大跨度空間結構金屬屋面板抗風揭性能試驗研究

王海濤，王靜峰，2（.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥　230009；2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，安徽合肥　230009）

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大跨度空間結構金屬屋面板抗風揭性能試驗研究

王海濤1，王靜峰1，2
（1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009；2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室，安徽合肥230009）

摘要：為了研究大跨度空間結構金屬屋面和吊頂板的抗風吸承載力，文章采用靜載試驗方法進行了430型屋面板加固前后的抗風吸試驗、373型吊頂板的抗風吸和抗風壓試驗。研究了采取自攻螺釘、夾具、墊片等加固措施對金屬屋面板承載力和破壞形式的影響。試驗結果表明，采取合理加固措施可以有效地提高430型金屬屋面板的抗風吸承載力。研究結果可為火車站、航站樓等大型場館金屬屋面的設計與施工提供參考。

關鍵詞：屋面板；吊頂板；抗風吸承載力；破壞機理；加固措施

王靜峰（1976-），男，安徽合肥人，博士，合肥工業(yè)大學教授，博士生導師.

0　引　言

近年來我國新建或改建體育館、火車站的鋼結構屋面，屬于大跨度、開闊式空間結構。但是，由于風力的作用，空間金屬屋面和吊頂時常發(fā)生脫落等嚴重事故。同時，現有體育館和火車站鋼結構屋面板設計主要參照文獻［1-2］，然而這些技術標準對大跨度、開闊式空間結構的金屬屋面的抗風揭性能、承載力和連接構造缺乏科學合理的規(guī)定。另外，我國也缺乏大跨度空間結構金屬屋面板抗風揭的試驗數據和計算方法。

國內外研究者對屋面板及連接件在風荷載作用下的承載能力進行了大量的試驗和理論研究。文獻［3］研究了直立鎖邊金屬屋面系統簡化模型在風洞壓力作用下的受力特點與破壞模式；文獻［4］研究了SNAP-IT和MR-24板在動態(tài)風吸荷載作用下的受力特征；文獻［5］采用有限元方法，對工程中常用的屋面板及其連接件在風荷載作用下的承載能力進行分析驗算；文獻［6］為研究CLP屋面板的連接機理，做了CLP屋面板抗風承載力試驗；文獻［7-8］采用空氣壓力模擬風吸荷載對金屬屋面系統進行加載試驗，雖然加載更接近于真實的風荷載作用，且已經有較成熟的試驗方法，但未能實現屋面板均勻加載的要求，且加載過程空氣的流速及壓力無法時刻監(jiān)控。因此，對于屋面板的抗風吸承載力的研究，尚缺乏必要的設計方法、試驗數據和理論分析。

為了了解金屬屋面的整體抗風吸承載力，本文進行了430型屋面板加固前后的整體抗風吸試驗、373型吊頂板的整體抗風吸和抗風壓試驗，從而檢驗430型屋面板的抗風吸承載力、373型吊頂板的抗風吸和抗風壓承載力是否滿足設計要求。本文研究成果可為類似工程設計與應用提供參考。

1　試驗概況

1.1試件設計與制作

本試驗共進行了6個屋面板試件和2個吊頂板試件的靜載試驗，試件基本信息見表1所列。屋面板采用430型鍍鋁鋅彩鋼板，吊頂板采用373型鍍鋁鋅鋼板，兩者厚度均為0.6 mm；屋面板的檁條為C160 mm×60 mm×20 mm×2.5 mm，吊頂板的檁條為C160 mm×60 mm×12 mm×2.5 mm，支架的厚度為1.2 mm，材質均為Q235B。自攻釘為ST5.5 mm×32 mm。檁條規(guī)格與實際工程相同，屋面板的檁條間距為1.2 m，吊頂板的檁條間距為1.6 m，檁條上布置屋面板的支架，支架上鋪設板材，其中中間3塊板件為主要考察對象，在其兩側各布置1塊同類型的板件，可以有效地模擬中間板件的邊界連接條件。430型屋面板和373型吊頂板試件尺寸如圖1所示。

表1　試件基本信息

圖1　430型屋面板和373型吊頂板試件尺寸

試件A1～A6是做抗風吸試驗的屋面板試件。試件A1、A3、A6的尺寸和類型相同，未加任何加固措施，與實際工程的屋面板相同（圖1a）；試件A2、A5在檁條下屋面板咬合處設置鋁合金夾具，其中試件A2的支架用4根自攻螺釘連接固定在檁條上，試件A5的支架用2根自攻螺釘連接固定在檁條上（圖1b）；試件A4的所有檁條下屋面板的咬合處間隔設置鋁合金夾具，試件A4的夾具個數是試件A2、A5夾具個數的50%（圖1c）。試件A7是做抗風壓試驗的吊頂板試件，板材放置在檁條上面，吊頂板邊緣及咬合處與檁條用1個自攻螺釘連接固定（圖1d）；試件A8是做抗風吸試驗的吊頂板試件，板材放置在檁條下面，吊頂板邊緣及咬合處與檁條用1個自攻螺釘連接固定（圖1e）。鋼材的材性試驗結果見表2所列。表2中，fy為屈服強度，fu為抗拉強度，E為彈性模量；單位均為N/mm2。

表2　鋼材力學性能

1.2試驗內容和加載制度

試驗現場如圖2所示，試驗內容及步驟如下：

（1）430型屋面板整體抗風吸試驗。試驗均采用堆沙袋方式來模擬均布風荷載，采用分級加載。第1級加載為0.4 kN/m2，直至出現破壞跡象，每級加載時間為15 min；然后第2級加載為0.2 kN/m2，加載時間以應變和位移數據穩(wěn)定和15 min為雙控要求，試件共計3個。

（2）加固后430型屋面板整體抗風吸試驗。加載制度與430型屋面板整體抗風吸試驗的加載制度相同，試件為3個。

（3）373型吊頂板整體抗風壓試驗和抗風吸試驗。加載制度與430型屋面板整體抗風吸試驗的加載制度相同，試件各為1個。

圖2　試驗現場

對于屋面板和吊頂板，考慮風吸力作用，在板材內表面堆沙袋以模擬風吸力作用；對于吊頂板，考慮風壓力作用，在板材外表面堆沙袋以模擬風壓力作用。采用分級加載，故每袋沙袋有6.70、3.35 kg 2種，每次加載30或40個沙袋。沙袋在屋面板鋪設示意圖如圖3所示。

圖3　沙袋在屋面板和吊頂板的鋪設示意圖

1.3試驗儀器和測點布置

本試驗合理布置應變片和位移計，從而測得結構的應變和變形，采用日本TDS-303先進數據采集儀采集數據。本次試驗的板件均為兩跨試件，該板件四周的連接方式均與實際狀況相符，在檁條之間的板件中間、板件咬合口和中間檁條下方板中間板與支座咬合處以及屋面板邊緣布置應變片及位移計，如圖4所示。

圖4　金屬屋面板應變片和位移計布置示意圖

2　試驗現象

（1）試件A1。試件A1的沙袋堆載到第4層即荷載值為1.6 kN/m2時（每層沙袋荷載為0.4 kN/m2，其他試件與A1相同），屋面板屈曲，屋面板與中間支座脫開，邊緣支座被拉彎，加載結束，如圖5所示。

圖5　試件A1的破壞模式

（2）試件A2。試件A2的沙袋堆載到第11層（此層僅加載了26袋）即荷載值為4.35 kN/m2時，屋面板屈曲，屋面板與中間支座脫離，邊緣支座被拉彎，加載結束，如圖6所示。

圖6　試件A2的破壞模式

（3）試件A3。試件A3的沙袋堆載到第3層（此層僅加載了22袋）即荷載值為1.1 kN/m2時，屋面板屈曲，咬合口開口，中間支座與屋面板脫開，邊緣支座被拉彎，加載結束，如圖7所示。

圖7　試件A3的破壞模式

（4）試件A4。試件A4的沙袋堆載到第11層即荷載值為4.4 kN/m2時，屋面板屈曲，屋面板與中間支架脫離，邊緣支座被拉彎，加載結束，如圖8所示。

圖8　試件A4的破壞模式

（5）試件A5。試件A5的沙袋堆載到第17層即荷載值為6.8 kN/m2時，屋面板完全脫離檁條至地面，局部屋面板撕裂，中間支座與屋面板脫開，部分邊緣支座被拉彎甚至撕裂，加載結束，如圖9所示。

圖9　試件A5的破壞模式

（6）試件A6。試件A6的沙袋堆載到第4層即荷載值為1.6 kN/m2時，屋面板整體脫離檁條至地面，局部屋面板被撕裂，中間支座與屋面板脫開，部分邊緣支座被拉彎甚至撕裂，加載結束，如圖10所示。

圖10　試件A6的破壞模式

（7）試件A7。試件A7的沙袋堆載到第15層（此層僅加載了25袋）即荷載值為5.85 kN/m2時，吊頂板彎曲，局部吊頂板屈曲，檁條產生較大彎曲變形，自攻釘拔出，加載結束，如圖11所示。

圖11　試件A7的破壞模式

（8）試件A8。試件A8沙袋堆載到第6層（此層僅加了28袋）即荷載值為2.28 kN/m2時，吊頂板發(fā)生屈曲，吊頂板咬合口開口，檁條與吊頂板用自攻釘連接處吊頂板局部撕裂，加載結束，如圖12所示。

圖12　試件A8的破壞模式

3　失效模式

根據試驗現象，430型屋面板和373型吊頂板的失效模式總結如下：①屋面板在風吸作用下發(fā)生嚴重屈曲，變形過大或被撕裂；多處屋面板與金屬支座連接處自攻螺釘連接破壞；多處金屬支座與檁條連接破壞；屋面板咬合口開口。②吊頂板在風壓作用下發(fā)生局部屈曲，變形較大；檁條變形過大；部分邊緣支座被拉彎甚至發(fā)生撕裂失去效果。③吊頂板在風吸作用下發(fā)生部分屈曲，咬合口開口，吊頂板與檁條連接處發(fā)生撕裂破壞。

4　試驗結果與分析

4.1屋面板和吊頂板的承載力和變形

430型屋面板和373型吊頂板的承載力及變形數據見表3所列。

表3　屋面板和吊頂板的承載力及變形數據

4.2荷載-位移曲線

4.2.1屋面板的荷載-位移關系曲線

由于430型屋面板試件A1、A3和A6尺寸安裝及加載方式相同，且均未采取加固措施，本文選取試件A3進行研究。試件A2～A5的荷載-位移關系曲線如圖13所示。

圖13　屋面板試件不同位置的荷載-位移關系曲線

由圖13可知，加載初期，在相同荷載下，兩檁條中間板的撓度與檁條正下方的撓度相差不大，隨著荷載的增加，檁條中間板的撓度增加比檁條正下方撓度大；檁條下方板中間撓度略大于檁條下方板其他位置的撓度；在兩檁條跨中位置，咬合口處板的撓度小于板中間位置的撓度。

相同位置不同屋面板試件的荷載-位移關系曲線如圖14所示。

圖14　屋面板相同位置的荷載-位移關系曲線

4.2.2吊頂板的荷載-位移關系曲線

373型吊頂板分別在風壓和風吸作用下的荷載-位移關系曲線如圖15所示。

由圖15可知，對于373型吊頂板的抗風壓試驗，板跨中位置與檁條上方板的撓度相近。對于373型吊頂板的抗風吸試驗，板跨中撓度比檁條下方板撓度大。

圖15　吊頂板的荷載-位移關系曲線

4.3屋面板及吊頂板荷載-應變關系曲線

根據試驗結果，可以獲得屋面板及吊頂板的荷載-位移關系曲線。各自檁條跨中位置各試件具有代表性的荷載-應變關系曲線如圖16所示。

圖16　屋面板、吊頂板的荷載-應變關系曲線

屋面板和吊頂板的屈服應變?yōu)? 840×10-6，分析圖16及試驗中獲得的其他測試位置的數據可知，應變隨荷載的分布規(guī)律為：①各試件平行檁條方向屋面板的應變比垂直檁條方向大；②平行檁條方向屋面板受拉，中間檁條下方屋面板垂直檁條方向在加載初期受壓，但應變較??；③試件A2和A5屋面板局部屈服；④加固的屋面板極限承載力增加，應變較大；⑤吊頂板受風壓時發(fā)生局部屈服。

5　設計標準評價

根據文獻［1］的規(guī)定，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值表達式如下：

其中，wk為風荷載標準值；βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風荷載高度變化系數；w0為基本風壓。

按100 a考慮，取430型屋面板和373型吊頂板的基本風壓w0＝0.50 kN/m2；計算高度為17 m，按插值法取風振系數βz＝1.708，風荷載高度變化系數μz＝1.184；對于風荷載體型系數，風壓時取μs＝1.0，風吸時取μs＝- 2.0。

風壓時：

風吸時：

風荷載的分項系數取1.4，計算430型屋面板和373型吊頂板的風荷載設計值。

風壓時：

風吸時：

本文8個試件的承載力設計值與試驗值比較見表4所列。

表4　試件承載力及相應變形的試驗值和設計值比較

從表4中可知，按文獻［1］的規(guī)定，在風吸作用下采取鋁合金夾具加固的430型屋面板（試件A2、A4、A5）抗風吸承載力滿足規(guī)范要求，未采取加固措施的430型屋面板（試件A1、A3、A6）不能滿足規(guī)范要求。與未加固的430型屋面板（試件A1、A3、A6）比較，金屬支座全部采取鋁合金夾具加固的屋面板（試件A2、A5）極限承載力分別提高了172%和325%；部分金屬支座采取鋁合金夾具加固的屋面板（試件A4）極限承載力提高了175%。

6　結　論

通過對430型屋面板和373型吊頂板抗風試驗的研究和分析，得到如下結論：

（1）按文獻［1］的規(guī)定，采取金屬夾具加固措施的430型屋面板抗風吸試驗值均能滿足規(guī)范要求，未采取金屬夾具加固措施的430型屋面板則反之。373型吊頂板抗風壓承載力與抗風吸承載力試驗值均滿足規(guī)范要求。

（2）430型屋面板在風吸作用下的主要失效模式為：屋面板發(fā)生嚴重屈曲，變形過大或被撕裂；多處屋面板與金屬支座連接處自攻螺釘連接破壞；多處金屬支座與檁條連接破壞；屋面板咬合口開口。

（3）373型吊頂板在風壓作用下的主要失效模式為：吊頂板發(fā)生局部屈曲，變形較大；檁條變形過大；部分邊緣支座被拉彎甚至發(fā)生撕裂，失去效果。373型吊頂板在風吸作用下的主要失效模式為：吊頂板發(fā)生部分屈曲，咬合口開口，吊頂板與檁條連接處發(fā)生撕裂破壞。

（4）在相同荷載下，采取鋁合金夾具多的試件撓度較??；連接屋面板與支座的自攻螺釘連接在其破壞前對屋面板的加固影響不明顯。

［參考文獻］

［1］GB 50019-2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］.

［2］CECS102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程［S］.

［3］Farquhar S，Kopp G A，Surry D.Wind tunnel and uniform pressure tests of a standing seam metal roof model［J］.Journal of Structural Engineering，2005，131：650-659.

［4］Baskaran A，Molleti S，Shoemaker S，et al.Wind uplift performance of composite metal roof assemblies［J］.Journal of Architectural Engineering，2012，18：2-15.

［5］羅永峰，肖兵波，劉松.常用壓型鋼板屋面及連接件承載能力分析［J］.建筑鋼結構進展，2006，8（6）：1-5.

［6］陳以一，陳建興，陳揚驥，等.CLP屋面板抗風承載力試驗研究［J］.輕鋼結構，2003，2（18）：12-15.

［7］魏云波，劉浩，吳明超，等.金屬屋面板抗風吸力性能試驗裝置與試驗方法［C］//全國鋼結構學術年會論文集，2010：931-934.

［8］Sirca G F，Jr，Adeli H.Neural network model for uplift load capacity of metal roof panels［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127：1276-1285.

（責任編輯張镅）

Experimental study of wind resistance of metal roofing panels of large-span spatial structure

WANG Hai-tao1，WANG Jing-feng1，2
（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering，Hefei 230009，China）

Abstract：In order to study the wind-resistant capacity of the metal roof and plate ceilings of large-span spatial structure，the wind resistance tests of 430-typed and reinforced 430-typed metal roofing panels and 373-typed plate ceilings were carried out by using static experimental method.The effect of reinforcing measures of selftapping screws，clips and gaskets on loading-carrying capacity and failure modes of metal roofing panels was investigated.The tests results show that the wind-resistant capacity of 430-typed metal roofing panel can be improved by taking reasonable reinforcing measures.The research can provide a reference for the design and construction of large stadium metal roofing panels at the train stations and terminals.

Key words：roofing panel；plate ceiling；wind-resistant capacity；failure mode；reinforcing measure

作者簡介：王海濤（1990-），男，安徽滁州人，合肥工業(yè)大學碩士生；

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51178156）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（NCET-12-0838）

收稿日期：2014-11-23；修回日期：2015-03-18

doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.022

中圖分類號：TU392.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060（2016）01-0115-07