陶照堂1 惠 存2 陈国超1 闫忠云1 赵卫国1 徐国超1 陆浩宇3
(1．江河创建集团股份有限公司， 北京 101300； 2．中原工学院建筑工程学院, 郑州 450007；3．上海矩迪建筑装饰工程有限公司, 上海 201615)
摘 要：以澳门某工程为背景，针对直立锁边金属屋面系统，提出了一种机械连接加固方案：采用螺栓将金属面板、T型支托与铝板固定，并对其进行了10.59 kPa超大负风压作用下的受力性能试验研究，分析了金属屋面系统在超大风压作用下的变形特征及残余变形。试验结果表明：该加固方案可以满足超大风压作用下的结构安全性要求。
关键词：风揭； 超大风压； 金属屋面； 受力性能； 试验研究
金属幕墙系统具有强度高、质量轻、造型独特新颖以及设计灵活等优点，广泛应用于火车站、机场航站楼、体育场馆、生产厂房、物流仓库等建筑的屋面围护系统中[1]。然而在实际工程应用中，部分工程在风荷载作用下出现了风揭事故，如北京T-3航站楼、天津南站和郴州西站等工程的金属屋面系统多次因遭受大风而使金属屋面板掉落[2-3]。相关学者对其进行了较为深入的研究，获得了较多的研究成果[4-10]。
本文结合澳门威尼斯人三期工程设计风压较大的情况，对直立锁边金属屋面系统提出了一种机械连接加固方案：采用螺栓将金属面板、T型支托与铝板固定，实现机械连接，并按照澳门荷载规范[11]对该加固方案的抗风性能进行试验研究，以验证该方案是否可用于实际工程。
澳门威尼斯人三期工程位于澳门氹仔岛，设计高度为160 m，建成后为澳门地标建筑之一，依据澳门荷载规范[11]、风洞试验报告及保险公司FM Global的规范[12]，设计风压取三者的最大值，为+4.24 kPa 和-7.06 kPa。
金属屋面系统位于塔楼顶部高度110～160 m之间，建筑面积约为7 000 m2。该金属屋面系统直立锁边点支撑屋面板的厚度为1 mm，设计详图见图1。该工程处于热带风暴频发区域且设计高度较高，为保证该系统的结构安全，并综合考虑国内其他地区直立锁边金属屋面系统存在的问题，本文对该金属屋面系统进行结构抗风试验，抗风试验最大风压取设计风压标准值的1.5倍即10.59 kPa。
图1 直立锁边点支撑屋面系统
2.1 金属屋面系统
金属屋面系统如图1所示。金属面板材料采用AA3004 H24铝镁锰合金，宽为435 mm，厚为1 mm，肋板高为65 mm。金属面板固定在铝合金T型支托上，支托横向间距为435 mm，纵向间距为600 mm，T型支托固定在Z型钢上。金属屋面板下面铺设20 mm厚矿棉，底部铺设0.5 mm镀锌钢板。
图2 加固节点
金属面板与T型支托的连接，传统上是依靠锁边设备将二者咬合在一起，并与相邻金属面板相互嵌套，但该连接方法无法满足超大风压下的抗风揭要求。针对本工程，7.06 kPa负风压所产生的吸力会造成屋面系统撕裂或者掀开。因此本文提出了一种新型的机械连接构造方案：在有支托的位置，通过两颗加固螺栓将两块3 mm厚的铝板与金属屋面板固定在支托位置上，如图2所示。该加固方案实现了金属面板和T型支座之间的标准螺栓连接，使得金属面板和T型支座之间的连接力可精确量化，金属面板计算可以简化为在均布荷载下对边多点简支的薄板模型，根据受力需要可选择尺寸合适的螺栓。2.2 试验说明
试验所选取材料与实际工程所使用材料完全一致，包含金属屋面板、镀锌钢板、连接螺栓、加固螺栓、T型支托、Z型钢等。
选取现场典型的单元立面作为测试的主要目标，金属屋面系统测试的尺寸为6 m×7 m，9个位移传感器的位置如图3所示，其中传感器1、2和3测量金属屋面板T型支托之间咬合边的变形；传感器4、5和6用来测量Z型钢檩条的变形，传感器7、8和9用来测量金属屋面板的变形。
图3 测试立面布置
2.3 试样安装
由内向外依次安装，在实验室提供的箱体结构基础上，依次安装矩形受力钢管，Z型钢支座、Z型钢檩条、镀锌钢板、T型支座、防火岩棉、金属屋面板、防风板和螺栓。在镀锌钢板上开直径为35 mm的气孔，竖向间隔2 000 mm，左右间隔840 mm。金属屋面直立锁边机加固螺栓位置均用密封胶密封，测试样品四周与箱体结构相连的位置均进行密封处理。试验采用由室内加压的方式来测试金属屋面系统的结构安全性。
针对本文试样，试验主要分两部分：结构性能试验和结构安全性能试验[13]。
3.1 结构性能试验
结构性能试验主要检查该试样是否满足各项功能要求，测试步骤如图4所示，图4a为正风压加载过程，图4b为负风压加载过程。
1)检查测试样板安装是否符合工程图纸要求；
2)在指定位置布置传感器；
3)施加50%的测试风压，保持10 s，再释放风压，保持空载的时间为1～5 min，然后重新设置传感器的读数；
4)施加50%的风压保持10 s，记录读数，再逐渐加压到100%的风压保持10 s，记录读数，然后释放风压，保持空载的时间为1～5 min，之后进行下一轮测试。
测试过程分别通过室内加正、负压方式模拟正风压和负风压两种情况进行测试。
a—正风压;b—负风压。 注：P1=4.24 kPa;P2=7.06 kPa。
图4 测试过程
3.2 结构安全性能试验
测试步骤同结构性能测试，所不同的是测试风压最大值为1.5倍的设计风压标准值，在荷载释放后测试残余变形。
通过上述试验研究，获得了各测点的残余变形结果，见表1和表2。
表1 变形及残余变形结果(-7.06 kPa)
位置测点跨度/mm变形/mm残余变形/mm绝对值相对值绝对值相对值屋面边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横梁 7893200-3.5-10.7-3.1-7.25-0.9-1.3-1.1-0.3
表2 变形及残余变形结果(-10.59 kPa)
位置测点跨度/mm变形/mm残余变形/mm绝对值相对值绝对值相对值屋面边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横梁 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)无论是100%的全风压结构性能测试还是150%的结构安全性能测试，金属屋面均未出现破坏，金属屋面板的永久结构变形很小，屋面板的变形满足小于跨度的1/200的限值要求；
2)Z型钢横梁满足小于跨度的1/240的限值要求，金属板中部的最大变形没有设定限值，仅看其变形后是否破坏以及变形后的恢复情况即残余变形。表2为负风压10.59 kPa作用下的变形结果，在超大风压下，金属屋面板未出现撕裂和破坏；
3)负风压10.59 kPa卸载之后的残余变形均小于 1 mm，满足工程要求。
试验结束后拆除面板，发现相关连接螺钉和T型支托与Z型钢均良好，没有任何破坏，说明本项目所采用的加固设计可满足工程需求。
1)由于金属屋面板之间的咬合以及金属屋面板与T型支座的咬合无法精确计算，而且受施工精度的影响比较大，因此，国内金属屋面系统在实际工程应用中事故频出。在澳门威尼斯人三期的工程应用中提出利用铝板、螺栓与T型支托实现机械连接的加固方式，顺利通过超大负风压10.59 kPa抗风揭结构性能试验测试，为金属屋面系统应用在大风压地区探索出一种途径，对以后金属屋面系统的设计和工程应用提供了参考依据。
2)目前，金属屋面的抗风揭性能还有很多问题需要研究，经过更多的设计方案、试验数据以及基础研究的积累，从而使我国金属屋面板系统的安全性得到提高，实现金属屋面板系统的广泛应用。
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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
*河南省高等学校重点科研项目(17A560013，17A560032)；中国博士后科学基金项目(2015M570998)。
第一作者：陶照堂，男，1985年出生，硕士，工程师。
Email：taozhaotang@163.com
收稿日期：2016-04-11
DOI：10.13206/j.gjg201610003
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