大跨度空间结构金属屋面板抗风揭性能试验研究

王海涛，王静峰，2（.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥　230009；2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽合肥　230009）



大跨度空间结构金属屋面板抗风揭性能试验研究

王海涛1，王静峰1，2
（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽合肥230009）

摘要：为了研究大跨度空间结构金属屋面和吊顶板的抗风吸承载力，文章采用静载试验方法进行了430型屋面板加固前后的抗风吸试验、373型吊顶板的抗风吸和抗风压试验。研究了采取自攻螺钉、夹具、垫片等加固措施对金属屋面板承载力和破坏形式的影响。试验结果表明，采取合理加固措施可以有效地提高430型金属屋面板的抗风吸承载力。研究结果可为火车站、航站楼等大型场馆金属屋面的设计与施工提供参考。

关键词：屋面板；吊顶板；抗风吸承载力；破坏机理；加固措施

王静峰（1976-），男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

0　引　言

近年来我国新建或改建体育馆、火车站的钢结构屋面，属于大跨度、开阔式空间结构。但是，由于风力的作用，空间金属屋面和吊顶时常发生脱落等严重事故。同时，现有体育馆和火车站钢结构屋面板设计主要参照文献［1-2］，然而这些技术标准对大跨度、开阔式空间结构的金属屋面的抗风揭性能、承载力和连接构造缺乏科学合理的规定。另外，我国也缺乏大跨度空间结构金属屋面板抗风揭的试验数据和计算方法。

国内外研究者对屋面板及连接件在风荷载作用下的承载能力进行了大量的试验和理论研究。文献［3］研究了直立锁边金属屋面系统简化模型在风洞压力作用下的受力特点与破坏模式；文献［4］研究了SNAP-IT和MR-24板在动态风吸荷载作用下的受力特征；文献［5］采用有限元方法，对工程中常用的屋面板及其连接件在风荷载作用下的承载能力进行分析验算；文献［6］为研究CLP屋面板的连接机理，做了CLP屋面板抗风承载力试验；文献［7-8］采用空气压力模拟风吸荷载对金属屋面系统进行加载试验，虽然加载更接近于真实的风荷载作用，且已经有较成熟的试验方法，但未能实现屋面板均匀加载的要求，且加载过程空气的流速及压力无法时刻监控。因此，对于屋面板的抗风吸承载力的研究，尚缺乏必要的设计方法、试验数据和理论分析。

为了了解金属屋面的整体抗风吸承载力，本文进行了430型屋面板加固前后的整体抗风吸试验、373型吊顶板的整体抗风吸和抗风压试验，从而检验430型屋面板的抗风吸承载力、373型吊顶板的抗风吸和抗风压承载力是否满足设计要求。本文研究成果可为类似工程设计与应用提供参考。

1　试验概况

1.1试件设计与制作

本试验共进行了6个屋面板试件和2个吊顶板试件的静载试验，试件基本信息见表1所列。屋面板采用430型镀铝锌彩钢板，吊顶板采用373型镀铝锌钢板，两者厚度均为0.6 mm；屋面板的檩条为C160 mm×60 mm×20 mm×2.5 mm，吊顶板的檩条为C160 mm×60 mm×12 mm×2.5 mm，支架的厚度为1.2 mm，材质均为Q235B。自攻钉为ST5.5 mm×32 mm。檩条规格与实际工程相同，屋面板的檩条间距为1.2 m，吊顶板的檩条间距为1.6 m，檩条上布置屋面板的支架，支架上铺设板材，其中中间3块板件为主要考察对象，在其两侧各布置1块同类型的板件，可以有效地模拟中间板件的边界连接条件。430型屋面板和373型吊顶板试件尺寸如图1所示。

表1　试件基本信息

图1　430型屋面板和373型吊顶板试件尺寸

试件A1～A6是做抗风吸试验的屋面板试件。试件A1、A3、A6的尺寸和类型相同，未加任何加固措施，与实际工程的屋面板相同（图1a）；试件A2、A5在檩条下屋面板咬合处设置铝合金夹具，其中试件A2的支架用4根自攻螺钉连接固定在檩条上，试件A5的支架用2根自攻螺钉连接固定在檩条上（图1b）；试件A4的所有檩条下屋面板的咬合处间隔设置铝合金夹具，试件A4的夹具个数是试件A2、A5夹具个数的50%（图1c）。试件A7是做抗风压试验的吊顶板试件，板材放置在檩条上面，吊顶板边缘及咬合处与檩条用1个自攻螺钉连接固定（图1d）；试件A8是做抗风吸试验的吊顶板试件，板材放置在檩条下面，吊顶板边缘及咬合处与檩条用1个自攻螺钉连接固定（图1e）。钢材的材性试验结果见表2所列。表2中，fy为屈服强度，fu为抗拉强度，E为弹性模量；单位均为N/mm2。

表2　钢材力学性能

1.2试验内容和加载制度

试验现场如图2所示，试验内容及步骤如下：

（1）430型屋面板整体抗风吸试验。试验均采用堆沙袋方式来模拟均布风荷载，采用分级加载。第1级加载为0.4 kN/m2，直至出现破坏迹象，每级加载时间为15 min；然后第2级加载为0.2 kN/m2，加载时间以应变和位移数据稳定和15 min为双控要求，试件共计3个。

（2）加固后430型屋面板整体抗风吸试验。加载制度与430型屋面板整体抗风吸试验的加载制度相同，试件为3个。

（3）373型吊顶板整体抗风压试验和抗风吸试验。加载制度与430型屋面板整体抗风吸试验的加载制度相同，试件各为1个。

图2　试验现场

对于屋面板和吊顶板，考虑风吸力作用，在板材内表面堆沙袋以模拟风吸力作用；对于吊顶板，考虑风压力作用，在板材外表面堆沙袋以模拟风压力作用。采用分级加载，故每袋沙袋有6.70、3.35 kg 2种，每次加载30或40个沙袋。沙袋在屋面板铺设示意图如图3所示。

图3　沙袋在屋面板和吊顶板的铺设示意图

1.3试验仪器和测点布置

本试验合理布置应变片和位移计，从而测得结构的应变和变形，采用日本TDS-303先进数据采集仪采集数据。本次试验的板件均为两跨试件，该板件四周的连接方式均与实际状况相符，在檩条之间的板件中间、板件咬合口和中间檩条下方板中间板与支座咬合处以及屋面板边缘布置应变片及位移计，如图4所示。

图4　金属屋面板应变片和位移计布置示意图

2　试验现象

（1）试件A1。试件A1的沙袋堆载到第4层即荷载值为1.6 kN/m2时（每层沙袋荷载为0.4 kN/m2，其他试件与A1相同），屋面板屈曲，屋面板与中间支座脱开，边缘支座被拉弯，加载结束，如图5所示。

图5　试件A1的破坏模式

（2）试件A2。试件A2的沙袋堆载到第11层（此层仅加载了26袋）即荷载值为4.35 kN/m2时，屋面板屈曲，屋面板与中间支座脱离，边缘支座被拉弯，加载结束，如图6所示。

图6　试件A2的破坏模式

（3）试件A3。试件A3的沙袋堆载到第3层（此层仅加载了22袋）即荷载值为1.1 kN/m2时，屋面板屈曲，咬合口开口，中间支座与屋面板脱开，边缘支座被拉弯，加载结束，如图7所示。

图7　试件A3的破坏模式

（4）试件A4。试件A4的沙袋堆载到第11层即荷载值为4.4 kN/m2时，屋面板屈曲，屋面板与中间支架脱离，边缘支座被拉弯，加载结束，如图8所示。

图8　试件A4的破坏模式

（5）试件A5。试件A5的沙袋堆载到第17层即荷载值为6.8 kN/m2时，屋面板完全脱离檩条至地面，局部屋面板撕裂，中间支座与屋面板脱开，部分边缘支座被拉弯甚至撕裂，加载结束，如图9所示。

图9　试件A5的破坏模式

（6）试件A6。试件A6的沙袋堆载到第4层即荷载值为1.6 kN/m2时，屋面板整体脱离檩条至地面，局部屋面板被撕裂，中间支座与屋面板脱开，部分边缘支座被拉弯甚至撕裂，加载结束，如图10所示。

图10　试件A6的破坏模式

（7）试件A7。试件A7的沙袋堆载到第15层（此层仅加载了25袋）即荷载值为5.85 kN/m2时，吊顶板弯曲，局部吊顶板屈曲，檩条产生较大弯曲变形，自攻钉拔出，加载结束，如图11所示。

图11　试件A7的破坏模式

（8）试件A8。试件A8沙袋堆载到第6层（此层仅加了28袋）即荷载值为2.28 kN/m2时，吊顶板发生屈曲，吊顶板咬合口开口，檩条与吊顶板用自攻钉连接处吊顶板局部撕裂，加载结束，如图12所示。

图12　试件A8的破坏模式

3　失效模式

根据试验现象，430型屋面板和373型吊顶板的失效模式总结如下：①屋面板在风吸作用下发生严重屈曲，变形过大或被撕裂；多处屋面板与金属支座连接处自攻螺钉连接破坏；多处金属支座与檩条连接破坏；屋面板咬合口开口。②吊顶板在风压作用下发生局部屈曲，变形较大；檩条变形过大；部分边缘支座被拉弯甚至发生撕裂失去效果。③吊顶板在风吸作用下发生部分屈曲，咬合口开口，吊顶板与檩条连接处发生撕裂破坏。

4　试验结果与分析

4.1屋面板和吊顶板的承载力和变形

430型屋面板和373型吊顶板的承载力及变形数据见表3所列。

表3　屋面板和吊顶板的承载力及变形数据

4.2荷载-位移曲线

4.2.1屋面板的荷载-位移关系曲线

由于430型屋面板试件A1、A3和A6尺寸安装及加载方式相同，且均未采取加固措施，本文选取试件A3进行研究。试件A2～A5的荷载-位移关系曲线如图13所示。

图13　屋面板试件不同位置的荷载-位移关系曲线

由图13可知，加载初期，在相同荷载下，两檩条中间板的挠度与檩条正下方的挠度相差不大，随着荷载的增加，檩条中间板的挠度增加比檩条正下方挠度大；檩条下方板中间挠度略大于檩条下方板其他位置的挠度；在两檩条跨中位置，咬合口处板的挠度小于板中间位置的挠度。

相同位置不同屋面板试件的荷载-位移关系曲线如图14所示。

图14　屋面板相同位置的荷载-位移关系曲线

4.2.2吊顶板的荷载-位移关系曲线

373型吊顶板分别在风压和风吸作用下的荷载-位移关系曲线如图15所示。

由图15可知，对于373型吊顶板的抗风压试验，板跨中位置与檩条上方板的挠度相近。对于373型吊顶板的抗风吸试验，板跨中挠度比檩条下方板挠度大。

图15　吊顶板的荷载-位移关系曲线

4.3屋面板及吊顶板荷载-应变关系曲线

根据试验结果，可以获得屋面板及吊顶板的荷载-位移关系曲线。各自檩条跨中位置各试件具有代表性的荷载-应变关系曲线如图16所示。

图16　屋面板、吊顶板的荷载-应变关系曲线

屋面板和吊顶板的屈服应变为1 840×10-6，分析图16及试验中获得的其他测试位置的数据可知，应变随荷载的分布规律为：①各试件平行檩条方向屋面板的应变比垂直檩条方向大；②平行檩条方向屋面板受拉，中间檩条下方屋面板垂直檩条方向在加载初期受压，但应变较小；③试件A2和A5屋面板局部屈服；④加固的屋面板极限承载力增加，应变较大；⑤吊顶板受风压时发生局部屈服。

5　设计标准评价

根据文献［1］的规定，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值表达式如下：

其中，wk为风荷载标准值；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风荷载高度变化系数；w0为基本风压。

按100 a考虑，取430型屋面板和373型吊顶板的基本风压w0＝0.50 kN/m2；计算高度为17 m，按插值法取风振系数βz＝1.708，风荷载高度变化系数μz＝1.184；对于风荷载体型系数，风压时取μs＝1.0，风吸时取μs＝- 2.0。

风压时：

风吸时：

风荷载的分项系数取1.4，计算430型屋面板和373型吊顶板的风荷载设计值。

风压时：

风吸时：

本文8个试件的承载力设计值与试验值比较见表4所列。

表4　试件承载力及相应变形的试验值和设计值比较

从表4中可知，按文献［1］的规定，在风吸作用下采取铝合金夹具加固的430型屋面板（试件A2、A4、A5）抗风吸承载力满足规范要求，未采取加固措施的430型屋面板（试件A1、A3、A6）不能满足规范要求。与未加固的430型屋面板（试件A1、A3、A6）比较，金属支座全部采取铝合金夹具加固的屋面板（试件A2、A5）极限承载力分别提高了172%和325%；部分金属支座采取铝合金夹具加固的屋面板（试件A4）极限承载力提高了175%。

6　结　论

通过对430型屋面板和373型吊顶板抗风试验的研究和分析，得到如下结论：

（1）按文献［1］的规定，采取金属夹具加固措施的430型屋面板抗风吸试验值均能满足规范要求，未采取金属夹具加固措施的430型屋面板则反之。373型吊顶板抗风压承载力与抗风吸承载力试验值均满足规范要求。

（2）430型屋面板在风吸作用下的主要失效模式为：屋面板发生严重屈曲，变形过大或被撕裂；多处屋面板与金属支座连接处自攻螺钉连接破坏；多处金属支座与檩条连接破坏；屋面板咬合口开口。

（3）373型吊顶板在风压作用下的主要失效模式为：吊顶板发生局部屈曲，变形较大；檩条变形过大；部分边缘支座被拉弯甚至发生撕裂，失去效果。373型吊顶板在风吸作用下的主要失效模式为：吊顶板发生部分屈曲，咬合口开口，吊顶板与檩条连接处发生撕裂破坏。

（4）在相同荷载下，采取铝合金夹具多的试件挠度较小；连接屋面板与支座的自攻螺钉连接在其破坏前对屋面板的加固影响不明显。

［参考文献］

［1］GB 50019-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［2］CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［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］罗永峰，肖兵波，刘松.常用压型钢板屋面及连接件承载能力分析［J］.建筑钢结构进展，2006，8（6）：1-5.

［6］陈以一，陈建兴，陈扬骥，等.CLP屋面板抗风承载力试验研究［J］.轻钢结构，2003，2（18）：12-15.

［7］魏云波，刘浩，吴明超，等.金属屋面板抗风吸力性能试验装置与试验方法［C］//全国钢结构学术年会论文集，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.

（责任编辑张镅）

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

作者简介：王海涛（1990-），男，安徽滁州人，合肥工业大学硕士生；

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51178156）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（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

中图分类号：TU392.1

文献标识码：A

文章编号：1003-5060（2016）01-0115-07