直立锁边金属屋面的抗风性能研究

常 波 梅献忠 钱 昀 杨 庭

1. 同济大学 上海 200092；2.浙江省建工集团有限责任公司 杭州 310012； 3. 中南建筑设计院股份有限公司 武汉 430071

1 金属屋面应用简介

金属屋面是指采用金属板材作为屋盖材料，将结构层和防水层合二为一的屋盖形式[1-4]。金属板材的种类很多，有锌板、镀铝锌板、铝合金板、铝镁合金板、钛合金板、铜板、不锈钢板等，厚度一般为0.4～1.5 mm。

金属屋面根据板块连接方式不同又分为了直立锁边金属屋面系统、古典式扣盖金属屋面系统、平锁扣式金属屋面系统等，其中以直立锁边金属屋面系统应用最为广泛。此类建筑的特点是跨度大、层数低、屋面面积大，因而采用金属屋面优势明显，也为现代建筑向舒适、轻型、耐久、经济、环保等方向发展发挥了重要的作用。典型的直立锁边金属屋面构造如图1、图2所示。

图1 直立锁边金属屋面系统

图2 屋面板锁边过程

2 直立锁边金属屋面抗风设计

在直立锁边金属屋面设计中，因屋面结构自重轻，且常设计为超长超宽屋面，屋面系统的受风面积大，屋盖的实际风压与负风压通常无法准确计算。常采用试验验证的方式进行设计。然而现在随着恶劣天气不断涌现（局部出现16 级以上大风），金属屋面板脱落、被掀翻的事故也屡见不鲜，对直立锁边金属屋面系统施工管控与屋面系统加固迫在眉睫。

直立锁边金属屋面的抗风性能主要依靠屋面板与金属连接支座咬合、金属连接支座与屋面檩条固定来实现，因此现在常采用金属连接支座加强与屋面板咬合加固2 种方式来加强金属屋面系统的抗风性能。

3 直立锁边金属屋面加固与管控措施

3.1 连接支座加强措施

3.1.1 薄弱部位加强措施

通过对以往破坏案例的分析，可发现直立锁边金属屋面的抗风性能的薄弱部位为屋脊、檐口、天沟边、天窗边等收头部位与形状突变部位，设计时需考虑这些部位覆盖严密不吃风，且覆盖或加塞配件连接稳固。因此屋脊、檐口、天沟边、天窗边这些屋面板收头位置做泛水板、盖板时均做下折、塞挡风堵头并采用Z字形支撑件与结构檩条或屋盖几字形衬檩连接。

屋面板堵头分为2 种，一种为内堵头，主要用于天沟边部位，塞于金属屋面板凹凸空间内（图3）；另一种为外堵头，主要用于屋脊及檐口部位，塞于泛水板与盖板内（图4）。

3.1.2 檩条加密措施

通过结构次檩条加密来增加屋面板支座连接点，达到屋面板抗风加固的作用。屋面次檩条布置时，往往会忽视其作为屋面板的固定点，其间距的大小直接影响屋面板的抗风性能，因此在设计时须有针对性的布置。比如，一般情况下的屋盖，普通部位次檩条布置间距为1 500 mm，而在天沟、檐口、天窗和屋脊周边等抗风性能的薄弱区域，次檩条间距须进行加密至间隔750 mm，以增加屋面固定支座与结构檩条之间的连接点数量，从而达到增强屋盖系统抗风性能的目的。

图3 内堵头

图4 外堵头

3.1.3 支座固定螺丝加强措施

在风灾中金属屋面板脱落也存在铝合金支座被拔起的现象，因此也考虑支座固定螺丝的整体加固或局部加固，并通过支座拉拔试验验证支座的抗拔力是否满足设计要求。通常设计为铝合金支座采用2 个自攻螺丝与屋面檩条或几字形檩条连接，自攻螺丝每边布置1 个。在加固时采用增加质和量2 个方面加强，即采用高强耐久的不锈钢螺丝和增加螺丝数量，1 个支座的自攻螺丝由原来的2 个增加到4 个，对称布置。

3.1.4 施工过程管控措施

施工质量是保证屋盖系统整体稳定的关键。因此须加强施工原材料、安装工序等环节的质量管控，以保证直立锁边金属屋面的抗风性能。屋盖施工前须对屋盖结构檩条进行平整度、平顺度验收，对不符合要求部位须采取措施调平。施工前应进行排版设计，测量放线，保证次檩条、几字形衬檩、铝支座等安装平顺直。面板铺设完毕，应及时使用专用锁边机进行屋面板咬合锁边，屋面板安装完毕，檐口收边工作应尽快完成，以获得必要的组合效果。

3.2 屋面板与支座咬合加固措施

在风灾中，金属屋面受到最多的破坏是屋面板与固定支座间脱落。由于屋盖处于室外复杂的气候环境中，造成支座锁边脱落的原因很复杂，无法得到准确的分析，日常使用过程中加强检查、维护是一方面，通常还采用支座锁边上增加夹具的方式进行加固，特别是檐口、天沟边、屋脊等薄弱或受风面积较大部位，增加设置夹具并采用铝合金方管连接，可有效提高屋面板的整体抗风性能（图5）。

4 验证试验

为验证直立锁边金属屋面加固后的效果，可采用模拟试验的方式进行加固前试件与加固后试件的对比，主要通过抗风揭试验与支座拉伸试验2 种试验验证。

图5 屋面加固节点

抗风揭试验是，采用檩条及屋面板反向放置，堆载（标准铁块和沙袋）以模拟风吸作用，通过设置支座夹具和不设置支座夹具进行对比，测试直立锁边铝镁锰合金屋面系统在等效风场作用的抗风揭能力及增设夹具后抗风性能的提高程度。支座拉伸试验是通过对加固后支座试件施加拉拔力，验证支座破坏位置，测定T形支座与衬檩条连接件的抗拉承载力。抗风揭试验表明，试件的破坏形态为屋面板与T字形支座锁边脱离，与风灾中常见破坏形式相同；所有试件的抗风揭承载力均满足设计要求；锁边上设置夹具的试件的抗风揭承载力明显高于不设夹具的试件，承载力平均提高69.4%。

T字形支座与檩条连接件的极限抗拉强度平均值为16.4 kN，试验抗拉强度值满足设计要求。破坏形式是自攻螺丝受拉断裂，表明T字形支座与檩条连接件中的薄弱部位为自攻螺丝。

从模拟实验可以看出，所采取的屋面加固措施能有效减缓屋面破坏，且试件未考虑板重与风吸力相反、试件小为非全尺寸模拟、实际风吹不连续与不集中等因素，因此通过加固后，金属屋面板抗风性能大大得到提高，屋盖的安全性能得到了保障。

5 结语

在金属屋面应用日益广泛的今天，特别是大型的场馆、站房、综合体，通过金属屋面加固来保证屋面的安全性能，显得越来越重要，且牢固的屋面系统也会使得建筑造型、建筑功能更完美地实现，越来越多的加固措施在建筑设计阶段即被提出。我们通过实践与模拟试验总结出的金属屋盖加固经验，也可供广大从业人员借鉴。