秦国鹏 刘美思 刘 毅 侯兆新 孙 超
（中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）
摘 要：由于金属屋面系统的设计方法尚不成熟，近年来金属屋面被狂风掀起的现象时有发生。因此，如何有针对性地开展此类屋面系统的抗风揭性能研究，具有重要的意义。通过试验手段，对工程常见的金属屋面系统进行相关的抗风揭试验研究，获得了相关的荷载-变形、荷载-应变曲线，并对相关试验结果进行分析。试验结果表明：该金属屋面抗风揭能力最薄弱的地方位于支座与屋面板的锁边处，通过在支座和屋面板的锁边位置增加抗风加强夹，能够显著提高屋面的抗风揭能力，且加强夹间距越密，屋面系统的抗风揭能力越强。
关键词：金属屋面；抗风揭；试验研究；分析DOI:10.13206/j. gjg201603005
金属屋面系统因承担防水、承重等建筑和结构功能，其性能质量将直接关系到建（构）筑物系统的使用和安全。近年来，金属屋面系统因质量轻、板材薄、板间机械咬合强度低等特点，在台风、风暴等恶劣气象条件的影响下，常发生屋面金属表层被风掀起的事件。因此，针对金属屋面系统的抗风能力开展系统、全面的研究，就显得尤为重要。
目前，针对屋面系统的研究，国内各类金属屋面的供应商和科研机构进行得较少。为此，通过试验手段研究了直立锁边铝合金屋面系统在风吸力作用下的破坏机理，揭示其破坏过程中的一般性规律，可为建材商、设计人员、施工单位提供一定的借鉴与参考。
1试验准备
1.1 试验概况
试验在中冶建筑研究总院的建筑围护系统实验室内进行，采用的抗风揭试验台尺寸为3.6 m×7.4 m。待测试的屋面系统为65/400型直立锁边铝合金屋面系统，所用材料和构造形式与工程实际做法完全相同，相关的试验参数见表1。
试验共制作两组对比试件，即试件A、试件B。其中，试件A表面的抗风加强夹间距为1000mm，试件B表面的抗风加强夹间距为500mm，两试件其他参数均相同。
试件组装时，应严格按照屋面系统安装说明进行。首先，将屋面檩条用自攻钉固定在试验箱底部；然后，在檩条上方铺设气膜，用以传递内部风压至金属面板；其次，将T型支座用自攻钉固定在檩条上方；随后，依次安放铝合金屋面板，并利用锁边机逐一锁边，直至所有屋面板安装完毕。典型的试件组装过程见图1。
1.2 测试内容
如图1e所示：在试件中心部位波峰的3个支座及其跨中两个位置放置位移计，以测5个点位在负风压作用下的竖向挠度；在试件中心铝板的两波峰位置沿板长方向贴4个应变片，在相应波谷位置沿板长方向贴4个应变片，沿板宽方向贴2个应变片。试验采用分级加载制，通过强力引风机向试验平台内充入空气，形成稳定气压差，来模拟实际情况中负风压作用。
1.3 加载过程
试验加载主要分为两个阶段：第一阶段为静力加载阶段：从0 k Pa加压至2.9 k Pa，分8级加压，即0. 36，0.72，1.08，……，2.90 k Pa，加压达到相应气压值后保持压力60 s，然后再加压；第二阶段为极限承载力加载阶段：从0 k Pa加压至试件破坏，同样为分级加压，在2.9 k Pa前分4次加压，其后每级气压增量为0. 36 k Pa，即0.72，1.44，2.16，2.90，3. 26,3.62 k a，……。第一阶段静力加载阶段，测量挠度和应变；第二阶段极限承载力阶段，考虑到变形过大对测量仪器的损坏，在此阶段撤除了位移计，只测量应变。
2试验结果
2.1破坏形态
对于试件A在加载初期，气压为0~1. 44 k Pa时，处于弹性阶段，达到1. 44 k Pa时试件发生弹性变形，波谷在竖直方向出现小的变形，气压回落到O k Pa时试件恢复到初始状态；当加压到2.9 k Pa，持荷60 s，回落到0 k Pa后，发现个别区域出现永久变形，不能自行恢复到初始状态；当加压到4. 31 k Pa时，持荷30 s发生破坏，锁缝处与T型支座脱开，铝板出现严重变形。对于试件B，在弹性阶段和弹塑性阶段与试件A情况相同；在破坏阶段，加压至6. 51 k Pa，持荷41 s发生破坏，锁缝处与T型支座脱开，铝板出现严重变形，铝板与防风夹接触位置发生撕裂。破坏情况如图2所示。
2.2 荷载-应变关系曲线
试件A与B在试验加载过程中，跨中位置处（SG2-波谷横向应变）的荷载-应变关系见图3。
由图3可以看出：在第一阶段（弹性状态），在2 k Pa相同荷载作用下，由于试件B的加强夹间距为试件A的1/2，其屋面板自由变形的性能受到一定的约束，此时试件B的应变约为试件A的1. 25倍；在第二阶段（承载力极限状态下），试件B的极限承载力约为试件A的1.5倍，表明经加强夹加密的试件B其整体承载力均得到了提高。
2.3 荷载-挠度关系曲线
在图3中可以看出：在初始阶段，试件A和试件B在2个测点处的荷载-挠度曲线基本重合，呈线性关系，表明在弹性阶段加强夹对屋面板（风吸变形）的约束不明显；在极限承载力阶段，由于受支座的约束作用，屋面板支座处的挠度始终小于跨中位置。由于试件B采用了加强夹加密，其在较大荷载下仍具备较大的变形能力，而不发生破坏，其极限挠度值约为试件A的1.6倍。
3 结束语
通过对金属屋面系统的两组抗风揭对比试验得出了如下结论：首先，经加强夹加固的屋面系统，其整体抗风性能得到了一定的提升；其次，屋面系统的抗风承载力随着加强夹间距的增大而减小，本文中试件B的加强夹间距为试件A的1/2，其极限承载力为试件A的1.5倍；此外，在屋面板布置加强夹时，应做到经济、合理，过密的布置做法会产生局部过分的约束及应力集中现象，进而造成金属面板在往复风载作用下的疲劳破坏。
