浅析沿海高风压地区不锈钢金属屋面的抗风揭技术

孙小强，高辰冬，谢一鸣

（中建二局安装工程有限公司，北京 100176）

0 引言

平潭是海岛地区，常受热带风暴影响，年平均 6.3次，年平均风速 6.9 m/s，湾海地区全年大风（7 级以上）日数为 125 d，是强风区之一，100 年重现期的基本风压达到了 1.6 kN/m2，是全国基本风压最大的地区。其高风压、高腐蚀的特点使得常规金属屋面无法满足设计需求，平潭海洋国际会展中心项目大胆创新，采用了耐久性、防风掀性能均表现优异的不锈钢金属屋面，并对不锈钢金属屋面的抗风揭技术进行了研究。本技术大大提高金属屋面的抗风揭能力，能有效地解决强台风地区金属屋面抗风掀的问题，为日后工程提供参考。

1 项目风压较大区域分析

本项目依据施工图纸与现场实际环境情况进行分析，得出了基本的工程概况，以此为基础做了相应 1∶200比例模型的风洞试验。如图1 所示，在建筑南北方向，得出酒店与裙房交界处出现最大极值负压-8.9 kN/m2，裙房与展厅外檐口区域负压值明显高于内部区域，最大极值负压 -6.4 kN/m2。如图2 所示，在建筑东西方向，展厅檐口出现最大极值风压 -6.1 kN/m2，负风压表示屋面受到向上的吸力，较大的负风压将极大地考验局部区域的抗风揭能力。将试验的结果与以往的经验相结合，当强风来袭时，屋面被破坏的形式往往是由薄弱点到面，由于局部承载能力不能抵抗风荷载形成的效应，造成了局部屋面破坏从而丧失局部承载力，进而使整个屋面的承载能力降低，屋面在风荷载长期的作用下，形成大面积的风揭，这也是屋面风揭的主要原因。对于本试验的三个负风压最大的点，应是本建筑着重研究的薄弱点。

图1 会议厅出现最大极值负风压值区域（kN/m2）

图2 展厅出现最大极值负风压值区域（kN/m2）

2 不锈钢金属屋面的抗风揭技术介绍

2.1 主次檩条截面、布置的优化

会议厅主檩条的布置方向垂直于建筑物的窄边进行布置，根据风洞试验的结果，将屋面主檩条需要分为三个部分，即为图3 当中的中间部分、檐口边缘部分、与塔楼交接部分。黄色部分选用 Q345B 矩形钢管 250×150×6 的规格。针对檐口边缘部分、与塔楼交接部分承受的风压较大，需要对此部分进行优化处理，经过各类方案对比，以增加檩条截面面积从而减小风荷载及其他荷载产生的应力更经济，选用 Q345B 矩形钢管 300×200×6 时，截面模量Wx=505.04 m3，是 Q345B 矩形钢管 250×150×6 截面模量的 1.57 倍，由式（1）得，在檩条上部荷载产生的弯矩与截面塑性发展系数不变情况下，截面模量越大正应力越大，截面的正应力就越小，从而使截面越安全，使构件抵抗风荷载的能力得到了提升。

图3 会议厅主檩条分部图

式中:Mx为弯矩，kN•m；γ为截面塑性发展系数；Wx为截面模量，m3。

通过力学模型分析，在檐口边缘部分、与塔楼交接部分选用Q345B 矩形钢管 300×200×6 较为合适。其中，中间部分仍然采用 Q345B 矩形钢管 300×200×6，但由于塔楼相连，屋面立面造型承扇形结构，中间部分的檩条需要进行拉弯处理，檩条的布置如图3 所示。展厅主檩条的布置方式同样沿着屋面窄边进行布置，主檩条统一采用 Q345B 矩形钢管 300×200×8。

会议厅次檩条的布置方向则与主檩条的布置方向相垂直，次檩条的优化区域与主檩条相同都为檐口部分与塔楼交接部分，但次檩条与主檩条的功能不同，主檩条是承受屋面荷载的主要受弯构件，而次檩条是传递屋面荷载的次要构件，所以次檩条的截面设计往往较小。通过调整次檩条截面对屋面风荷载的产生的效应影响较小，但次檩条的布置方式与主檩条不同，主檩条由于钢结构支托的限值定位固定，次檩条则布置在主檩条上横向间距可以调整。经过计算，构造层自重荷载标准值:qdk=0.864 kN/m2（含次檩条自重），不上人屋面活荷载标准值:l′k=0.5 kN/m2，负风荷载标准值取值qwk=-8.9 kN/m2（风洞试验得出），由于上人屋面活荷载不与风荷载同时进行荷载组合，则考虑强度验算时荷载工况组合的最终结果应在 1.3×qdk+1.5×l′k与 1.2qdk+1.4qwk之间取最大值为 13.49 kN/m2，若檐口部分次檩条采用 Q345B 钢矩管 200×100×4 布置间距为 1.5 m 的方式布置，则单根檩条分担的线荷载是 20.23 kN/m，若檐口部分次檩条采用 Q345B 钢矩管200×100×4 间距加密布置为 1 m，则单根檩条分担的线荷载是 13.49 kN/m，由力学公式（2）得在檩条跨度相同的情况下，檩条分担的线荷载越小，截面弯矩越小。

式中:MX为弯矩，kN•m；q为檩条分担的线荷载，kN/m。

再由公式（1）得在截面塑性发展系数与截面面模量不变的情况下，越小则截面的正应力就越小，从而使截面越安全。故而选择檩条布置间距为 1 m 的方案能使构件抵抗风荷载的能力得到了提升，加密区域（红色部分）如图4 所示。展厅次檩条的加密方式与会议厅相同。

图4 次檩条局部加密设计图

2.2 两侧压型钢板链接件的优化

在金属屋面的工程中，由多种的构造层组成，以平潭项目为例，为了使屋面具有保温隔热的功能需要在屋面的构造层内设置保温岩棉，经过测算保温岩棉选择布置两层容重为 100 kg/m3的方案，岩棉下方需要设置一层压型钢板承托岩棉的重量，岩棉上方则需要另外一层压型钢板承托找平板、固定座、屋面板等构件，两层保温岩棉的高度为 120 mm，则两层钢板的最小净距也为 120 mm，若钢板之间无任何连接则整个屋面体系有厚 120 mm 的空腔，此位置极易形成屋面的薄弱点，为了解决这个问题，屋面就必须设置一种能够链接底层钢板与上层钢板的连接件［1］。若连接件继续选用方钢檩条则增加了整个屋面重量使主次檩条的受弯荷载增大的同时也增加了施工的材料成本，所以需要一种重量轻、造价低、具有一定的承载力构件连接两层钢板。

由此，项目选择了两种不同规格的几字形檩条组合起来连接两层压型板，其方案是制作长 130 mm、宽130 mm、高 145 mm 的几字型衬托与底层压型钢板用自攻钉链接，制作宽 120 mm，高 40 mm 的通长几字型檩条与几字型衬托用自攻钉链接，其连接形式如图5 所示。在几字檩条上方同样使用自攻钉链接上层压型钢板，由此两层钢板由两种几字型连接件牢靠地连接在了一起，如图6 所示。这种连接方式避免了屋面体系存在空腔的问题，极大地提高了屋面的抗风能力。

图5 几字型衬托与几字型檩条链接形式

图6 连接件与两层钢板的链接形式

2.3 自攻钉的排布优化

以平潭项目为例，屋面的压型钢板上设计有找平钢板、L 型固定座，以压型板的板肋间距为单位作为找平板的宽度，以 1 m 作为找平板的长度，找平板宽度方向垂直于压型板的板类方向布置，如图7 所示。压型板与找平板采用平头自攻钉与铆钉十字交叉相结合的方式进行连接，布置方式如图8 所示。如此布置能够将每一颗自攻钉与铆钉安装在压型板的板肋上面，平头自攻钉的规格为 ST 5.5×22，铆钉规格为 M 4.8×16。依据公式（3）［2］，得单个自攻钉的抗拔承载力设计值为 1.9 kN。

图7 找平钢板的布置方式

图8 平头自攻钉与铆钉布置方式

式中:为单个自攻钉的抗拔承载力设计值，N；tc为钻入基板的深度，mm；d为自攻钉直径，mm；f为基板的抗拉强度设计值，N/mm2。

依据风洞实验负风压最大值为 8.9 kN/m2，自攻钉的横纵间距为 0.235 m×0.18 m，故而负风压对自攻钉的拉力为 0.75 kN（取 2 倍的安全系数），由此可见，自攻钉的承载能力远大于风荷载形成的拉力，结构处于安全。在此基础上，考虑到压型板与找平板的厚度较薄，对自攻钉的拉拔能力有所折减，可将每颗自攻钉下 70 mm 处安装一颗铆钉，将其错位布置，成咬合型形状，两种紧固件的综合使用，增强压型板与找平板的连接能力，也能提高抗拔的能力［3］，进而提高整个金属屋面的整体性，增强屋面的抗风揭能力，进一步加强这一构造层的抗风能力，如图8 所示。

2.4 固定座与屋面板的优化

固定座是由 L 形的 0.2 m 不锈钢板和 0.8 m 不锈钢底垫组成，固定座的侧面与不锈钢屋面板进行焊接，底座则与找平板通过预制孔用平头自动钉链接。每个固定座采用 2 颗自攻螺钉与下面的找平板连接固定，如图9 所示。由于檐口地区的风压比较大，需要在檐口处进行特殊加密，加密的方式有两种:①将檐口部分固定座的横纵间距由 400 mm×500 mm 调整为300 mm×400 mm；②在檐口的最外排固定座由原来的60 mm 调整为 300 mm，如图10 所示。

图9 不锈钢固定座

图10 加长固定座的位置

2.5 金属屋面版型的优化

焊接不锈钢屋面板整体轧制成形，包括:底面板、左立肋和右立肋，其中，左立肋和右立肋为对称结构，其与底面板相交位置为弧形过渡，左立肋和右立肋为垂直竖边，整个板型成对称的 U 型槽。屋面板的安装则是通过焊接的方式将屋面板与支座焊接为一体，焊接的连接方式相比传统的咬合连接方式强度大幅度的提高，屋面系统的抗风性能力得到极大的加强，解决了屋面抗风揭的问题。经过抗风揭试验，静态抗风能力可达16.35 kPa 未破坏，相当于 17 级台风未破坏。而常规金属屋面抗风部位使用扣合连接，铝合金锁边系统屋面抗风极限可抵抗 10 级台风（加抗风夹），镀铝锌系统屋面极限可抵抗 14 级台风。由此可见，焊接不锈钢屋面板的抗风能力远高于常规金属屋面的抗风能力。

面板与支座全焊接连接，板面与板肋微横纹吸收温度变形。120 ℃ 温差条件进行温度实验，应力及变形均通过。若使用常规屋面板肋与固定座为扣合式连接，板块在固定座部位滑动，消化温度变形。在面板长度大的情况下，铝合金屋面可能会出现较大的伸缩。利用密支承、不滑动的固定支座，将金属屋面系统的温度应力及变形消化在 0.12～0.24 m2的范围内，整个屋面系统处于相对稳定状态，避免了其它金属屋面系统的不断伸缩变形滑动所带来渗漏、脱落等隐患，连续焊接不锈钢屋面施工工艺的创新，在保障大面部位无缝连接的同时，特殊交接部位的接缝处理均采用焊接工艺，实现全面防水，金属屋面所有缝隙都进行了封闭，提高了面层的密闭性。

3 结语

强台风地区金属屋面系统常常因为屋面抗风揭能力不足而导致事故，本文介绍的抗风揭技术对檩条支撑层到不锈钢面层进行了优化，提高了屋面的抗风揭能力，解决了强台风地区金属屋面抗风能力不足的缺点。对建筑的耐久、安全和功能有重要意义，降低了金属屋面的年化成本，符合国家可持续发展理念，符合当前国家节能减排的产业政策和建筑工业化、标准化、资源化的发展方向，能够为后续类似工程提供参考价值。