直立鎖縫金屬屋面加強(qiáng)抗風(fēng)揭能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)

許秋華，萬(wàn) 恬，劉 凱

(1. 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院、江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院，江西，南昌 330046；2. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東，廣州 510640；3. 南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江西，南昌 330099)

直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)是一種高強(qiáng)、輕質(zhì)的新型輕型屋面系統(tǒng)，世界各地建筑的應(yīng)用始于1970 年已達(dá)50 年，使用面積超過(guò)了2000 萬(wàn) m2；在我國(guó)始于1993 年的應(yīng)用也達(dá)到了27 年，使用面積也已超過(guò)了800 萬(wàn) m2[1]。其典型的結(jié)構(gòu)做法為：用自攻螺栓將固定支座固定在主結(jié)構(gòu)檁條上，再通過(guò)不同角度將金屬屋面板扣在固定支座上，最后將相鄰屋面板直立預(yù)留的自然搭扣邊用電動(dòng)鎖邊機(jī)咬合在一起(圖1、圖2)[2]。

圖1 直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)剖面示意圖Fig. 1 Diagrammatic cross-section of vertical lock seam metal roof system

圖2 電動(dòng)鎖邊機(jī)將直立預(yù)留的自然搭扣邊咬合在一起Fig. 2 The electric locking machine bites together the upright reserved natural lap edges

近年來(lái)，隨著此類(lèi)直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)在公共建筑中的運(yùn)用，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了多起執(zhí)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版設(shè)計(jì)風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值的前提下，遭遇到在其設(shè)計(jì)風(fēng)荷載允許范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)發(fā)生了大面積屋面風(fēng)揭脫扣破壞事件。例如武漢天河機(jī)場(chǎng)二期工程(圖3)、蘇州園區(qū)火車(chē)站(圖4)及河南省體育中心東罩棚(圖5)分別發(fā)生了大面積屋面風(fēng)揭脫扣破壞事件；而北京首都機(jī)場(chǎng)T3 航站樓(圖6)竟然在兩年多時(shí)間里同一幢建筑就發(fā)生了三起大面積金屬屋面風(fēng)揭脫扣破壞事件[3]；在此之前，河南省體育館、上海大劇院等建筑，均在強(qiáng)風(fēng)襲擊下也出現(xiàn)了不同程度的屋頂被揭現(xiàn)象。2018 年3 月4 日南昌昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓也發(fā)生了一起同樣情況下的大面積屋面風(fēng)揭脫扣破壞事件(圖7、圖8)[4]。風(fēng)荷載均按當(dāng)時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版進(jìn)行了罕遇12 級(jí)風(fēng)壓設(shè)計(jì)，而實(shí)際情況是在常遇的9 級(jí)、10 級(jí)、11 級(jí)風(fēng)壓下就發(fā)生了大面積屋面風(fēng)揭脫扣破壞，說(shuō)明當(dāng)時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)負(fù)風(fēng)壓取值偏低是其風(fēng)揭破壞的主要原因。

圖3 天河機(jī)場(chǎng)國(guó)際樓二期擴(kuò)建工程Fig. 3 Extension of Phase II of Tianhe Airport International Building

圖4 蘇州園區(qū)火車(chē)站Fig. 4 Suzhou Yuanqu Railway Station

圖5 河南省體育中心Fig. 5 Henan Sports Cente

圖6 首都機(jī)場(chǎng)T3 航站樓Fig. 6 Capital Airport T3 Terminal

圖7 南昌昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓Fig. 7 Nanchang North International Airport T2 Terminal

圖8 大面積屋面風(fēng)揭脫扣破壞照片1、2、3Fig. 8 Photographs of large-area roof wind stripping and tripping damage 1, 2, 3

1 直立鎖縫金屬屋面風(fēng)揭脫扣破壞事件的原因分析

直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、板材薄、板間機(jī)械咬合強(qiáng)度低的特點(diǎn)。其連接是板與板、板與固定支座間的相互咬合，連接后抗剪和抗彎承載力通過(guò)相互間的摩擦力來(lái)傳遞，在風(fēng)吸力作用下的傳力機(jī)制及直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)受力途徑見(jiàn)圖9 示意圖。

圖9 直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)受力途徑示意圖Fig. 9 Schematic diagram of the stress path of the metal roof system with vertical locking joint

類(lèi)似風(fēng)災(zāi)調(diào)查都表明：強(qiáng)風(fēng)作用下直立鎖縫屋面體系易出現(xiàn)固定支座脫扣的破壞現(xiàn)象，脫扣破壞時(shí)屋面板局部被掀起，進(jìn)而“連鎖效應(yīng)”引發(fā)大面積屋面板脫落[2]。

2 直立鎖縫金屬屋面板抗風(fēng)揭設(shè)計(jì)的荷載取值分析

先以一個(gè)實(shí)際工程案例入手。南昌昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓屋面平面成扇形，總建筑面積96616.2 m2，能滿足流量1200 萬(wàn)人次的出行需要(圖10、圖11)。開(kāi)工時(shí)間2008 年9 月25 日，竣工時(shí)間2011 年3 月28 日，按照《建筑荷載規(guī)范》GB50009-2006 設(shè)計(jì)并建成，采用了直立鎖縫式金屬屋面系統(tǒng)。

2018 年3 月4 日下午15：30 左右，南昌遭遇強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)天氣，大風(fēng)造成昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓出發(fā)層入口附近區(qū)域挑檐部分金屬屋面及吊頂受損、脫落，金屬屋面受損面積約1300 m2(受損部位均為鋁合金固定座以上屋面板風(fēng)揭脫扣破壞)，另室外吊頂受損約1000 m2。

圖10 南昌昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓平面圖Fig. 10 T2 Terminal Plan of Nanchang North International Airport

圖11 南昌昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓外觀Fig. 11 Appearance of T2 Terminal of Nanchang North International Airport

昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓屋面造型呈弧形，屬于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)(圖11)，根據(jù)《建筑荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版第7.1.2 條“對(duì)于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓應(yīng)適當(dāng)提高，并應(yīng)由有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范具體規(guī)定”。基本風(fēng)壓按《建筑荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版附錄D.4 中附表D.4 給出的100 年一遇的風(fēng)壓采用，即不得小于0.55 kN/m2；昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)監(jiān)測(cè)到的當(dāng)時(shí)風(fēng)速為29.5 m/s，達(dá)到11 級(jí)風(fēng)，根據(jù)wp=v2/1600 換算風(fēng)壓也為0.55 kN/m2，故當(dāng)時(shí)風(fēng)速剛好達(dá)到了《建筑荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版中南昌地區(qū)百年一遇風(fēng)壓值標(biāo)準(zhǔn)(暴風(fēng)級(jí)別)。

T2 航站樓風(fēng)災(zāi)后直立鎖縫式金屬屋面板風(fēng)災(zāi)后的加強(qiáng)處理，若采用現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑荷載規(guī)范》GB50009-2012，其基本風(fēng)壓w0數(shù)據(jù)仍然為0.55 kN/m2(100 年一遇)，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk就將按下式：

項(xiàng)目位于郊區(qū)，地面粗糙度取B 類(lèi)，屋面距地面最高處為30 m，則式中：βgz為陣風(fēng)系數(shù)，查GB50009-2012 規(guī)范表第8.6.1 條取1.59；μs1為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，查GB50009-2012 規(guī)范第8.3.3條第2 款“檐口、雨篷、遮陽(yáng)板、邊棱處的裝飾條等突出構(gòu)件”，取-2.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查GB50009-2012 規(guī)范表第8.2.1 條取1.39。則結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值wk則為1.59×2×1.39×0.55=2.431 kN/m2。

周晅毅等[5]在《某機(jī)場(chǎng)航站樓屋面風(fēng)荷載特性研究》一文中基于風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果反映屋面風(fēng)荷載的大部分區(qū)域負(fù)壓絕對(duì)值較小且分布均勻，迎風(fēng)邊緣部分負(fù)壓絕對(duì)值及負(fù)壓梯度均較大。考慮到屋頂弧形段特殊形狀的影響，最大的負(fù)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生在建筑物的轉(zhuǎn)角區(qū)域、暴露邊緣和弧形變化區(qū)域，那里的瞬間風(fēng)力可能會(huì)超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

大跨度機(jī)場(chǎng)、體育館多為高度為二三十米的近地建筑物，受附近的地形、地貌及周邊建筑物的影響甚大，產(chǎn)生相互干擾的群體效應(yīng)，機(jī)場(chǎng)航站樓類(lèi)結(jié)構(gòu)處于這樣的湍流度較高近地區(qū)域，其風(fēng)場(chǎng)環(huán)境、周邊繞流和空氣動(dòng)力作用非常復(fù)雜，特別是對(duì)于這類(lèi)外型比較獨(dú)特的大跨結(jié)構(gòu)就不能僅僅依靠在規(guī)范中查找到的簡(jiǎn)單體型系數(shù)中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析了[6]。對(duì)現(xiàn)代的大跨度機(jī)場(chǎng)、體育館的研究，相對(duì)準(zhǔn)確的做法是采用比較先進(jìn)的風(fēng)洞測(cè)試方法來(lái)對(duì)此類(lèi)建筑物的風(fēng)荷載進(jìn)行確定和分析[7-10]。

3 直立鎖縫金屬屋面板抗風(fēng)揭的分析方法

關(guān)于直立鎖縫屋面體系受力性能的理論分析目前還比較少，此類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的研究主要集中在有限元數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法測(cè)定兩個(gè)方面。

3.1 有限元數(shù)值模擬方法

相關(guān)論文有姜蘭潮和范亞娟[11]在《直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)吸力的有限元分析》、陳玉[12]在《金屬屋面板風(fēng)吸力下變形特性研究》、宋云浩、楊麗曼、王乾鎖和李彥希[13]在《直立鎖縫屋面系統(tǒng)抗風(fēng)承載力的研究》、李明、殷小珠和張偉等[14]在《直立鎖邊屋面抗風(fēng)性能有限元分析》等。

3.2 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法

在國(guó)外，目前有美國(guó)《用靜態(tài)正壓和/或負(fù)壓法評(píng)價(jià)屋面系統(tǒng)的模擬抗風(fēng)揭》ANSI/FM 4474-2004 和歐洲《機(jī)械固定柔性屋面防水卷材系統(tǒng)的歐洲技術(shù)認(rèn)證指南》ETAG 006-2007 兩種試驗(yàn)方法，用于測(cè)定屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭能力，前者已得到北美、歐洲和亞洲許多國(guó)家認(rèn)同。美國(guó)國(guó)家防水協(xié)會(huì)(NRCA)和金屬建筑制造商協(xié)會(huì)(MBMA)對(duì)直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)有一些介紹，特別是美國(guó)FM(Factory Manual)對(duì)此類(lèi)屋面系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究并建立了系統(tǒng)試驗(yàn)體系，對(duì)各類(lèi)屋面系統(tǒng)進(jìn)行了等尺寸和擬動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試[12,15]。朱曉華和高敏杰[15]于《中美屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果分析》的抗風(fēng)揭平行對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示：中美兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試結(jié)果具有很好的相關(guān)性。 國(guó)內(nèi)還有秦國(guó)鵬等[16-17]以及徐春麗[18]進(jìn)行的《某國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓屋面板抗風(fēng)承載能力試驗(yàn)研究》等。

4 加強(qiáng)屋面抗風(fēng)揭能力設(shè)計(jì)優(yōu)化探討及若干優(yōu)化建議

國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)及車(chē)站等既有公共建筑的直立鎖縫屋面發(fā)生了多起風(fēng)災(zāi)，如何對(duì)其優(yōu)化加強(qiáng)設(shè)計(jì)就顯得十分必要。經(jīng)歸納總結(jié)，筆者特提出既有直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭加強(qiáng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化建議如下：

4.1 加強(qiáng)處理，宜確保重點(diǎn)區(qū)域、兼顧一般區(qū)域

對(duì)我國(guó)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版設(shè)計(jì)的大量既有直立鎖縫式金屬屋面板加強(qiáng)設(shè)計(jì)，從經(jīng)濟(jì)方面及確保加固期間既有建筑依然需要正常使用方面考慮，不建議采用拆除重做的做法，宜采取對(duì)現(xiàn)有屋面板體系進(jìn)行加強(qiáng)處理的方法，即便如昌北國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓出現(xiàn)了部分屋面板風(fēng)揭脫扣破壞事件后的后續(xù)加強(qiáng)處理，也推薦采用已經(jīng)破壞部分依原標(biāo)準(zhǔn)先復(fù)建成一體、形成完整外觀后再統(tǒng)一進(jìn)行確保重點(diǎn)區(qū)域、兼顧一般的加固處理做法，可以達(dá)到既兼顧加固后的屋面整體美觀又兼顧到經(jīng)濟(jì)之效果。

4.2 屋面板的強(qiáng)度及與固定支座咬合部位的實(shí)際強(qiáng)度，宜通過(guò)實(shí)物抗風(fēng)揭的試驗(yàn)確定

直立鎖縫金屬屋面板的強(qiáng)度及屋面板與其固定支座咬合部位的實(shí)際強(qiáng)度，受材料及連接構(gòu)造等許多因素的影響，目前尚無(wú)精確計(jì)算理論。2012 年國(guó)內(nèi)高鐵定遠(yuǎn)站、天津南站、郴州西站、株洲西站等相繼發(fā)生了多起因大風(fēng)導(dǎo)致的站臺(tái)雨篷金屬屋面板掉落事件，加固方案中提出通過(guò)抗風(fēng)揭試驗(yàn)才能準(zhǔn)確確定屋面支架咬合力及相應(yīng)的抗風(fēng)能力，進(jìn)而確定金屬屋面系統(tǒng)薄弱點(diǎn)及加固方案，最終達(dá)到了提高金屬屋面安全冗余度的目標(biāo)[19]。由此也說(shuō)明，以實(shí)物抗風(fēng)揭的試驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定屋面板及與固定支座咬合部位所能承受的最大風(fēng)壓十分必要。

4.3 工程破壞案例及驗(yàn)算與“短板效應(yīng)”

試驗(yàn)都表明，提高既有直立鎖縫金屬屋面板與固定支座咬合部位的強(qiáng)度，是提高既有直立鎖縫式金屬屋面板整體的抗風(fēng)揭能力的最經(jīng)濟(jì)、最有效方法。直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)極限抗風(fēng)揭的能力可以根據(jù)直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)各組成部分平衡搭配，可取得有效的抗風(fēng)拔力系統(tǒng)。系統(tǒng)中最薄弱組件能力為：

式中：F/kN 為系統(tǒng)中最薄弱組件的能力；F1/kN為支座處的鎖縫極限承載能力；F2/kN 為非支座處鎖縫的極限承載能力；F3/kN 為支座的極限承載能力；F4/kN 為緊固件連接的極限承載能力[3,20]。

式(2)也可以將直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)極限抗風(fēng)揭的能力看成一只木桶的盛水能力。“水桶原理”是由美國(guó)管理學(xué)家彼得提出的，說(shuō)的是由多塊木板圍成的水桶，其價(jià)值在于其盛水量的多少，但決定水桶盛水量多少的關(guān)鍵因素不是其最長(zhǎng)的木塊，而是其最短的木板，也稱(chēng)為“短板效應(yīng)”。也即是只要將水桶中明顯偏短的木板適當(dāng)加長(zhǎng)，則整個(gè)水桶盛水量會(huì)明顯提高。

因此，在直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)中只要將其最薄弱的短板―支座處鎖縫極限承載能力明顯提高，則整個(gè)直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)極限抗風(fēng)揭的能力就會(huì)明顯提高，這不失為一個(gè)最有效、最優(yōu)化也是最經(jīng)濟(jì)的辦法。

4.4 屋面板不同區(qū)域與固定支座咬合部位加強(qiáng)的程度，可通過(guò)抗風(fēng)揭對(duì)比試驗(yàn)后確定

根據(jù)抗風(fēng)揭的對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試屋面板與固定支座咬合部位各種加強(qiáng)措施所能承受的最大風(fēng)壓，從而確定金屬屋面板在屋面的不同區(qū)域靈活采取不同的抗風(fēng)揭加強(qiáng)設(shè)計(jì)措施，就能達(dá)到既確保重點(diǎn)區(qū)域又兼顧了一般區(qū)域的經(jīng)濟(jì)目的。本文以昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓風(fēng)災(zāi)后金屬屋面板抗風(fēng)揭加強(qiáng)設(shè)計(jì)的對(duì)比試驗(yàn)為例。

4.4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)現(xiàn)實(shí)工程的破壞特征，針對(duì)固定支座與屋面板在鎖縫處發(fā)生了風(fēng)揭破壞，即發(fā)生脫扣破壞，分別做了3 組屋面板抗風(fēng)揭對(duì)比試驗(yàn)：第1 組為現(xiàn)工程實(shí)際使用的1∶1 實(shí)體屋面板抗風(fēng)揭承載能力試驗(yàn)，以評(píng)估事故發(fā)生時(shí)實(shí)體屋面板抗風(fēng)揭實(shí)際承載能力；第2 組和第3 組各做2 個(gè)在現(xiàn)工程上使用的1∶1 實(shí)體屋面板上加不同間距夾具加固的抗風(fēng)揭承載能力試驗(yàn)，以對(duì)比加強(qiáng)后實(shí)體屋面板抗風(fēng)揭不同的承載能力，以便確定優(yōu)化的加固方案。1∶1 實(shí)體抗風(fēng)揭承載力檢測(cè)可以完善加固設(shè)計(jì)理論值與實(shí)際的偏差的問(wèn)題。同時(shí)固定支座與屋面板已經(jīng)完成的直立鎖邊構(gòu)造以及新加夾具的構(gòu)造一并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，目的是檢驗(yàn)使用夾具前后可能存在的構(gòu)造缺陷并檢驗(yàn)鋁板與龍骨各自的能力。

4.4.2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在華東交通大學(xué)多功能抗風(fēng)揭實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，采用的屋面板尺寸為400 mm×7500 mm，抗風(fēng)揭試驗(yàn)是采用1∶1 的足尺寸樣板試驗(yàn)。每組試件用11 塊屋面板拼接加固而成，試驗(yàn)組裝嚴(yán)格按照原屋面板系統(tǒng)的組裝要求。首先，將屋面檁條固定于試驗(yàn)箱底部，通過(guò)鋪設(shè)氣膜于檁條上方，氣膜將內(nèi)部風(fēng)壓傳遞至屋面板，用自攻釘在檁條上安裝T 型支座以固定屋面板，再依次安裝屋面板并鎖邊。

試驗(yàn)布置：

1) 檁條布置方案(詳見(jiàn)圖12)

2) 夾具布置方案(詳見(jiàn)圖13)

本試驗(yàn)針對(duì)屋面板固定座的不同受力形式，主要針對(duì)夾具布置以否以及夾具變間距布置三個(gè)變量，即試驗(yàn)分為有夾具和無(wú)夾具二種情況，試驗(yàn)共進(jìn)行三組。其中，W-1 為基本版，在支座上不加夾具設(shè)置9 根檁條，是原來(lái)金屬屋面板的安裝方式，以測(cè)定原來(lái)的結(jié)構(gòu)最大抗風(fēng)揭風(fēng)壓；后面二組四件均為加強(qiáng)版，其中，Y-750-1 及Y-750-2 為間隔0.75 m 在支座上設(shè)置夾具及9 根檁條；Y-1500-1 及Y-1500-2 為在兩端以0.75 m 在支座上加設(shè)夾具，中部間隔1.5 m 在支座上加設(shè)夾具，檁條根數(shù)為6 根。試驗(yàn)驗(yàn)證其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)后能抗多大的風(fēng)揭風(fēng)壓。每組試驗(yàn)其他參數(shù)均相同。

圖12 檁條布置示意圖 /mmFig. 12 Schematic layout of purlin

圖13 屋面板夾具布置示意圖Fig. 13 Schematic diagram of the layout of roof panels

3) 試驗(yàn)加載過(guò)程及情況記錄

對(duì)屋面板進(jìn)行持續(xù)加載，同時(shí)記錄在不同壓力段試件的損害情況：

W-1 為基本版，支座上不加夾具(圖14)。試驗(yàn)初始?xì)鈮簽?.30 kPa；在承受1.69 kPa 氣壓時(shí)屋面板鎖縫處有輕微脫開(kāi)；在超過(guò)1.80 kPa 時(shí)屋面板鎖縫處連續(xù)脫開(kāi)直至2.10 kPa 試件破壞，其固定座仍在檁條上。

圖14 未加夾具的試驗(yàn)Fig. 14 Test without fixture

Y-1500-1 為加強(qiáng)版，夾具間隔1.5 m 布置。試驗(yàn)初始?xì)鈮簽?.31 kPa；在2.28 kPa 時(shí)屋面板開(kāi)始鼓起；在4.0 kPa 時(shí)屋面板全部鼓起；在4.26 kPa時(shí)檁條開(kāi)始屈曲；在5.05 kPa 左右由于檁條破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

Y-750-2 為再加強(qiáng)版(圖15)，夾具間隔0.75 m布置。試驗(yàn)初始?xì)鈮簽?.38 kPa；在2.50 kPa 時(shí)屋面板開(kāi)始鼓起；在7.23 kPa 檁條彎曲拱起約為300 mm，最后因試件縱向邊緣處屋面板脫開(kāi)結(jié)束試驗(yàn)。

圖15 間隔0.75 m 加設(shè)夾具的試驗(yàn)Fig. 15 Trials of additional fixtures m 0.75 intervals

其余兩個(gè)試件(Y-750-2、Y-1500-1)加載最大氣壓分別達(dá)到4.51 kPa、4.21 kPa 后均因氣膜破損導(dǎo)致氣壓下降，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，但屋面板鎖縫搭接處完好，仍可以繼續(xù)承載。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 南昌昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓直立鎖縫屋面板抗風(fēng)揭試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of wind-resistant on roof slab of vertical lock joint at T2 terminal of Nanchang North Airport

4) 試驗(yàn)分析

屋面板各單元的傳力途徑：風(fēng)載→屋面板→屋面鎖縫→屋面支座→屋面緊固件→檁條。

通過(guò)基本試件(W-1)所能承受的加載最大風(fēng)壓(原昌北機(jī)場(chǎng)屋面板)需要的承載力為2.431 kPa，而實(shí)際僅為1.8 kPa，不能達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范的要求，需要加固處理；

通過(guò)兩組(Y-1500-1、Y-1500-2)間距1.5 m支座處布置夾具，且減少檁條數(shù)量，其所能承受的風(fēng)壓為基本版(原昌北機(jī)場(chǎng)屋面板)需要承載力2.431 kPa 的1.7 倍及以上，且?jiàn)A具檁條數(shù)量較少，節(jié)省材料，較為經(jīng)濟(jì)。因此，此方案可作為一般區(qū)域的加強(qiáng)做法；

通過(guò)Y-750-2 間距0.75 m 支座處布置夾具后其所能承受的風(fēng)壓值很高(是需要承載力2.431 kPa的3 倍以上)，屋面板承受超大風(fēng)壓時(shí)屋面板在鎖縫處也沒(méi)有發(fā)生脫開(kāi)現(xiàn)象，主要是檁條嚴(yán)重屈曲，發(fā)出巨響，說(shuō)明間距0.75 m 支座處布置夾具有足夠的富裕，因此，此方案可作為重點(diǎn)區(qū)域的進(jìn)一步加強(qiáng)做法。經(jīng)查閱有關(guān)理論及試驗(yàn)資料：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)有局限性，自然界的風(fēng)力作用又有各種可能性，因此，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能完全說(shuō)明問(wèn)題?？紤]到昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓屋面破損部位發(fā)生在拱頂?shù)幕⌒味危艽颂厥庑螤畹挠绊?，最大的風(fēng)壓又常會(huì)發(fā)生大屋面轉(zhuǎn)角區(qū)域、四周邊緣、弧形變化區(qū)域和局部突出區(qū)域，那里的瞬間風(fēng)力極有可能會(huì)大大超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[21]，因此，昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓大屋面轉(zhuǎn)角區(qū)域、四周邊緣、弧形變化區(qū)域和局部突出區(qū)域采用了在其支座處間距0.75 m 布置夾具的進(jìn)一步加強(qiáng)做法。

南昌昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓風(fēng)災(zāi)后，大廳懸挑屋面的中間部分出現(xiàn)了屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的全通透破壞(圖16)，在建筑物兩側(cè)的開(kāi)敞式屋面結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了屋面風(fēng)揭破壞(圖17)，表明其大廳懸挑屋面結(jié)構(gòu)上下表面都受到了風(fēng)的作用，需要考慮此大廳懸挑屋蓋處上、下表面的風(fēng)壓差，即應(yīng)按凈風(fēng)壓進(jìn)行上、下表面的最不利風(fēng)荷載設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到瞬間風(fēng)力作用到入口大廳正面的玻璃幕墻后，一部分瞬間氣流向下分流導(dǎo)致出站旅客出口雨蓬輕質(zhì)頂棚出現(xiàn)了部分吹落情況，一部分瞬間氣流向上分流到達(dá)入口大廳懸挑屋面的頂部后再沿著拱頂向中間部位聚集產(chǎn)生了集中作用，集中的瞬間作用會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致拱頂中間出現(xiàn)了屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的全通透破壞及大廳懸挑屋面的輕質(zhì)頂棚出現(xiàn)部分吹落情況(觀看輕質(zhì)頂棚吹落過(guò)程錄像，頂棚吹落時(shí)明顯呈現(xiàn)出由最高點(diǎn)頂棚先行掉落再帶動(dòng)兩側(cè)頂棚的連鎖破壞特征)，故也應(yīng)考慮那里的瞬間風(fēng)力會(huì)大大超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓大廳懸挑屋面區(qū)域也采用了在其支座處間距0.75 m 布置夾具的進(jìn)一步加強(qiáng)做法。

圖16 南昌昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓風(fēng)災(zāi)后，大廳懸挑屋面的中間部分出現(xiàn)了屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的全通透破壞Fig. 16 After the wind disaster in the T2 terminal of Nanchang North Airport, the middle part of the overhanging roof of the hall appeared the complete penetration damage of the roof enclosure structure

圖17 南昌昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓風(fēng)災(zāi)后，建筑物兩側(cè)的開(kāi)敞式屋面結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了屋面風(fēng)揭破壞Fig. 17 After the wind disaster in the T2 terminal of Changbei Airport in Nanchang, the open roof structure on both sides of the building also appeared roof wind damage

4.5 避免屋面板板頭出現(xiàn)“撕紙破壞連鎖效應(yīng)”

試驗(yàn)表明，進(jìn)一步提高既有直立鎖縫式金屬屋面板板頭部位的防掀能力，避免產(chǎn)生“撕紙破壞連鎖效應(yīng)”，是提高直立鎖縫式金屬屋面板抗風(fēng)揭能力的最有效的輔助方法。 直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)性能的薄弱部位多發(fā)生在屋脊、檐口、天溝邊、天窗邊等收頭部位與形狀突變部位[22]。因屋面邊緣區(qū)域屋面曲線變化弧度大，氣流在該位置就產(chǎn)生較強(qiáng)分離對(duì)流，而形成了較強(qiáng)的垂直向風(fēng)吸力和水平切向力(圖18)。來(lái)流分離導(dǎo)致迎風(fēng)前緣區(qū)域平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)都較大，直立鎖縫金屬屋面板板頭部位又正好處在此風(fēng)作用較大區(qū)域，金屬屋面板的板頭又正對(duì)風(fēng)口，風(fēng)吹入金屬屋面板之板底后會(huì)產(chǎn)生很大的掀起力，金屬屋面板掀起后迎風(fēng)面積進(jìn)一步增大，具體的風(fēng)揭破損情況為：首先，從迎風(fēng)面的檐口開(kāi)始揭起、翻卷，接著折彎直至吹落[1]，極易產(chǎn)生“類(lèi)似撕紙的連鎖破壞效應(yīng)”，因此，如何避免產(chǎn)生“類(lèi)似撕紙的連鎖破壞效應(yīng)”，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確有必要采取必要的附加加強(qiáng)構(gòu)造措施，防止這些部位屋面板板頭被風(fēng)掀起而產(chǎn)生連鎖破壞。昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓四周周邊區(qū)域及其建筑物屋面其他板頭區(qū)域作為特別重點(diǎn)區(qū)域，采取了在屋面板頭處增設(shè)鋁合金抗風(fēng)壓板(圖19)及鋁合金抗風(fēng)橫桿(圖20)進(jìn)一步的附加加固措施，增大了該部位屋面的抗風(fēng)揭承載力。

圖18 屋面邊緣區(qū)域產(chǎn)生垂直向風(fēng)吸力和水平切向力Fig. 18 Vertical wind suction and horizontal tangential force are produced in the area of roof edge

圖19 鋁合金抗風(fēng)壓板Fig. 19 Aluminum alloy wind resistant

圖20 鋁合金抗風(fēng)橫桿Fig. 20 Aluminum alloy wind resistant horizontal bar

5 結(jié)論

(1) 在設(shè)計(jì)大跨度機(jī)場(chǎng)、體育館、展覽館這類(lèi)復(fù)雜弱剛性類(lèi)型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)足夠重視風(fēng)荷載對(duì)屋面結(jié)構(gòu)的不利影響，否則由于劇風(fēng)作用可能會(huì)引發(fā)出嚴(yán)重的事故。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)采用直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)的公共建筑出現(xiàn)了多起執(zhí)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2006 年版設(shè)計(jì)風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值的前提下遭遇到在其設(shè)計(jì)風(fēng)荷載允許范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)時(shí)發(fā)生了大面積屋面風(fēng)揭脫扣破壞事件，本文建議國(guó)內(nèi)此類(lèi)既有直立鎖縫金屬屋面要按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012 再普遍進(jìn)行一次復(fù)核驗(yàn)算，必要時(shí)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)與施工；新建的直立鎖縫金屬屋面工程應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012 進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。并建議均選用100 年一遇的基本風(fēng)壓。

(2)考慮到實(shí)體抗風(fēng)揭承載力檢測(cè)可以解決加固設(shè)計(jì)理論值與實(shí)際的偏差的問(wèn)題以及國(guó)際上已形成共識(shí)的做法，本文建議通過(guò)采用直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭試驗(yàn)來(lái)確定其實(shí)際能力。 直立鎖縫金屬屋面板扣合構(gòu)造的抗風(fēng)揭承載力試驗(yàn)，應(yīng)按實(shí)際工程屋面1∶1 樣本用氣囊模擬風(fēng)揭力作用。通常情況下，直立鎖縫金屬屋面板風(fēng)揭脫扣破壞是因?yàn)檫B接處設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家是由銀行保險(xiǎn)來(lái)提供保障，而銀行保險(xiǎn)又只對(duì)經(jīng)過(guò)了抗風(fēng)揭試驗(yàn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)提供擔(dān)保，通常也由氣囊模擬風(fēng)揭進(jìn)行認(rèn)證。因此，中國(guó)金屬?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)揭安全問(wèn)題也需要重視，國(guó)外的類(lèi)似抗風(fēng)揭認(rèn)證方式亦可借鑒。

(3) 考慮到此類(lèi)屋面板塊間的連接是通過(guò)板塊與板塊的直立鎖邊咬合而形成密合連接、咬合邊與支座形成了可伸縮滑動(dòng)空腔之連接方式，可解決因熱脹冷縮所產(chǎn)生的板塊的附加應(yīng)力及防止了溫度的形變問(wèn)題，因而不贊成螺絲直穿直立鎖縫式金屬屋面板的加固做法，而建議增設(shè)體外夾具之方法。系列的對(duì)比試驗(yàn)都表明：在直立鎖縫金屬屋面板支座處增設(shè)夾具加強(qiáng)后，屋面板抗風(fēng)揭能力得到了大幅度提高，加固所采用的夾具做法可滿足屋面抗風(fēng)揭的安全要求。一方面屋面板抗風(fēng)揭能力隨著夾具布置間隔的減小而增大，更甚于原來(lái)無(wú)夾具之布置；另一方面夾具與檁條的布置也宜經(jīng)濟(jì)合理，在滿足抗風(fēng)揭安全要求的同時(shí)應(yīng)盡量節(jié)省。本文所舉昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓直立鎖縫式金屬屋面板加強(qiáng)，一般區(qū)域只采用了間距1.5 m 支座處布置夾具的做法。

(4) 開(kāi)敞式屋面結(jié)構(gòu)懸挑屋面部分，應(yīng)按凈風(fēng)壓進(jìn)行上、下表面最不利風(fēng)荷載設(shè)計(jì)。受特殊形狀的影響，最大負(fù)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生在建筑物的大屋面轉(zhuǎn)角區(qū)域、四周邊緣、弧形變化區(qū)域和局部突出區(qū)域，那里的瞬間風(fēng)力可能會(huì)大大超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文所舉昌北機(jī)場(chǎng)T2 航站樓直立鎖縫式金屬屋面板加強(qiáng)，在這些重點(diǎn)區(qū)域采用了間距0.75 m支座處布置夾具的做法。

(5) 直立鎖縫金屬屋面板邊緣處來(lái)流分離導(dǎo)致屋面迎風(fēng)前緣區(qū)域平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)都較大，金屬屋面板的板頭部位又正位于此區(qū)域，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確有必要采取進(jìn)一步的加強(qiáng)附加構(gòu)造措施，防止這些屋面板板頭被風(fēng)掀起而產(chǎn)生“類(lèi)似撕紙破壞連鎖效應(yīng)”。因此，建議此等重點(diǎn)區(qū)域屋面板支座處在布置較密夾具的同時(shí)，增設(shè)鋁合金抗風(fēng)壓板或鋁合金抗風(fēng)橫桿(建議結(jié)合坡屋面的擋雪構(gòu)造做法)的附加加固措施，以進(jìn)一步增大該部位屋面板的抗風(fēng)揭承載力。