金屬屋面系統(tǒng)抗風揭性能的試驗研究
秦國鵬 劉美思 劉 毅 侯兆新 孫 超
（中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）
摘 要：由于金屬屋面系統(tǒng)的設計方法尚不成熟，近年來金屬屋面被狂風掀起的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，如何有針對性地開展此類屋面系統(tǒng)的抗風揭性能研究，具有重要的意義。通過試驗手段，對工程常見的金屬屋面系統(tǒng)進行相關的抗風揭試驗研究，獲得了相關的荷載-變形、荷載-應變曲線，并對相關試驗結果進行分析。試驗結果表明：該金屬屋面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。
關鍵詞：金屬屋面；抗風揭；試驗研究；分析DOI:10.13206/j. gjg201603005
金屬屋面系統(tǒng)因承擔防水、承重等建筑和結構功能，其性能質量將直接關系到建（構）筑物系統(tǒng)的使用和安全。近年來，金屬屋面系統(tǒng)因質量輕、板材薄、板間機械咬合強度低等特點，在臺風、風暴等惡劣氣象條件的影響下，常發(fā)生屋面金屬表層被風掀起的事件。因此，針對金屬屋面系統(tǒng)的抗風能力開展系統(tǒng)、全面的研究，就顯得尤為重要。
目前，針對屋面系統(tǒng)的研究，國內各類金屬屋面的供應商和科研機構進行得較少。為此，通過試驗手段研究了直立鎖邊鋁合金屋面系統(tǒng)在風吸力作用下的破壞機理，揭示其破壞過程中的一般性規(guī)律，可為建材商、設計人員、施工單位提供一定的借鑒與參考。
1試驗準備
1.1 試驗概況
試驗在中冶建筑研究總院的建筑圍護系統(tǒng)實驗室內進行，采用的抗風揭試驗臺尺寸為3.6 m×7.4 m。待測試的屋面系統(tǒng)為65/400型直立鎖邊鋁合金屋面系統(tǒng)，所用材料和構造形式與工程實際做法完全相同，相關的試驗參數(shù)見表1。
試驗共制作兩組對比試件，即試件A、試件B。其中，試件A表面的抗風加強夾間距為1000mm，試件B表面的抗風加強夾間距為500mm，兩試件其他參數(shù)均相同。
試件組裝時，應嚴格按照屋面系統(tǒng)安裝說明進行。首先，將屋面檁條用自攻釘固定在試驗箱底部；然后，在檁條上方鋪設氣膜，用以傳遞內部風壓至金屬面板；其次，將T型支座用自攻釘固定在檁條上方；隨后，依次安放鋁合金屋面板，并利用鎖邊機逐一鎖邊，直至所有屋面板安裝完畢。典型的試件組裝過程見圖1。
1.2 測試內容
如圖1e所示：在試件中心部位波峰的3個支座及其跨中兩個位置放置位移計，以測5個點位在負風壓作用下的豎向撓度；在試件中心鋁板的兩波峰位置沿板長方向貼4個應變片，在相應波谷位置沿板長方向貼4個應變片，沿板寬方向貼2個應變片。試驗采用分級加載制，通過強力引風機向試驗平臺內充入空氣，形成穩(wěn)定氣壓差，來模擬實際情況中負風壓作用。
1.3 加載過程
試驗加載主要分為兩個階段：第一階段為靜力加載階段：從0 k Pa加壓至2.9 k Pa，分8級加壓，即0. 36，0.72，1.08，……，2.90 k Pa，加壓達到相應氣壓值后保持壓力60 s，然后再加壓；第二階段為極限承載力加載階段：從0 k Pa加壓至試件破壞，同樣為分級加壓，在2.9 k Pa前分4次加壓，其后每級氣壓增量為0. 36 k Pa，即0.72，1.44，2.16，2.90，3. 26,3.62 k a，……。第一階段靜力加載階段，測量撓度和應變；第二階段極限承載力階段，考慮到變形過大對測量儀器的損壞，在此階段撤除了位移計，只測量應變。
2試驗結果
2.1破壞形態(tài)
對于試件A在加載初期，氣壓為0~1. 44 k Pa時，處于彈性階段，達到1. 44 k Pa時試件發(fā)生彈性變形，波谷在豎直方向出現(xiàn)小的變形，氣壓回落到O k Pa時試件恢復到初始狀態(tài)；當加壓到2.9 k Pa，持荷60 s，回落到0 k Pa后，發(fā)現(xiàn)個別區(qū)域出現(xiàn)永久變形，不能自行恢復到初始狀態(tài)；當加壓到4. 31 k Pa時，持荷30 s發(fā)生破壞，鎖縫處與T型支座脫開，鋁板出現(xiàn)嚴重變形。對于試件B，在彈性階段和彈塑性階段與試件A情況相同；在破壞階段，加壓至6. 51 k Pa，持荷41 s發(fā)生破壞，鎖縫處與T型支座脫開，鋁板出現(xiàn)嚴重變形，鋁板與防風夾接觸位置發(fā)生撕裂。破壞情況如圖2所示。
2.2 荷載-應變關系曲線
試件A與B在試驗加載過程中，跨中位置處（SG2-波谷橫向應變）的荷載-應變關系見圖3。
由圖3可以看出：在第一階段（彈性狀態(tài)），在2 k Pa相同荷載作用下，由于試件B的加強夾間距為試件A的1/2，其屋面板自由變形的性能受到一定的約束，此時試件B的應變約為試件A的1. 25倍；在第二階段（承載力極限狀態(tài)下），試件B的極限承載力約為試件A的1.5倍，表明經(jīng)加強夾加密的試件B其整體承載力均得到了提高。
2.3 荷載-撓度關系曲線
在圖3中可以看出：在初始階段，試件A和試件B在2個測點處的荷載-撓度曲線基本重合，呈線性關系，表明在彈性階段加強夾對屋面板（風吸變形）的約束不明顯；在極限承載力階段，由于受支座的約束作用，屋面板支座處的撓度始終小于跨中位置。由于試件B采用了加強夾加密，其在較大荷載下仍具備較大的變形能力，而不發(fā)生破壞，其極限撓度值約為試件A的1.6倍。
3 結束語
通過對金屬屋面系統(tǒng)的兩組抗風揭對比試驗得出了如下結論：首先，經(jīng)加強夾加固的屋面系統(tǒng)，其整體抗風性能得到了一定的提升；其次，屋面系統(tǒng)的抗風承載力隨著加強夾間距的增大而減小，本文中試件B的加強夾間距為試件A的1/2，其極限承載力為試件A的1.5倍；此外，在屋面板布置加強夾時，應做到經(jīng)濟、合理，過密的布置做法會產(chǎn)生局部過分的約束及應力集中現(xiàn)象，進而造成金屬面板在往復風載作用下的疲勞破壞。
