用了耐久性、防風掀性能均表現優異的不銹鋼金屬屋面，并對不銹鋼金屬屋面的抗風揭技術進行了研究。本技術大大提高金屬屋面的抗風揭能力，能有效地解決強臺風地區金屬屋面抗風掀的問題，為日后工程提供參考。

1 項目風壓較大區域分析

本項目依據施工圖紙與現場實際環境情況進行分析，得出了基本的工程概況，以此為基礎做了相應 1∶200比例模型的風洞試驗。如圖1 所示，在建筑南北方向，得出酒店與裙房交界處出現最大極值負壓-8.9 kN/m2，裙房與展廳外檐口區域負壓值明顯高于內部區域，最大極值負壓 -6.4 kN/m2。如圖2 所示，在建筑東西方向，展廳檐口出現最大極值風壓 -6.1 kN/m2，負風壓表示屋面受到向上的吸力，較大的負風壓將極大地考驗局部區域的抗風揭能力。將試驗的結果與以往的經驗相結合，當強風來襲時，屋面被破壞的形式往往是由薄弱點到面，由于局部承載能力不能抵抗風荷載形成的效應，造成了局部屋面破壞從而喪失局部承載力，進而使整個屋面的承載能力降低，屋面在風荷載長期的作用下，形成大面積的風揭，這也是屋面風揭的主要原因。對于本試驗的三個負風壓最大的點，應是本建筑著重研究的薄弱點。

圖1 會議廳出現最大極值負風壓值區域（kN/m2）

圖2 展廳出現最大極值負風壓值區域（kN/m2）

2 不銹鋼金屬屋面的抗風揭技術介紹

2.1 主次檁條截面、布置的優化

會議廳主檁條的布置方向垂直于建筑物的窄邊進行布置，根據風洞試驗的結果，將屋面主檁條需要分為三個部分，即為圖3 當中的中間部分、檐口邊緣部分、與塔樓交接部分。黃色部分選用 Q345B 矩形鋼管 250×150×6 的規格。針對檐口邊緣部分、與塔樓交接部分承受的風壓較大，需要對此部分進行優化處理，經過各類方案對比，以增加檁條截面面積從而減小風荷載及其他荷載產生的應力更經濟，選用 Q345B 矩形鋼管 300×200×6 時，截面模量Wx=505.04 m3，是 Q345B 矩形鋼管 250×150×6 截面模量的 1.57 倍，由式（1）得，在檁條上部荷載產生的彎矩與截面塑性發展系數不變情況下，截面模量越大正應力越大，截面的正應力就越小，從而使截面越安全，使構件抵抗風荷載的能力得到了提升。

圖3 會議廳主檁條分部圖

式中:Mx為彎矩，kN?m；γ為截面塑性發展系數；Wx為截面模量，m3。

通過力學模型分析，在檐口邊緣部分、與塔樓交接部分選用Q345B 矩形鋼管 300×200×6 較為合適。其中，中間部分仍然采用 Q345B 矩形鋼管 300×200×6，但由于塔樓相連，屋面立面造型承扇形結構，中間部分的檁條需要進行拉彎處理，檁條的布置如圖3 所示。展廳主檁條的布置方式同樣沿著屋面窄邊進行布置，主檁條統一采用 Q345B 矩形鋼管 300×200×8。

會議廳次檁條的布置方向則與主檁條的布置方向相垂直，次檁條的優化區域與主檁條相同都為檐口部分與塔樓交接部分，但次檁條與主檁條的功能不同，主檁條是承受屋面荷載的主要受彎構件，而次檁條是傳遞屋面荷載的次要構件，所以次檁條的截面設計往往較小。通過調整次檁條截面對屋面風荷載的產生的效應影響較小，但次檁條的布置方式與主檁條不同，主檁條由于鋼結構支托的限值定位固定，次檁條則布置在主檁條上橫向間距可以調整。經過計算，構造層自重荷載標準值:qdk=0.864 kN/m2（含次檁條自重），不上人屋面活荷載標準值:l′k=0.5 kN/m2，負風荷載標準值取值qwk=-8.9 kN/m2（風洞試驗得出），由于上人屋面活荷載不與風荷載同時進行荷載組合，則考慮強度驗算時荷載工況組合的最終結果應在 1.3×qdk+1.5×l′k與 1.2qdk+1.4qwk之間取最大值為 13.49 kN/m2，若檐口部分次檁條采用 Q345B 鋼矩管 200×100×4 布置間距為 1.5 m 的方式布置，則單根檁條分擔的線荷載是 20.23 kN/m，若檐口部分次檁條采用 Q345B 鋼矩管200×100×4 間距加密布置為 1 m，則單根檁條分擔的線荷載是 13.49 kN/m，由力學公式（2）得在檁條跨度相同的情況下，檁條分擔的線荷載越小，截面彎矩越小。

式中:MX為彎矩，kN?m；q為檁條分擔的線荷載，kN/m。

再由公式（1）得在截面塑性發展系數與截面面模量不變的情況下，越小則截面的正應力就越小，從而使截面越安全。故而選擇檁條布置間距為 1 m 的方案能使構件抵抗風荷載的能力得到了提升，加密區域（紅色部分）如圖4 所示。展廳次檁條的加密方式與會議廳相同。

圖4 次檁條局部加密設計圖

2.2 兩側壓型鋼板鏈接件的優化

在金屬屋面的工程中，由多種的構造層組成，以平潭項目為例，為了使屋面具有保溫隔熱的功能需要在屋面的構造層內設置保溫巖棉，經過測算保溫巖棉選擇布置兩層容重為 100 kg/m3的方案，巖棉下方需要設置一層壓型鋼板承托巖棉的重量，巖棉上方則需要另外一層壓型鋼板承托找平板、固定座、屋面板等構件，兩層保溫巖棉的高度為 120 mm，則兩層鋼板的最小凈距也為 120 mm，若鋼板之間無任何連接則整個屋面體系有厚 120 mm 的空腔，此位置極易形成屋面的薄弱點，為了解決這個問題，屋面就必須設置一種能夠鏈接底層鋼板與上層鋼板的連接件［1］。若連接件繼續選用方鋼檁條則增加了整個屋面重量使主次檁條的受彎荷載增大的同時也增加了施工的材料成本，所以需要一種重量輕、造價低、具有一定的承載力構件連接兩層鋼板。

由此，項目選擇了兩種不同規格的幾字形檁條組合起來連接兩層壓型板，其方案是制作長 130 mm、寬130 mm、高 145 mm 的幾字型襯托與底層壓型鋼板用自攻釘鏈接，制作寬 120 mm，高 40 mm 的通長幾字型檁條與幾字型襯托用自攻釘鏈接，其連接形式如圖5 所示。在幾字檁條上方同樣使用自攻釘鏈接上層壓型鋼板，由此兩層鋼板由兩種幾字型連接件牢靠地連接在了一起，如圖6 所示。這種連接方式避免了屋面體系存在空腔的問題，極大地提高了屋面的抗風能力。

圖5 幾字型襯托與幾字型檁條鏈接形式

圖6 連接件與兩層鋼板的鏈接形式

2.3 自攻釘的排布優化

以平潭項目為例，屋面的壓型鋼板上設計有找平鋼板、L 型固定座，以壓型板的板肋間距為單位作為找平板的寬度，以 1 m 作為找平板的長度，找平板寬度方向垂直于壓型板的板類方向布置，如圖7 所示。壓型板與找平板采用平頭自攻釘與鉚釘十字交叉相結合的方式進行連接，布置方式如圖8 所示。如此布置能夠將每一顆自攻釘與鉚釘安裝在壓型板的板肋上面，平頭自攻釘的規格為 ST 5.5×22，鉚釘規格為 M 4.8×16。依據公式（3）［2］，得單個自攻釘的抗拔承載力設計值為 1.9 kN。

圖7 找平鋼板的布置方式

圖8 平頭自攻釘與鉚釘布置方式

式中:為單個自攻釘的抗拔承載力設計值，N；tc為鉆入基板的深度，mm；d為自攻釘直徑，mm；f為基板的抗拉強度設計值，N/mm2。

依據風洞實驗負風壓最大值為 8.9 kN/m2，自攻釘的橫縱間距為 0.235 m×0.18 m，故而負風壓對自攻釘的拉力為 0.75 kN（取 2 倍的安全系數），由此可見，自攻釘的承載能力遠大于風荷載形成的拉力，結構處于安全。在此基礎上，考慮到壓型板與找平板的厚度較薄，對自攻釘的拉拔能力有所折減，可將每顆自攻釘下 70 mm 處安裝一顆鉚釘，將其錯位布置，成咬合型形狀，兩種緊固件的綜合使用，增強壓型板與找平板的連接能力，也能提高抗拔的能力［3］，進而提高整個金屬屋面的整體性，增強屋面的抗風揭能力，進一步加強這一構造層的抗風能力，如圖8 所示。

2.4 固定座與屋面板的優化

固定座是由 L 形的 0.2 m 不銹鋼板和 0.8 m 不銹鋼底墊組成，固定座的側面與不銹鋼屋面板進行焊接，底座則與找平板通過預制孔用平頭自動釘鏈接。每個固定座采用 2 顆自攻螺釘與下面的找平板連接固定，如圖9 所示。由于檐口地區的風壓比較大，需要在檐口處進行特殊加密，加密的方式有兩種:①將檐口部分固定座的橫縱間距由 400 mm×500 mm 調整為300 mm×400 mm；②在檐口的最外排固定座由原來的60 mm 調整為 300 mm，如圖10 所示。

圖9 不銹鋼固定座

圖10 加長固定座的位置

2.5 金屬屋面版型的優化

焊接不銹鋼屋面板整體軋制成形，包括:底面板、左立肋和右立肋，其中，左立肋和右立肋為對稱結構，其與底面板相交位置為弧形過渡，左立肋和右立肋為垂直豎邊，整個板型成對稱的 U 型槽。屋面板的安裝則是通過焊接的方式將屋面板與支座焊接為一體，焊接的連接方式相比傳統的咬合連接方式強度大幅度的提高，屋面系統的抗風性能力得到極大的加強，解決了屋面抗風揭的問題。經過抗風揭試驗，靜態抗風能力可達16.35 kPa 未破壞，相當于 17 級臺風未破壞。而常規金屬屋面抗風部位使用扣合連接，鋁合金鎖邊系統屋面抗風極限可抵抗 10 級臺風（加抗風夾），鍍鋁鋅系統屋面極限可抵抗 14 級臺風。由此可見，焊接不銹鋼屋面板的抗風能力遠高于常規金屬屋面的抗風能力。

面板與支座全焊接連接，板面與板肋微橫紋吸收溫度變形。120 ℃ 溫差條件進行溫度實驗，應力及變形均通過。若使用常規屋面板肋與固定座為扣合式連接，板塊在固定座部位滑動，消化溫度變形。在面板長度大的情況下，鋁合金屋面可能會出現較大的伸縮。利用密支承、不滑動的固定支座，將金屬屋面系統的溫度應力及變形消化在 0.12～0.24 m2的范圍內，整個屋面系統處于相對穩定狀態，避免了其它金屬屋面系統的不斷伸縮變形滑動所帶來滲漏、脫落等隱患，連續焊接不銹鋼屋面施工工藝的創新，在保障大面部位無縫連接的同時，特殊交接部位的接縫處理均采用焊接工藝，實現全面防水，金屬屋面所有縫隙都進行了封閉，提高了面層的密閉性。

3 結語

強臺風地區金屬屋面系統常常因為屋面抗風揭能力不足而導致事故，本文介紹的抗風揭技術對檁條支撐層到不銹鋼面層進行了優化，提高了屋面的抗風揭能力，解決了強臺風地區金屬屋面抗風能力不足的缺點。對建筑的耐久、安全和功能有重要意義，降低了金屬屋面的年化成本，符合國家可持續發展理念，符合當前國家節能減排的產業政策和建筑工業化、標準化、資源化的發展方向，能夠為后續類似工程提供參考價值。