全國(guó)最大抗風(fēng)揭試驗(yàn)金屬屋面系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

陳景鎮(zhèn)，馬仁剛，胡澤銘，劉華長(zhǎng)，蔡宏觀

（1.中國(guó)建筑第四工程局有限公司，福建 廈門 361000；2.中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著我國(guó)大型公共建筑的新建，金屬屋面由于其強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕便、保溫、隔熱、防水等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)航站樓等公用建筑[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中，金屬屋面由于抗風(fēng)能力設(shè)計(jì)不足，風(fēng)揭事故頻發(fā)。特別是受全球氣候變暖影響，近年來(lái)登陸我國(guó)沿海地區(qū)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)明顯增多，對(duì)于一些重要建筑物，如大型公共場(chǎng)館、核電廠房等，其在超強(qiáng)風(fēng)力作用下防范安全事故發(fā)生的能力需求對(duì)金屬屋面設(shè)計(jì)提出了更高要求[2]。

在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)，金屬屋面僅依據(jù)規(guī)范公式進(jìn)行抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不能完全保證其抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的安全，還必須通過(guò)相應(yīng)的抗風(fēng)揭試驗(yàn)和分區(qū)設(shè)計(jì)[3]。如果金屬屋面原有設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò)抗風(fēng)揭試驗(yàn)時(shí)，則可以采取相應(yīng)的加固措施[4-6]。根據(jù)風(fēng)揭案例的分析，風(fēng)揭破壞部位多發(fā)生于屋面邊角處或挑檐凸出部位，破壞中以連接件松脫、固定支架破壞為主要破壞形式[7]。因此，在金屬屋面設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)金屬屋面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)防風(fēng)揭措施，提高屋面系統(tǒng)抗風(fēng)能力，具有重要意義和現(xiàn)實(shí)需求。

廈門新會(huì)展中心—會(huì)議中心項(xiàng)目是福建省建筑單體最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的會(huì)議項(xiàng)目，且項(xiàng)目地處廈門翔安區(qū)沿海，位于臺(tái)風(fēng)登陸口，特別是2016 年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在翔安區(qū)登陸（登陸中心最大風(fēng)力達(dá)15 級(jí)），對(duì)當(dāng)?shù)亟ㄖ慕饘倬S護(hù)系統(tǒng)造成了巨大破壞[8]，因此本項(xiàng)目對(duì)金屬屋面的安全性要求很高。故本文結(jié)合廈門新會(huì)展中心—會(huì)議中心項(xiàng)目，通過(guò)開(kāi)展全國(guó)最大的抗風(fēng)揭試驗(yàn)介紹其在超強(qiáng)風(fēng)壓條件下的金屬屋面設(shè)計(jì)和關(guān)鍵抗風(fēng)揭措施，旨在為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廈門新會(huì)展中心—會(huì)議中心項(xiàng)目主體采用鋼框架+空間管桁架結(jié)構(gòu)形式，屋蓋采用倒三角形空間管桁架體系，最大桁架跨度81m，總建筑面積23.11 萬(wàn)m2，規(guī)劃建設(shè)46 間會(huì)議室、VIP室以及其他附屬配套用房，二層設(shè)計(jì)為1.1 萬(wàn)m2超大型萬(wàn)人會(huì)議室，是當(dāng)前全國(guó)最大的無(wú)柱多功能會(huì)議室。圖1 為項(xiàng)目效果圖。

圖1 廈門新會(huì)展中心-會(huì)議中心效果圖

2 金屬屋面設(shè)計(jì)概況

2.1 金屬屋面標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造

廈門新會(huì)展中心-會(huì)議中心金屬屋面借鑒當(dāng)?shù)亻}南建筑風(fēng)格，為單軸對(duì)稱的雙脊雙曲波浪形雙層金屬屋面，屋脊兩端設(shè)置有懸魚(yú)附屬鋼結(jié)構(gòu)，南面為觀海窗口，效果圖如圖2 所示。

圖2 金屬屋面效果圖

雙層金屬屋面標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造如圖3所示，由上至下依次為：裝飾板、裝飾板龍骨、屋面板、防水層、保溫層、隔汽層、吸音層、屋面底板、主次檁條。整個(gè)系統(tǒng)采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表面無(wú)穿孔、無(wú)穿刺的隱蔽式安裝設(shè)計(jì)，從而使整個(gè)屋面系統(tǒng)形成一種“耐候性”。

圖3 雙層金屬屋面標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造層

2.2 金屬屋面節(jié)點(diǎn)和抗風(fēng)揭設(shè)計(jì)

金屬屋面節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4 所示，該屋面從連接方式及受力方式等方面做了優(yōu)化改進(jìn)，其特點(diǎn)是采用92mm 肋高270°的單向雙咬合屋面板，屋面板肋立邊凹槽處通過(guò)不銹鋼絞合片栓接下部的鍍鋅鋼固定支座，再采用自攻釘將鍍鋅鋼固定支座與幾字托連接固定，幾字托再連接到檁條上，此種結(jié)構(gòu)在提高屋面板抗風(fēng)揭性能的同時(shí)，也提高了屋面的防水性能。

圖4 金屬屋面節(jié)點(diǎn)

該屋面的傳力路徑為：風(fēng)荷載→裝飾板→不銹鋼U 型件→抗風(fēng)夾具→不銹鋼絞合片→鍍鋅鋼固定支座→幾字托→檁條。主要的失效模式有：抗風(fēng)夾具脫離或破壞、屋面板撕裂或大小邊脫離、支座脫離或破壞等。

3 抗風(fēng)揭試驗(yàn)

3.1 抗風(fēng)揭試驗(yàn)風(fēng)壓取值

抗風(fēng)揭試驗(yàn)分為動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)和靜態(tài)極限承載力抗風(fēng)揭破壞試驗(yàn)，兩個(gè)測(cè)試需連續(xù)進(jìn)行，試驗(yàn)前需確定荷載取值。通過(guò)邀請(qǐng)專家組論證，確認(rèn)屋面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取用重現(xiàn)期為100年（0.95 kN/m2）。

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，廈門新會(huì)展中心-會(huì)議中心（加密區(qū)）測(cè)試風(fēng)敏感取樣區(qū)域最不利負(fù)風(fēng)壓值為-8.0 kPa，將其作為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)《強(qiáng)風(fēng)易發(fā)多發(fā)地區(qū)金屬屋面技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-148-2018），動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭測(cè)試值按下式確定：

式中：W 為動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭測(cè)試值；wd為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值；wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

靜態(tài)抗風(fēng)揭測(cè)試值按下式確定：

根據(jù)上式計(jì)算，確定動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭測(cè)試值為-16.8 kPa；靜態(tài)抗風(fēng)揭測(cè)試值應(yīng)大等于-19.2 kPa，該值為國(guó)內(nèi)目前最大的抗風(fēng)揭試驗(yàn)取值，對(duì)屋面的抗風(fēng)揭能力提出了很高的要求。

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)

試驗(yàn)方案按《強(qiáng)風(fēng)易發(fā)多發(fā)地區(qū)金屬屋面技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-148-2018）規(guī)定執(zhí)行，動(dòng)態(tài)加壓周期包括壓力上升和下降，壓力上升時(shí)間應(yīng)控制在2s 內(nèi)，下降時(shí)間應(yīng)控制在1s 內(nèi)，單個(gè)波動(dòng)周期需小等于3s。整個(gè)動(dòng)態(tài)抗風(fēng)試驗(yàn)分7 個(gè)階段進(jìn)行，總共進(jìn)行10 800 次循環(huán)加載，風(fēng)壓加載比例如表1 所示。

表1 動(dòng)態(tài)風(fēng)壓加載比例

3.2.2 靜態(tài)極限承載力抗風(fēng)揭破壞試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)結(jié)束后，如試件未失效，則繼續(xù)進(jìn)行靜態(tài)極限承載力抗風(fēng)揭破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)采用階梯式逐級(jí)加載，從-7.7kPa開(kāi)始，每級(jí)荷載作用60s后，提高0.7kPa到下一級(jí)荷載，繼續(xù)作用60s，重復(fù)上述步驟直至試件破壞失效，加載示意圖如圖5 所示，破壞時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的極限風(fēng)荷載值，根據(jù)上述要求，該絕對(duì)值應(yīng)大于19.2 kPa。

圖5 靜態(tài)風(fēng)壓加載示意圖

3.3 試件制備

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試箱體尺寸為7 700 mm×3 860 mm，根據(jù)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值-8.0 kPa 處的金屬屋面設(shè)計(jì)方案來(lái)制作試件。首先安裝檁條，各檁條橫向間距400 mm；鋪設(shè)壓型板，并用自攻釘將幾字托和壓型板固定在檁條上，幾字托沿每條檁條長(zhǎng)度方向間距420 mm 布置；接著鋪設(shè)無(wú)紡布、玻璃絲綿、隔氣膜、巖棉、防水卷材；然后在每個(gè)幾字托上部安裝鍍鋅鋼固定支座；完成后安裝屋面板，屋面板之間采用270°單向雙咬合；在咬合處安裝抗風(fēng)夾具，抗風(fēng)夾具橫向間距1 500 mm，縱向間距420 mm；然后布置U 型件，U 型件橫向間距1 500 mm，縱向間距840 mm；最后安裝龍骨和裝飾板，裝飾板長(zhǎng)度1 420 mm，寬度980 mm。試件安裝完成后如圖6 所示。

圖6 試件安裝完成圖

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)按方案標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行，先進(jìn)行動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)，加載完成A～B 階段，共計(jì)循環(huán)加載4 825 次，當(dāng)加載C 階段，目標(biāo)壓力值為0～-15.12 kPa，在壓力上升至-13.848 k Pa 時(shí)，屋面板隆起，試件破壞，測(cè)試終止。開(kāi)箱檢查發(fā)現(xiàn)部分抗風(fēng)夾具與屋面板脫離，屋面板存在大邊與小邊脫離的現(xiàn)象，部分支座與屋面板脫離。圖7 為試件破壞情況。

圖7 試件破壞情況

分析試驗(yàn)結(jié)果，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中試件僅加載至C 階段即破壞，破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值為-13.848 kPa，并未加載到試驗(yàn)最大壓力值。從破壞形式來(lái)看，主要是連接件松脫和屋面咬合處脫離。其主要原因是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)類似于疲勞試驗(yàn)，由于風(fēng)吸力反復(fù)不斷對(duì)屋面板向上作用，屋面板反復(fù)隆起，導(dǎo)致試件在連接處脫開(kāi)上拱，致使整個(gè)屋面發(fā)生破壞。因此原設(shè)計(jì)方案抗風(fēng)揭能力明顯不足，需針對(duì)屋面薄弱部位采取有效的加固措施。

4 加固措施分析及驗(yàn)證

4.1 加固措施

4.1.1 增加連接件

通過(guò)減小抗風(fēng)夾具布置間距，可以對(duì)屋面板咬合處進(jìn)行加強(qiáng)處理，防止屋面板大小邊脫離，同時(shí)增加U 型件，加強(qiáng)裝飾板龍骨的固定，有效避免屋面系統(tǒng)在風(fēng)荷載作用下在連接處的薄弱部位發(fā)生破壞。

4.1.2 采用不銹鋼壓條連接抗風(fēng)夾具

屋面加設(shè)抗風(fēng)壓條是一種常見(jiàn)的方法，此種做法通過(guò)限制屋面板跨中位移，減小咬合處變形壓力，達(dá)到提高抗風(fēng)承載力的目的。目前加設(shè)抗風(fēng)壓條的主要做法是在面板上設(shè)置矩形金屬板，再利用自攻釘將其與檁條固定，此種做法的缺點(diǎn)是需在屋面板上鉆孔，處理不當(dāng)嚴(yán)重影響屋面的防水性。本項(xiàng)目通過(guò)在垂直屋面板方向采用不銹鋼壓條連接各抗風(fēng)夾具的方式，如圖8 所示，壓條的寬度70 mm，厚度3 mm，壓條兩端固定在抗風(fēng)夾具上，無(wú)需對(duì)屋面板鉆孔，且為防止屋面在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生震動(dòng)，導(dǎo)致屋面板與不銹鋼壓條之間摩擦受損，故在壓條下鋪設(shè)柔性橡膠墊。這種加固方法可以有效減輕屋面板隆起情況，防止屋面板發(fā)生撕裂破壞。同時(shí)，通過(guò)連接各抗風(fēng)夾具可以組成一個(gè)整體，在風(fēng)荷載作用下更有利于發(fā)揮各抗風(fēng)夾具的性能，提高系統(tǒng)整體抗風(fēng)揭能力。

圖8 不銹鋼壓條

4.1.3 減小裝飾板寬度

板寬越大，則其橫向剛度越小，抵抗變形的能力也就越差，且在風(fēng)荷載作用下板的跨中彎矩也越大，因此通過(guò)減小裝飾板寬度來(lái)提高其抗風(fēng)揭能力。

4.2 抗風(fēng)揭試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)4.1 節(jié)所述的加固措施，重新制作試件，并開(kāi)展第二次抗風(fēng)揭試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)程序加載完成A～G 階段全過(guò)程，共計(jì)循環(huán)加載10 800，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查試件表面無(wú)損壞，進(jìn)行下一階段的靜態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)。靜態(tài)抗風(fēng)揭試驗(yàn)中風(fēng)壓逐級(jí)加載，當(dāng)試驗(yàn)壓力上升至-20.798 kPa 時(shí)，已接近試驗(yàn)裝置的風(fēng)壓上限值，壓力無(wú)法上升，故終止試驗(yàn)，開(kāi)箱檢查發(fā)現(xiàn)試件各部位狀態(tài)良好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，靜態(tài)極限風(fēng)荷載值已加載至-20.798 kPa 超過(guò)了設(shè)計(jì)要求的-19.2 kPa，故相較于金屬屋面原方案，采用的加固措施可以有效提高屋面的抗風(fēng)揭性能，順利通過(guò)了全國(guó)最大的抗風(fēng)揭試驗(yàn)。

5 結(jié)論

（1）在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)，對(duì)金屬屋面抗風(fēng)揭性能要求較高時(shí)，就必須通過(guò)抗風(fēng)揭試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果針對(duì)薄弱部位，進(jìn)行針對(duì)性的加固措施及驗(yàn)證，從而在保證金屬屋面系統(tǒng)的安全可靠的同時(shí)使得設(shè)計(jì)過(guò)程趨于合理經(jīng)濟(jì)。

（2）廈門新會(huì)展中心—會(huì)議中心項(xiàng)目通過(guò)增加抗風(fēng)夾具和U 型件、減小面板寬度、在垂直屋面板方向采用不銹鋼壓條連接抗風(fēng)夾具的方式，有效加強(qiáng)了屋面系統(tǒng)的整體抗風(fēng)揭能力，順利通過(guò)了全國(guó)最大的抗風(fēng)揭試驗(yàn)，為重要建筑、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)的金屬屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了較高的參考價(jià)值。