超大風(fēng)壓作用下金屬屋面受力性能試驗(yàn)研究*

陶照堂1 惠 存2 陳國(guó)超1 閆忠云1 趙衛(wèi)國(guó)1 徐國(guó)超1 陸浩宇3

(1．江河創(chuàng)建集團(tuán)股份有限公司， 北京 101300； 2．中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院, 鄭州 450007；3．上海矩迪建筑裝飾工程有限公司, 上海 201615)

摘 要：以澳門某工程為背景，針對(duì)直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)，提出了一種機(jī)械連接加固方案：采用螺栓將金屬面板、T型支托與鋁板固定，并對(duì)其進(jìn)行了10.59 kPa超大負(fù)風(fēng)壓作用下的受力性能試驗(yàn)研究，分析了金屬屋面系統(tǒng)在超大風(fēng)壓作用下的變形特征及殘余變形。試驗(yàn)結(jié)果表明：該加固方案可以滿足超大風(fēng)壓作用下的結(jié)構(gòu)安全性要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)揭； 超大風(fēng)壓； 金屬屋面； 受力性能； 試驗(yàn)研究

0 引 言

金屬幕墻系統(tǒng)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、造型獨(dú)特新穎以及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火車站、機(jī)場(chǎng)航站樓、體育場(chǎng)館、生產(chǎn)廠房、物流倉(cāng)庫(kù)等建筑的屋面圍護(hù)系統(tǒng)中[1]。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，部分工程在風(fēng)荷載作用下出現(xiàn)了風(fēng)揭事故，如北京T-3航站樓、天津南站和郴州西站等工程的金屬屋面系統(tǒng)多次因遭受大風(fēng)而使金屬屋面板掉落[2-3]。相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了較為深入的研究，獲得了較多的研究成果[4-10]。

本文結(jié)合澳門威尼斯人三期工程設(shè)計(jì)風(fēng)壓較大的情況，對(duì)直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)提出了一種機(jī)械連接加固方案：采用螺栓將金屬面板、T型支托與鋁板固定，實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，并按照澳門荷載規(guī)范[11]對(duì)該加固方案的抗風(fēng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證該方案是否可用于實(shí)際工程。

1 工程概況

澳門威尼斯人三期工程位于澳門氹仔島，設(shè)計(jì)高度為160 m，建成后為澳門地標(biāo)建筑之一，依據(jù)澳門荷載規(guī)范[11]、風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告及保險(xiǎn)公司FM Global的規(guī)范[12]，設(shè)計(jì)風(fēng)壓取三者的最大值，為+4.24 kPa 和-7.06 kPa。

金屬屋面系統(tǒng)位于塔樓頂部高度110～160 m之間，建筑面積約為7 000 m2。該金屬屋面系統(tǒng)直立鎖邊點(diǎn)支撐屋面板的厚度為1 mm，設(shè)計(jì)詳圖見圖1。該工程處于熱帶風(fēng)暴頻發(fā)區(qū)域且設(shè)計(jì)高度較高，為保證該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全，并綜合考慮國(guó)內(nèi)其他地區(qū)直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)存在的問題，本文對(duì)該金屬屋面系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)試驗(yàn)，抗風(fēng)試驗(yàn)最大風(fēng)壓取設(shè)計(jì)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值的1.5倍即10.59 kPa。

圖1 直立鎖邊點(diǎn)支撐屋面系統(tǒng)

2 試驗(yàn)概況

2.1 金屬屋面系統(tǒng)

金屬屋面系統(tǒng)如圖1所示。金屬面板材料采用AA3004 H24鋁鎂錳合金，寬為435 mm，厚為1 mm，肋板高為65 mm。金屬面板固定在鋁合金T型支托上，支托橫向間距為435 mm，縱向間距為600 mm，T型支托固定在Z型鋼上。金屬屋面板下面鋪設(shè)20 mm厚礦棉，底部鋪設(shè)0.5 mm鍍鋅鋼板。

圖2 加固節(jié)點(diǎn)

金屬面板與T型支托的連接，傳統(tǒng)上是依靠鎖邊設(shè)備將二者咬合在一起，并與相鄰金屬面板相互嵌套，但該連接方法無(wú)法滿足超大風(fēng)壓下的抗風(fēng)揭要求。針對(duì)本工程，7.06 kPa負(fù)風(fēng)壓所產(chǎn)生的吸力會(huì)造成屋面系統(tǒng)撕裂或者掀開。因此本文提出了一種新型的機(jī)械連接構(gòu)造方案：在有支托的位置，通過兩顆加固螺栓將兩塊3 mm厚的鋁板與金屬屋面板固定在支托位置上，如圖2所示。該加固方案實(shí)現(xiàn)了金屬面板和T型支座之間的標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接，使得金屬面板和T型支座之間的連接力可精確量化，金屬面板計(jì)算可以簡(jiǎn)化為在均布荷載下對(duì)邊多點(diǎn)簡(jiǎn)支的薄板模型，根據(jù)受力需要可選擇尺寸合適的螺栓。2.2 試驗(yàn)說明

試驗(yàn)所選取材料與實(shí)際工程所使用材料完全一致，包含金屬屋面板、鍍鋅鋼板、連接螺栓、加固螺栓、T型支托、Z型鋼等。

選取現(xiàn)場(chǎng)典型的單元立面作為測(cè)試的主要目標(biāo)，金屬屋面系統(tǒng)測(cè)試的尺寸為6 m×7 m，9個(gè)位移傳感器的位置如圖3所示，其中傳感器1、2和3測(cè)量金屬屋面板T型支托之間咬合邊的變形；傳感器4、5和6用來(lái)測(cè)量Z型鋼檁條的變形，傳感器7、8和9用來(lái)測(cè)量金屬屋面板的變形。

圖3 測(cè)試立面布置

2.3 試樣安裝

由內(nèi)向外依次安裝，在實(shí)驗(yàn)室提供的箱體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，依次安裝矩形受力鋼管，Z型鋼支座、Z型鋼檁條、鍍鋅鋼板、T型支座、防火巖棉、金屬屋面板、防風(fēng)板和螺栓。在鍍鋅鋼板上開直徑為35 mm的氣孔，豎向間隔2 000 mm，左右間隔840 mm。金屬屋面直立鎖邊機(jī)加固螺栓位置均用密封膠密封，測(cè)試樣品四周與箱體結(jié)構(gòu)相連的位置均進(jìn)行密封處理。試驗(yàn)采用由室內(nèi)加壓的方式來(lái)測(cè)試金屬屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性。

3 試驗(yàn)方案

針對(duì)本文試樣，試驗(yàn)主要分兩部分：結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)安全性能試驗(yàn)[13]。

3.1 結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)主要檢查該試樣是否滿足各項(xiàng)功能要求，測(cè)試步驟如圖4所示，圖4a為正風(fēng)壓加載過程，圖4b為負(fù)風(fēng)壓加載過程。

1)檢查測(cè)試樣板安裝是否符合工程圖紙要求；

2)在指定位置布置傳感器；

3)施加50%的測(cè)試風(fēng)壓，保持10 s，再釋放風(fēng)壓，保持空載的時(shí)間為1～5 min，然后重新設(shè)置傳感器的讀數(shù)；

4)施加50%的風(fēng)壓保持10 s，記錄讀數(shù)，再逐漸加壓到100%的風(fēng)壓保持10 s，記錄讀數(shù)，然后釋放風(fēng)壓，保持空載的時(shí)間為1～5 min，之后進(jìn)行下一輪測(cè)試。

測(cè)試過程分別通過室內(nèi)加正、負(fù)壓方式模擬正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓兩種情況進(jìn)行測(cè)試。

a—正風(fēng)壓;b—負(fù)風(fēng)壓。 注：P1=4.24 kPa;P2=7.06 kPa。
圖4 測(cè)試過程

3.2 結(jié)構(gòu)安全性能試驗(yàn)

測(cè)試步驟同結(jié)構(gòu)性能測(cè)試，所不同的是測(cè)試風(fēng)壓最大值為1.5倍的設(shè)計(jì)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，在荷載釋放后測(cè)試殘余變形。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過上述試驗(yàn)研究，獲得了各測(cè)點(diǎn)的殘余變形結(jié)果，見表1和表2。

表1 變形及殘余變形結(jié)果(-7.06 kPa)

位置測(cè)點(diǎn)跨度/mm變形/mm殘余變形/mm絕對(duì)值相對(duì)值絕對(duì)值相對(duì)值屋面邊123380-12.3-11.5-11.10.20-1.6-1.6-1.8 0.1屋面 456410-10.0-34.0-9.4-24.30-1.6-1.9-1.6-0.3橫梁 7893200-3.5-10.7-3.1-7.25-0.9-1.3-1.1-0.3

表2 變形及殘余變形結(jié)果(-10.59 kPa)

位置測(cè)點(diǎn)跨度/mm變形/mm殘余變形/mm絕對(duì)值相對(duì)值絕對(duì)值相對(duì)值屋面邊123380-17.5-17.3-16.3-0.40-1.9-2.0-1.8-0.15屋面 456410-14.9-46.3-13.5-32.10-2.0-2.6-1.9-0.65橫梁 7893200-5.2-15.1-4.6-10.20-1.2-1.6-1.2-0.40

由表1和表2可知：

1)無(wú)論是100%的全風(fēng)壓結(jié)構(gòu)性能測(cè)試還是150%的結(jié)構(gòu)安全性能測(cè)試，金屬屋面均未出現(xiàn)破壞，金屬屋面板的永久結(jié)構(gòu)變形很小，屋面板的變形滿足小于跨度的1/200的限值要求；

2)Z型鋼橫梁滿足小于跨度的1/240的限值要求，金屬板中部的最大變形沒有設(shè)定限值，僅看其變形后是否破壞以及變形后的恢復(fù)情況即殘余變形。表2為負(fù)風(fēng)壓10.59 kPa作用下的變形結(jié)果，在超大風(fēng)壓下，金屬屋面板未出現(xiàn)撕裂和破壞；

3)負(fù)風(fēng)壓10.59 kPa卸載之后的殘余變形均小于 1 mm，滿足工程要求。

試驗(yàn)結(jié)束后拆除面板，發(fā)現(xiàn)相關(guān)連接螺釘和T型支托與Z型鋼均良好，沒有任何破壞，說明本項(xiàng)目所采用的加固設(shè)計(jì)可滿足工程需求。

5 結(jié) 論

1)由于金屬屋面板之間的咬合以及金屬屋面板與T型支座的咬合無(wú)法精確計(jì)算，而且受施工精度的影響比較大，因此，國(guó)內(nèi)金屬屋面系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中事故頻出。在澳門威尼斯人三期的工程應(yīng)用中提出利用鋁板、螺栓與T型支托實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接的加固方式，順利通過超大負(fù)風(fēng)壓10.59 kPa抗風(fēng)揭結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)測(cè)試，為金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用在大風(fēng)壓地區(qū)探索出一種途徑，對(duì)以后金屬屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

2)目前，金屬屋面的抗風(fēng)揭性能還有很多問題需要研究，經(jīng)過更多的設(shè)計(jì)方案、試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)研究的積累，從而使我國(guó)金屬屋面板系統(tǒng)的安全性得到提高，實(shí)現(xiàn)金屬屋面板系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于敬海，李路川，蓋力，等．直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)抗風(fēng)承載力節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2015，45(17)：83-87．

[2] 龍文志．提高金屬屋面抗風(fēng)力技術(shù)問題的探討[J]．建筑技術(shù)，2013，44(7)：582-588．

[3] 馬福憲，閆海．駐馬店西高鐵站臺(tái)雨篷金屬屋面抗風(fēng)揭實(shí)驗(yàn)研究[J]．施工技術(shù)，2013，42(22)：81-84．

[4] 魏云波，劉波，侯兆欣，等．直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板抗風(fēng)吸力設(shè)計(jì)方法及工程應(yīng)用[C]//全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：2010．

[5] 石景，張其林，董震．鋁合金屋面板承載力的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2006，36(增刊1)：458-460．

[6] 程明，石永久，王元清，等．國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)承載性能試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(2)：3-5．

[7] 羅永峰，鄭祥杰，郭小農(nóng)，等．鋁合金金屬屋面系統(tǒng)抗風(fēng)連接受力性能分析[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(10)：94-100．[8] 孫成疆．直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)在模擬極端暴風(fēng)工況下抗風(fēng)揭能力測(cè)試和分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(增刊1)：1438-1442．

[9] 秦國(guó)鵬，劉美思，劉毅，等．金屬屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭性能的試驗(yàn)研究[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2016，31(3)：26-28．

[10] 何輝，朱繼華，汪洋，等．自鎖式馬鞍型金屬屋面施工技術(shù)[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2012，27(6)：58-60．

[11] 56/96M Macau Structure Loading & Safety[S].

[12] FM Global Property Loss Prevention Data Sheet 1-28 Design Wind Loads[R]. Arkanasas: Factory Mutual Insurance Company, 2009.

[13] ASTM E330-02 Standard Test Method for Structural Performance of Exterior Windows, Doors, Skylights and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference[S].

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON MECHANICAL PERFORMANCE OF METAL ROOF UNDER SUPER WIND LOADS

Tao Zhaotang1 Hui Cun2 Chen Guochao1 Yan Zhongyun1 Zhao Weiguo1 Xu Guochao1 Lu Haoyu3

(1．Jangho Group Company Limited, Beijing 101300, China； 2．School of Architecture and Civil Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China； 3．Shanghai GT Building Systems Company Limited, Shanghai 201615, China)

ABSTRACT：In order to improve the wind uplift resistance performance of standing seam metal roof system, one reinforcement scheme for mechanical connection was proposed. The metal roof, T-shape fixing support and aluminum panel were fixed together. The wind uplift structure tests on a project in Macau were carried out under the super negative wind load which was 10.59 kPa. The deflection and residual deflection under super wind loads were analyzed. The results showed that the reinforcement scheme could meet the structure safety under super wind loads.

KEY WORDS：wind uplift; super wind load; metal roof; mechanical performance; experimental investigation

*河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A560013，17A560032)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015M570998)。

第一作者：陶照堂，男，1985年出生，碩士，工程師。

Email：taozhaotang@163.com

收稿日期：2016-04-11

DOI：10.13206/j.gjg201610003