金属屋面系统工程应用分析

汪 明 波

(华南理工大学，广东 广州 510641)



金属屋面系统工程应用分析

汪 明 波

(华南理工大学，广东 广州 510641)

通过对金属屋面工程风灾的调查，分析了金属屋面工程应用中存在的主要问题，并采用有限元软件ANSYS，探讨了自攻螺钉YX27-745型屋面板安装质量对抗风承载力的影响，提出了一些金属屋面板的应用建议。

金属屋面，ANSYS，螺钉，抗风性能

金属屋面系统主要由冷弯薄壁金属板及保温、隔热、防潮、吸声等构造层组成，相较于传统屋面做法，具备质量轻、耐久性好，维护少、具有良好的防水性能、外观适用性广、易于施工安装等优点。由于金属屋面板系统的这些优点，其广泛应用于下列建筑中：

1)大跨度公共展示建筑，如会展中心；2)大跨度公共演艺中心，如大剧院、艺术中心；3)大型交通枢纽中心，如机场、火车站；4)体育建筑，如体育馆；5)大跨度工业建筑，如厂房、物流中心。图1,图2为金属屋面板在建筑工程中的应用。

1 金属屋面工程风灾调査

金属屋面系统的安全包括了防水、防火、抗风揭、抗冰雹、抗踩踏、耐久性等方面，其中抗风揭关系到建筑屋面系统在大风条件下是否安全可靠，对建筑的安全性影响重大，产生破坏造成的损失也非常严重。因此，无论国内国外，对建筑的风荷载安全都很重视。然而近年来，沿海地区和风力较大地区却出现大量工程屋面发生破坏的案例。2008年9月广东某体育馆金属屋面系统受强台风“黑格尔”正面作用而遭受严重破坏；2007年7月，武汉机场二期主候机楼的金属屋面板被突如其来的大风破坏；2010年9月大风导致泉州火车站屋面漏雨，致使部分列车晚点乃至取消；2012年8月，台风“海葵”作用下，沪宁城际苏州园区站金属屋面遭受严重破坏；首都机场T3航站楼于2010年、2011年和2013年三次被风掀开，严重影响机场正常使用；2014年，受9号台风“威马逊”影响，海口琼台师专体育馆金属屋面遭受严重破坏，体育馆内漏水严重；2015年，台风“彩虹”登陆湛江造成宝钢工程围护结构损失严重。此类风灾事故严重影响人民的生命财产安全。研究金属屋面系统对这类问题的规避起着重要作用。

2 金属屋面工程应用的主要问题

1)相关标准、规范少，行业管理缺失。我国[1]对金属压型板的规范仅有《铝及铝合金压型板》《建筑用压型钢板》两种，而随着建筑材料的发展，各类金属材料加入了金属压型板中，而类似对于不锈钢板、铜板、钛及钛合金板的相关产品标准缺乏。对于屋面板系统应用从设计到施工再到围护都没有相关专业规范，仅在《屋面工程质量验收规范》《钢结构工程施工质量验收规范》《屋面工程技术规范》《坡屋面工程技术规范》《采光顶与金属屋面工程技术规程》等里面有所涉猎，但不具体，而对于屋面的抗风性能检测这块缺失，国内抗风检测所用的相关规范都借鉴国外的规范，类似美国的ASTME 1592-2005，UL 580-2006，FM 4474-2004以及加拿大的CSA A123.21。金属屋面围护工程缺乏行业管理组织与机构，缺乏相关监督。

2)国内金属屋面产品技术含量低。正如上述所说由于缺乏相关规范及管理单位，各厂家生产的金属屋面板质量参差不齐，导致不同厂商生产的同一板型的抗风掀能力差距甚大。

3)国内金属屋面系统施工质量不能得到保证。对于屋面板系统施工单位的相关资质国内未有规定，导致屋面板系统施工的质量得不到保证。对于自攻螺钉金属屋面系统，螺钉的预紧力过大或过小对其抗风性能影响较大，而熟练度不同的工人导致的螺钉安装质量差距甚大；对于常用的直立锁边屋面系统，其抗风承载力主要靠锁边处的咬合强度来体现，而其咬合强度取决于施工人员的技术；对于同样新型的焊接屋面系统，其焊接质量也取决于工人的熟练程度。

4)屋面系统未有相关设计资质要求。金属屋面工程没有特定的行业和专业，也没有关于金属屋面设计内容、深度和责任的相关规定，同时未有相关单位资质要求，目前在金属屋面工程设计阶段，大部分设计院仅在设计中说明是“金属屋面，详见厂家图纸”，不仅对金属屋面基本要求不全面，且深化设计不做技术审核确认。同时工程承包单位往往考虑利润而在屋面上投入不大。设计单位由于相关经验、知识的不足，导致在设计过程中技术考虑比较欠缺。例如2016年广州白云机场航站楼屋面在远远不及设计风压大小的风荷载下被掀，同时澳门东亚体育馆屋面设计不合理，以致屋面系统支座被磨平从而导致屋面被掀。

3 实例有限元分析

针对我国金属屋面系统工程应用所存在的问题，就施工质量问题，利用有限元软件ANSYS对自攻螺钉YX27-745型屋面板进行分析。YX27-745型金属板如图3所示。

用有限元数值模拟的方法分析自攻螺钉金属屋面板抗风性能，首先需保证有限元模型的正确性，在此基础上才能利用数值方法分析其抗风性能。Y.L.Xu[2]指出，对于压型板金属屋面而言，利用两跨的屋面板形式来研究其得到的结果是安全保守的。同时Y.L.Xu[2]又指出当屋面板较大时，自攻螺钉金属板之间的搭接缝对于其抗风性能的影响不大，可以忽略其影响，当做屋面板是由无限的连续板组成的。故可建立单波宽两跨模型如图4所示,有限元模型截面见图5。

在自攻螺钉金属屋面板试验安装过程中，金属屋面板通过螺钉与檩条连接在一起，金属板安装施工人员熟练程度不同，螺钉安装的质量不同，螺钉安装的质量对板系统承受风揭能力有影响。螺钉的安装质量问题主要表现为两个方面：

1)螺钉安装的过紧从而垫片被压碎，板产生初始变形；

2)螺钉安装的过松从而板与檩条连接不紧密，在风荷载下，疲劳效应明显。在实际工程应用中，主要出现第一种螺钉安装质量问题。初始安装缺陷图见图6。

参考中螺钉的预紧力[3]分析，在分析中将螺钉头与金属板的初始相对位置的不同视为不同的初始缺陷值。在加载试验荷载之前先加载位移荷载，使螺钉头向下移动d，分析d=0.5 mm，d=1.0 mm，d=1.5 mm，d=2 mm四种初始情况下板的应力变形情况。板面最大等效应力、板面节点最大位移如表1～表3所示。

表1 最大等效应力

表2 板面测点最大位移 mm

表3 模型承载力折减

可以看出随着初始缺陷的增加，在螺钉连接处板型的变形越大，同时初始等效应力也较大，对后期金属屋面板的使用产生的不良影响更大，承载力越低。

4 结语

金属屋面板系统在工程应用中越来越广泛，但同时也存在着不小的问题，对于我国金属屋面板的应用给出如下建议：

1)相关规范、技术规程应尽快完善，从源头上避免工程施工的发生；

2)相关研究单位应配合工程需求，研究各类金属屋面板的抗风机理，为设计单位、施工单位提供相应的技术理论支持；

3)规范金属屋面市场，板型供应单位、设计单位、施工单位、监督单位应制定相应的要求。

[1] 黄 唯,周怀伟.金属屋面板系统的发展与应用[J].钢结构与金属屋面新技术应用,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] 张洪伟,高相胜，张庆余.ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用[M].北京：中国水利水电出版社,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，在读硕士

TU765

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