徐國軍

淺析直立縫金屬屋面系統(tǒng)的抗風性能

徐國軍

本文主要介紹了在不同自然條件下大型公共建筑直立縫金屬屋面系統(tǒng)如何保障其抗風性能的解決方法，針對直立縫金屬屋面系統(tǒng)的抗風問題，主要從設計、生產(chǎn)制作、現(xiàn)場施工等三方面出發(fā)，通過一體化的系統(tǒng)解決方案到系統(tǒng)應用過程中容易忽略的細節(jié)處理，全方位的保障直立縫金屬屋面系統(tǒng)的抗風性能。

金屬屋面；系統(tǒng)設計；抗風

1.概述

隨著國內(nèi)大型鋼結構建筑的不斷涌現(xiàn)，直立縫金屬屋面系統(tǒng)也得到普遍應用。其優(yōu)勢在于單塊屋面防水板可以做到100m甚至更長，這樣減少了屋面上的縱向搭接，提供了更加靈活的選擇性；結構采用點支撐的受力形式，沒有緊固件穿透防水面板，杜絕了穿透屋面產(chǎn)生的防水隱患；屋面板公母肋邊通過機械咬合的方式與高強鋁合金支座咬固可以使防水板本身自由伸縮，解決大長度板件的熱脹冷縮問題。正因為這樣的諸多優(yōu)勢，致使很多建筑都采用這套系統(tǒng)。但是，在工程實際應用過程中因沒有考慮建筑自身與本套系統(tǒng)的適用性以及項目所在地點的自然條件，導致屋面板局部被強風破壞或大面積揭起的現(xiàn)象（如下圖）。

面對直立縫金屬屋面系統(tǒng)實際應用過程中產(chǎn)生的抗風問題：我們選擇什么樣的直立縫屋面板板型能夠滿足建筑的防水抗風需求；采用什么樣的結構布置體系才能更加科學合理的滿足建筑的抗風需求；怎樣的節(jié)點構造可以提高薄弱環(huán)節(jié)的抗風性能以及施工過程中如何規(guī)范的安裝操作，這些都將直接對系統(tǒng)的抗風性能產(chǎn)生影響。

2.直立縫金屬屋面的系統(tǒng)設計

2.1 金屬屋面系統(tǒng)抗風設計中屋面板的選型

以直立縫金屬屋面體系為例，選擇合理的板型，保證金屬屋面板的排水斷面，通過板件自身的截面特性保證其剛度和抗風性能。國內(nèi)直立縫金屬屋面板通常選擇肋高65mm，板寬400mm的板型；可以通過選擇肋高65mm、板寬300mm的板型，提高單塊板件的截面剛度，同時增加了支座個數(shù)（2.6個/m2），提高了屋面板與固定支座的咬固力。（通過試驗測試：在1.5m檁條間距前提下，板400mm寬，抗風1.4kpa；板300mm寬，抗風2.9kpa）

2.2 金屬屋面系統(tǒng)抗風設計中結構檁條的布置原則

根據(jù)所建項目的風洞試驗報告或者荷載規(guī)范要求，針對風荷載較大區(qū)域、風吸風壓差較大區(qū)域進行著重設計。通常情況這些區(qū)域集中在大懸挑檐口位置、屋脊位置以及體型復雜區(qū)域。在滿足結構設計的前提下，人為加密敏感區(qū)域的結構檁條間距作為屋面抗風能力的安全儲備，減少不可預測的自然災害的破壞。

慣性矩對比表

檁條加密

天溝抗風節(jié)點圖

2.3 金屬屋面系統(tǒng)抗風設計中的節(jié)點構造作法

2.3.1 直立縫金屬屋面板的咬合方向應根據(jù)工程建設地點的常年主導風向進行設置，在順風向的情況下，應該采用大肋咬合小肋的方式，提高水密性和抗風性能。

2.3.2 金屬屋面系統(tǒng)抗風設計中緊固件的應用

金屬屋面系統(tǒng)的緊固件應該保證其連接強度，保證緊固件的耐久性與設計壽命相同。根據(jù)連接形式選擇有效錨固長度的緊固件，保證連接的可靠性；針對緊固件的強度設計，強度安全系數(shù)K建議選取2；固定螺釘?shù)牟馁|(zhì)建議選擇不銹鋼材質(zhì)，解決電化學腐蝕問題，保證其耐腐蝕性；除結構計算需要外，仍需要考慮現(xiàn)場安裝等非線性因素，關鍵部位的緊固件連接采用增加安全儲備的方法實施。例如：固定支座與檁條連接，計算使用2顆不銹鋼自攻螺釘，可在檐口區(qū)域、自由端區(qū)域采用4顆不銹鋼自攻螺釘進行固定。

2.3.3 金屬屋面板自由端、斜切邊風荷載雙路徑傳遞

針對金屬屋面系統(tǒng)中存在面板自由端的檐口、屋脊、天溝邊區(qū)域以及屋面板斜切的區(qū)域，通過抗風件的設置，不改變屋面板熱脹冷縮的特性的前提下，將風荷載進行二個路徑傳遞：其一，仍然是傳統(tǒng)的設計原理，依靠屋面板與固定支座的咬合力承擔一部分風荷載；其二，通過抗風配件A將屋面板連貫起來（見下圖），由原來的單塊板件獨自受力，改變?yōu)樗形菝姘逡黄鹜瑫r受力，并且將一部分風荷載通過抗風配件B傳遞給下部檁條，大大提高了自由端的抗風性能。

對于不規(guī)則的屋面斜切區(qū)域，斜切位置超過標準配件的規(guī)格，而且每塊板件的斜切長度盡不相同，采用抗風件的設置不但解決了無法應用標準防水抗風配件（內(nèi)堵頭等）的問題，還提高了斜切區(qū)域的抗風能力，使屋面板自由端更加能夠抵抗風荷載。

1抗風配件A，2通長抗風配件B，3直立縫金屬屋面板，4固定支座，5邊檁條

2.3.4 屋脊的構造作法

屋脊是建筑標高最高的位置，對其防水性能和抗風性能都有較強的要求，而且屋脊的施工都是在金屬防水板鋪設完成后進行安裝，一旦安裝完成后的面板在安裝屋脊蓋板時被踩踏變形后，端頭位置的公母肋咬合產(chǎn)生松動，其抗風性能大大折減，而且由于變形配套的外堵頭也起不到設計的目的。所以屋脊節(jié)點的位置既要解決防水、抗風問題，又要解決施工中對成品產(chǎn)生破壞的施工構造措施。

通常的屋脊作法采用屋脊蓋板與在防水板波谷里面設置的外堵頭進行連接，屋脊蓋板通過緊固件進行連接的連接質(zhì)量以及外堵頭的安裝質(zhì)量直接影響屋脊節(jié)點的抗風能力，往往由于節(jié)點的質(zhì)量不容易控制導致被大風破壞（如下圖）。

在屋脊位置垂直于屋面板方向設置一根結構骨架作為直立縫鎖邊板支座的結構支撐，采用兩塊半塊通長的屋面板咬合替代原來使用拉鉚釘進行連接的屋脊蓋板，這樣提高了屋脊節(jié)點的構造抗風性能以及施工工藝的整體操作性（見下圖）。屋脊范圍800mm區(qū)域內(nèi)容易被踩踏的區(qū)域，設置Z型襯檁，并且將保溫層更換為不容易受壓變形的高密度巖棉，決絕不規(guī)范施工造成的對此區(qū)域屋面板的踩踏問題。

2.3.5 泛水板的抗風設計

泛水搭接處過多的采用了密封膠，搭接長度不夠，緊固件間距過大引起泛水變形，人為破壞泛水板，如踩踏變形；泛水搭接不密封，泛水支撐不到位。

設計泛水搭接時需要考慮搭接位置的密封性能、抗風性能。泛水板的厚度和材料通常與屋面板保持一致，采用薄板制作。當泛水板寬度大于200mm時，板面的剛度、平整度就很難控制，建議泛水板寬度不要大于200mm，若無法避免時，可采用彎折加勁肋的方式提高板的剛度；也可采用泛水板直接搭接方式或增加背襯板方式連接（見下圖）。

泛水板搭接

金屬泛水板在設計時還需要考慮安裝時的溫度和季節(jié)影響，在極冷的冬季和極熱的夏季安裝泛水板，設計和安裝時需要考慮設置泛水板的伸縮縫，這個距離需要根據(jù)現(xiàn)場安裝時的溫度來確定。

以上是從設計角度的構造考慮，合理周全的設計固然重要同時也需要精確的加工和制作作為設計實施的保證。

3.直立縫金屬屋面板的加工精度控制

直立縫金屬屋面板的加工偏差以及零配件的制作精度都直接影響系統(tǒng)整體的抗風性能。其中防水板公母肋的加工尺寸是否達到設計要求，公母肋咬合后的具體尺度是否達到要求，都直接影響直立縫金屬屋面板的抗風能力。

壓型鋼板制作的允許偏差（mm）

壓型鋁合金板允許偏差（mm）

4.直立縫金屬屋面板的施工精度控制

施工過程中的精度控制對直立縫金屬屋面板的抗風性能尤為重要。支座的固定情況以及安裝偏差直接決定了屋面板的抗風揭能力。沿板長方向，相鄰支座橫向偏差將會造成板肋側向彎曲，在此規(guī)定偏差≤±2.0mm；沿板寬方向，相鄰支座縱向偏差不直接影響壓型金屬板安裝，但如果支座偏差過大，將會超出固定支架（座）的檁條或支撐上翼緣范圍或接近邊部，支座將不能固定或影響固定質(zhì)量。規(guī)定偏差≤±5.0mm；沿板寬方向相鄰支座橫向間距偏差即板寬方向偏差應滿足板寬偏差要求。安裝間距過大，壓型板安裝時板肋往兩側張開，影響板肋與固定支架（座）咬合力。安裝間距過小，小于壓型板覆蓋寬度，則壓型板不能安裝扣合。根據(jù)表中第兩條限制，但控制負偏差，規(guī)定偏差≤+4mm，-2.0mm；相鄰支座高度偏差會造成板肋上下波浪高差，根據(jù)《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205）中規(guī)定，偏差值≤±4.0mm；支座縱、橫傾角偏差系根據(jù)常用支座高度和傾角產(chǎn)生的偏差值，并結合實際工程經(jīng)驗確定。

[1]《裝配式金屬屋面系統(tǒng)行業(yè)標準》裝配式金屬屋面系統(tǒng)

[2] 中華人民共和國國家標準.屋面工程技術規(guī)范GB50345-2012.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 中華人民共和國國家標準.屋面工程質(zhì)量驗收規(guī)范GB50207-2012.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

（作者單位：上海精銳金屬建筑系統(tǒng)有限公司）

TU231

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1671-3362（2015）10-0064-03