直立锁边金属屋面抗风性能试验研究

莫卓凯，赖燕德

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

0 引言

金属屋面是屋面板与水平方向夹角小于75°且不分担建筑主体结构所受作用的建筑围护结构，其主要由上部金属面板与下部支承体系组成［1］。金属屋面最早出现在欧式建筑中，现已有近90年的发展历史，在国内外的各类建筑中得到了广泛应用［2-4］。金属屋面具有如下主要特点：①质量轻；②基于金属板及表面涂层的耐久性，耐老化、耐腐蚀好；③强度高，结构性能稳定；④防水性能良好且稳定持久［5］；⑤有良好的可加工性，能满足不同建筑的外观需求；⑥外观适用性广，可以用于各种形状的屋面结构；⑦易于施工安装［6］；⑧为绿色材料，金属材料可回收循环利用。

随着金属屋面系统的广泛应用，各种与之相关的工程问题也不断出现，其中最为多见的便是屋面风致破坏、渗漏、腐蚀等问题。其中，金属屋面风致破坏造成的社会影响最为恶劣，经济损失最大。

直立锁边金属屋面是目前工程中使用最为广泛的金属屋面之一。直立锁边金属屋面系统因其新颖美观、轻巧灵活的特点，在许多新建的体育场馆、火车站等公共建筑的屋面围护系统中得到了广泛的推广应用。

1 直立锁边金属屋面构造介绍

直立锁边金属屋面属于咬合式屋面系统，主要构造形式如图1所示，直立锁边金属屋面是由与下部支承檩条和上部金属屋面板连接的T形码支座、U形的金属屋面板以及板下的多种构造措施组成的金属屋面系统的一种。其具有质量轻、强度高、设计灵活、防水性能和抵御温度应力性能优异等优点，因此其特别适合在大型公共建筑的屋面系统（尤其是大跨度的屋面系统）中采用［7-9］，并且倍受屋面系统设计师的青睐。工程中，直立锁边金属屋面还经常与其他屋面系统搭配使用。例如深圳市当代艺术馆与城市规划展览馆内层为直立锁边金属屋面，外层为石材屋面；深圳宝安国际机场卫星厅内层为直立锁边金属屋面，外层为铝板屋面。

图1 直立锁边金属屋面构造示意图Fig.1 Schematic Diagram of Standing Seam Metal Roof

2 直立锁边金属屋面抗风性能试验研究

2.1 试件设计

屋面板选用0.9 mm厚直立锁边屋面铝板；檩条选用规格为200 mm×76 mm×壁厚1.5 mm的钢方管；固定座选用铝合金T形码固定座，截面高85 mm。选用6个试件进行试验，设计试件参数如表1所示。分区情况如图2所示。

表1 设计试件参数Tab.1 Design Parameters of the Specimens

图2 分区情况示意图Fig.2 Schematic Diagram of Partition（mm）

2.2 加载方式

对试件依次施加峰值为750 Pa（10次）、1 250 Pa（10次）、1 750 Pa（10次）、2 250 Pa（10次）、2 750 Pa（10次）、3 000 Pa（10次）、3 250 Pa（10次）、3 500 Pa（10次）、3 750 Pa（10次）、4 000 Pa（10次）、4 250 Pa（10次）、4 500 Pa（10次）的反复受荷检测压力差，直至试件损坏。3个区分别考察试验结果，1个区破坏后加固试件破坏区域，继续进行另2个区的试验，直到3个区均出现破坏。

2.3 试验结果

通过试验过程观察，发现屋面板破坏多为T形码固定座与屋面板连接处滑脱导致破坏。试验结果如表2所示，破坏情况如图3所示。

图3 试件破坏及安装情况Fig.3 The Damage and Installation Situation of Specimen

从表2可知：①T形码固定座间距增大，试件极限风压降低；②T形码固定座长度越大，试件极限风压越高。说明减小T形码固定座间距，加长T形码固定座长度可以有效地加强直立锁边金属屋面的抗风揭性能。

表2 试件极限风压结果Tab.2 Extreme Wind Pressure Results

3 直立锁边金属屋面带外层装饰铝板屋面抗风试验研究

3.1 试件设计

工程中，许多屋面系统为组合形式，内层为直立锁边屋面，外层多为铝板屋面。选取一个组合屋面试件进行试验研究。直立锁边屋面板选用1.0 mm厚铝镁锰板；铝板选用3.0 mm厚铝单板；试件尺寸均为宽3 860 mm×长5 700 mm；铝镁锰板分格尺寸为宽300 mm×长5 500 mm；铝板分格尺寸为宽1 000 mm×长3 000 mm。试件安装情况如图4所示。

图4试件安装情况Fig.4 The Installation Situation of Specimen

3.2 加载方式

采用《强风易发多发地区金属屋面技术规程：广东省标准DBJ/T 15-148—2018》［10］中的抗风揭检测方法来进行试验。

3.2.1 抗风揭性能（动态）

试验指标：wd=7 230 Pa，W=1.4wd=10 122 Pa。

动态加压周期包括压力上升和下降，压力上升时间≤2 s，下降时间≤1 s，单个波动周期应≤3 s。

参照动态负风压试验阶段及风压载入比值，如图5所示，从阶段A开始，按顺序完成各个阶段的测试。各阶段的动态风压加载比例如表3所示。

表3 动态风压加载比例Tab.3 The Dynamic Wind Load Ratio

图5 动态风压加载示意图Fig.5 Schematic Diagram of Dynamic Wind Load

3.2.2 抗风揭性能（静态）

试验指标：wd=7 230 Pa，W=1.6wd=11 568 Pa。

采取阶梯式逐级加载，如图6所示，每级保压60 s，直至试件出现破坏失效为止。

图6 静态加载示意图Fig.6 Schematic Diagram of Static Load

3.3 试验结果（试件1）

3.3.1 抗风揭性能（动态风压）

按照图5、表3动态负风压检测阶段及风压载入比值，从阶段A开始，按顺序完成各个阶段的测试。试验过程中，试验现象如表4所示。

从表4可知，直立锁边面板根据风压荷载的变化而产生变形，风压越大，变形量越大，风压减小，变形量减小，变形最后可恢复至初始状态。随着风压幅值的变大，构件连接处会产生响动，风压幅值达到试件风压设计值时，由于面板变形量过大，试件局部出现缝隙，导致出现漏气的尖锐声音。

表4 动态风压加载比例Tab.4 Dynamic Wind Pressure Loading Ratio

3.3.2 抗风揭性能（静态风压）

按照图5、表5，采取阶梯式逐级加载，每级保压60 s。加载到11 788 Pa时，试件发生损坏，直立锁边屋面板与固定座脱开。损坏情况如图7所示。

表5 静态加压顺序Tab.5 Static Pressurization Sequence

从图7可知，直立锁边面板根据风压荷载的加大，变形增大，基本呈现线性变化趋势。当压力超过风荷载设计值之后，变形加剧，最后屋面板与固定座脱开。

图7 试件损坏情况Fig.7 The Damage Situation of Specimen

4 结论

本文通过直立锁边金属屋面抗风性能试验与直立锁边金属屋面带外层装饰铝板屋面抗风试验研究，得出如下结论：

⑴直立锁边金属屋面破坏多为屋面板与固定座滑脱破坏。

⑵T形码固定座间距越大，直立锁边金属屋面强度越低。

⑶T形码固定座长度越大，直立锁边金属屋面强度越高。

⑷在受风情况下，直立锁边面板根据风压荷载的加大，变形增大，在设计风荷载值以内的变形可以恢复，为弹性变形。

⑸减小T形码固定座间距，加长T形码固定座长度可以有效地加强直立锁边金属屋面的抗风性能。