直立锁缝金属屋面抗风揭对比试验与加固方案优化

许秋华，万恬

（南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031）

0 引言

直立锁缝金属屋面系统作为一种新型的屋面系统，其典型的结构做法为：将固定支座用自攻螺栓固定在主结构的檩条上，再将金属屋面板通过不同角度扣在固定支座上，最后用电动锁边机将相邻屋面板直立预留的自然搭扣边咬合在一起（见图1）。

图1 直立锁缝金属屋面系统剖面示意

直立锁缝式金属屋面系统的核心构成，是基于直立锁边咬合设计的特殊金属屋面板形，主要适用于大跨度自支承式密合安装屋面板体系；在屋面板上无任何穿孔，因其支承部分隐藏在面板之下；而屋面板块间的连接又是采用板块与板块的直立锁边咬合形成密合连接，板块的咬合过程完全由机械自动完成，咬合边与支座形成的可伸缩滑动的连接方式，并不限制屋面板在板长方向的自由度，可解决因热胀冷缩所产生的板块附加应力以及防止了温度形变；现场加工可制作任意超长尺寸的屋面板块，避免了因纵向接缝而出现的渗水隐患；同时屋面系统完整齐全的附件供应可满足各种建筑屋面造型的要求。直立锁缝金属屋面系统正因为上述优异的防水密闭性能、轻质的属性和良好的释放屋面结构温度、防止形变的能力，以及特别能适应起伏多变的建筑屋面造型的优势，在国内大跨度公共建筑，如机场、车站、体育场馆、文化建筑中得到了越来越广泛的应用[1-3]。

但近年来，随着此类直立锁缝金属屋面系统在屋面造型要求丰富的公共建筑大跨度结构屋面系统中的应用，国内出现了多起执行GB 50009—2006《建筑结构荷载规范》设计风荷载规范规定值前提下，遭遇在其设计风荷载允许范围内的强风而发生大面积屋面风揭脱扣破坏事件。面板破坏处固定件、主次檩条均良好，而立边锁扣拉脱，反映立边锁扣负风压强度不够。如武汉天河机场二期工程、苏州园区火车站及河南省体育中心东罩棚分别发生了大面积屋面风揭脱扣破坏事件；而北京首都机场T3航站楼作为我国最大的航站楼，竟然同一建筑在2年多时间里发生了3起大面积屋面风揭脱扣破坏事件，时间分别为2010年12月10日、2011年11月22日及2013年3月9日[1]。2018年3月4日，南昌昌北国际机场T2航站楼（见图2）也发生了一起同样情况下的大面积屋面风揭脱扣破坏事件（见图3）。

图2 南昌昌北国际机场T2航站楼

图3 昌北机场大面积屋面风揭脱扣破坏照片

自GB 50009—2006实施以来，国内围护结构破坏时有出现，规范中屋面12级风压标准值大约相当于GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的10级风压标准值。北京机场T3航站楼屋顶、武汉天河机场屋顶、苏州火车站园区金属屋面以及河南体育馆屋面系统作为建筑物的围护结构，风荷载均按当时GB 50009—2006进行了罕遇12级风压设计，而实际情况是在常遇的9、10、11级风压下就发生了大面积屋面风揭脱扣破坏，当时国家标准取值偏低是重要技术原因[1]。

GB 50009—2012与GB 50009—2006对比，修改增大了阵风系数计算公式与表格、峰值因子g由2.2修改为2.5、基本湍流度I10（如粗糙度类别C、D时由0.167、0.278分别加大为0.23、0.39），直接承受脉动风荷载的屋面围护结构风荷载明显提高了。

金属屋面系统通过扣合或咬边连接的金属屋面工程越来越多，由于设计规范相对滞后，对金属屋面上层屋面板板肋与固定支座之间的咬合破坏研究甚少；直立锁缝咬边连接是板与板、板与固定支座之间的相互咬合，其连接后抗剪和抗弯承载力是通过相互之间的摩擦力来传递，传力机制明显不同于紧固件连接的传力机制，在风吸力作用下的传力机制（直立锁缝金属屋面系统受力途径见图4，目前还没有成熟的理论可寻。风灾调查都表明[2]，强风作用下直立锁缝屋面体系易发生固定支座脱扣破坏现象，脱扣破坏时屋面板局部被掀起，进而发生大面积屋面板脱落。因此，如何合理估计固定支座所受风力而不致风揭脱扣，已成为直立锁缝屋面体系抗风设计的主要问题[4-5]。

图4 直立锁缝金属屋面系统受力途径示意

普通压型板由自攻钉直接穿透固定，抗风揭承载力可靠，但容易渗漏；360°咬合板防渗漏佳，抗风揭比较好，但不能适应弧形屋面造型要求。南昌机场、首都机场被风揭破坏的均是扣合板，抗风揭能力最差（除非另加固措施）。由于国内机场及车站等公共建筑的直立锁缝屋面发生多起风灾，有不少学者已经对直立锁缝屋面的理论分析以及工程应用进行了研究完善。孙成疆[6]提出直立锁缝屋面的抗风揭能力的关键因素，并得出自攻螺钉拔脱力的建议计算公式。秦国鹏等[7]通过试验研究直立锁缝屋面系统抗风揭的破坏机理，并得出荷载-变形，荷载-应变的曲线。

按GB 50009—2006设计并建成的金属屋面，负风压取值偏低是风揭破坏的主要原因。这类既有金属屋面围护结构抗风能力的及时加强及新建金属屋面围护结构抗风能力达到GB 50009—2012取值的要求迫在眉睫。

1 南昌昌北国际机场T2航站楼大面积屋面风揭脱扣破坏及其处理

1.1 金属屋面板抗风揭加强设计的荷载取值及加强方法

南昌昌北国际机场T2航站楼，屋面平面成扇形，扇形外弧轴线长约265 m，内弧轴线长约227 m，径向轴线跨度约115.8 m，总建筑面积96 616.2 m2，能满足流量1200万人次的出行需要。开工时间为2008年9月25日，竣工时间为2011年3月28日，按照GB 50009—2006设计并建成，采用了直立锁缝式金属屋面系统。

直立锁缝式金属屋面板固定在支座的梅花头上，没有螺钉外露，屋面美观整洁。由下而上各功能层依次为：（1）3.0 mm次檩条→（2）0.5 mm 彩钢打孔底板→（3）无纺布→（4）30 mm吸音棉→（5）0.25 mm不透水聚烯烃涂层纺粘聚乙烯膜→（6）100 mm（50+50）保温玻璃棉→（7）2.0 mm 衬檩支撑件→（8）2.0 mm几字型衬檩→（9）8.0 mm水泥玻璃纤维增强水泥压力板→（10）2.0 mmWSP防水卷材一层→（11）L-90铝合金固定座→（12）0.9mm氟碳涂层直立锁边铝镁锰合金屋面板（见图5）。

图5 昌北机场T2航站楼直立锁缝式金属屋面板构造示意

2018年3月4日，南昌遭遇强对流大风天气，造成昌北机场T2航站楼出发层入口区域挑檐部分金属屋面及吊顶受损、脱落，金属屋面受损面积约1300 m2（受损部位均为铝合金固定座以上屋面板风揭脱扣破坏），室外吊顶受损约1000 m2。

昌北机场气象台监测到的当时风速超过29.5 m/s，达到11级风，根据wp=v2/1600换算风压为0.55 kN/m2。机场T2航站楼屋面造型呈弧形，属于对风荷载比较敏感的其他结构（见图6），根据GB 50009—2006第7.1.2条“对于对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。”基本风压宜按GB 50009—2006附录D.4中给出的百年一遇的风压采用，即不得小于0.55 kN/m2，故当时风速刚好达到了GB 50009—2006中风压值标准。

图6 T2航站楼屋面造型呈弧形

T2航站楼风灾后直立锁缝式金属屋面板加强处理按照GB 50009—2012，其基本风压w0采用0.55 kN/m2（百年一遇），作为围护结构风荷载标准值wk按式（1）计算：

项目位于郊区，地面粗糙度取B类，屋面距地面最高处为30 m，则式中阵风系数βgz查该规范表8.6.1取1.59；风荷载局部体型系数μsl查该规范第8.3.3条第2款“檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，取-2.0”；风压高度变化系数μz查该规范表8.2.1取1.39。则结构风荷载标准值wk为1.59×2×1.39×0.55=2.431 kN/m2。

风灾后，昌北机场T2航站楼大厅悬挑屋面的中间部分出现了屋面围护结构的全通透破坏（见图7），在建筑物两侧的开敞式屋面结构也出现了屋面风揭破坏（见图8），表明开敞式屋面结构，如昌北机场T2航站楼大厅悬挑屋面部分，屋面结构上下表面都受到了风的作用，需要考虑此屋盖处上、下表面的风压差，即按净风压进行上、下表面的最不利风荷载设计[9]；同时考虑到破损部位发生在此航站楼楼顶的弧形段，受此特殊形状的影响，最大的负风压可能会产生在建筑物的暴露边缘、弧形变化区域和转角区域，那里的瞬间风力可能会超过设计标准[1]，也是因为机场类结构处于湍流度较高的近地区域，其周边绕流和空气动力作用非常复杂，特别对于这些建筑外型比较独特的大跨结构，现行的建筑结构荷载规范就很难确定，很难用一个体型系数就可以表达。由于来流分离导致迎风前缘区域平均和脉动风压系数都较大，在结构设计时要采取必要的加强构造措施，防止这些部位被风荷载掀起而破坏[8]，因此，为避免此局部出现小概率事件，该航站楼挑檐部分及其建筑物的暴露边缘、弧形变化区域和转角区域宜采取在屋面板支座处进一步的加固措施，以增大该部位屋面的抗风揭承载力。

图7 大厅悬挑屋面中间部分出现了屋面的全通透破坏

图8 两侧开敞式屋面结构出现屋面风揭破坏

昌北机场T2航站楼直立锁缝式金属屋面板出现部分屋面板风揭脱扣破坏后，从经济上考虑，只能采取对现有屋面板体系进行加强处理的方法，部分屋面板风揭脱扣破坏后的重新施工，也只能采用同一做法处理，以达到美观之效果。在此类大跨度结构中，屋面结构处于的位置受力非常复杂，按现行规范难以确定其风压影响，主要通过风洞试验来获取风荷载[9]。并且直立锁缝式金属屋面板的强度及屋面板与固定支座咬合部位强度，受材料性质及连接构造等许多因素影响，目前尚无精确的计算理论，故根据抗风揭的对比试验测试屋面板与固定支座咬合部位各种加强方法所能承受的最大风压，从而确定金属屋面板不同区域采取不同的抗风揭加强设计的适用方案，可以达到确保重点区域兼顾一般区域的经济目的。

2 金属屋面板抗风揭加强设计的对比试验

2.1 试验目的

根据现实工程的破坏特征，对比试验重点针对固定支座与屋面板在锁缝处发生的风揭破坏，即发生脱扣破坏。分别做3组屋面板抗风揭试验：第1组做1个现工程上使用的1∶1实体屋面板抗风揭承载能力试验，以评估事故发生时实体屋面板抗风揭承载能力；第2、3组各做2个在现工程上使用的1∶1实体屋面板上加夹具加固的抗风揭承载能力试验，以对比加强后实体屋面板抗风揭承载能力，以便确定的加固优化方案，1∶1实体抗风揭承载力检测可以保证加固方案无问题。同时固定支座与屋面板完成直立锁边构造以及新做加夹具的构造一并在实验室对比实验，目的是检查使用前后的构造缺陷，并检测铝板与龙骨各自的施工质量。

2.2 试验概况

试验在华东交通大学多功能抗风揭实验室内进行，采用的屋面板的尺寸为400 mm×7500 mm，抗风揭试验是1∶1的足尺寸样板试验。每组试件用11块屋面板拼接加固而成。本试验针对屋面板固定座的不同受力形式，主要针对夹具布置与否以及锁夹布置、间距布置 3个变量。

试验组装应严格按照原屋面板系统的组装要求。首先将屋面檩条固定于试验箱底部，通过铺设气膜于檩条上方，通过气膜将内部风压传递至屋面板，用自攻钉在檩条上安装T型支座以固定屋面板，再依次安装屋面板并锁边。

2.3 试验布置

2.3.1 檩条布置方案（见图9）

图9 檩条布置示意

2.3.2 夹具布置方案

图10 未加夹具的试验

图11 间隔0.75 m加设夹具试验

试验分为有夹具和无夹具2种情况（见图10、图11），试验共进行3组，其中W-1为基本版，在支座上不加夹具设置9根檩条，是原来金属屋面板的安装方式，测试原来的结构最大抗风揭风压；后面2组4件均为加强版：其中Y-750-1及Y-750-2为间隔0.75 m在支座上设置夹具及9根檩条；Y-1500-1及Y-1500-2为在两端以0.75 m在支座上加设夹具，中部间隔1.5m在支座上加设夹具，檩条根数为6。试验验证其结构加强后能抗多大的风揭风压。每组试验其他参数均相同。

2.3.3 试验加载过程及情况记录

对屋面板进行持续加载，同时记录在不同压力段试件的损害情况。

W-1，支座上不加夹具，试验初始气压为0.30 kPa，在承受1.69 kPa气压时屋面板有轻微脱开，在超过1.80 kPa时屋面板连续脱开，直至2.10kPa试件破坏，其固定座仍在檩条上。

Y-1500-1为加强版，夹具间隔1.5 m布置。试验初始气压为0.31 kPa，在2.28 kPa时屋面板开始鼓起，4.0 kPa屋面板全部鼓起，4.26 kPa时檩条开始屈曲，在5.05 kPa左右由于檩条破坏，试验结束。

Y-750-2为加强优化版，夹具间隔0.75 m布置，试验初始气压为0.38 kPa，在2.50 kPa时屋面板开始鼓起，在7.23 kPa檩条弯曲拱起约为300 mm，最后因试件纵向边缘处屋面板脱开结束试验。

其余2个试件（Y-750-1、Y-1500-2）加载最大气压分别达到4.51、4.21 kPa后均因气膜破损导致气压下降，无法继续进行试验，但试件完好，可以继续承载。试验结果见表1。

表1 昌北机场T2航站楼直立锁缝屋面板抗风揭试验结果

2.3.4 试验分析

屋面板各单元的传力途径：风载→屋面板→屋面锁缝→屋面支座→屋面紧固件→檩条。

（1）通过基本试件（W-1）所能承受的加载最大风压（原昌北机场屋面板）需要承载力2.431 kPa，而实际仅为1.8 kPa，不能达到现行规范要求，需要加固处理。

（2）通过2组（Y-1500-1及Y-1500-2）间距1.5 m支座处布置夹具，且减少檩条数量，其所能承受的风压为基本版（原昌北机场屋面板）需要承载力2.431 kPa的1.7倍及以上，已能达到加强要求，且夹具檩条数量较少，节省材料，较为经济。

（3）通过Y-750-2间距0.75 m支座处布置夹具后其所能承受的风压值过高（需要承载力2.431 kPa的3倍以上），屋面板承受过大风压时屋面板在锁缝处也没有脱开现象，主要是檩条严重屈曲，发出巨响，说明间距0.75 m支座处布置夹具过于富裕，在实际工程中一般不会出现此等风压，因此建议此方案改为交错布置进行重点部位的再加强版的选择。

3 结语

（1）新建直立锁缝式金属屋面工程应严格按GB 50009—2012进行设计与施工。鉴于我国既有直立锁缝式金属屋面风揭破坏情况较多，对既有直立锁缝式金属屋面建议按GB 50009—2012进行复核验算，必要时进行加固设计与施工。并建议均选用百年一遇的基本风压。

（2）直立锁缝式金属屋面板扣合构造的抗风揭承载力的试验，应按实际工程屋面1∶1样本用气囊模拟风揭力作用。一般来说，直立锁缝式金属屋面板被风揭脱扣破坏是因为连接处设计有问题，先进国家是由银行保险提供保障，而银行保险只对经过了抗风揭试验的围护结构提供担保。通常由气囊模拟风揭进行认证。因此，我国金属围护结构体系的抗风揭安全问题需要重视，类似国外的抗风揭认证方式亦可借鉴。

（3）通过对比试验表明：在直立锁缝式金属屋面板支座处增设夹具加强后，屋面板的抗风揭能力得到了大幅度的提高。屋面板的抗风揭能力随着夹具布置间隔的减小而增大，间距0.75 m支座处布设夹具且安装9根檩条的试组比1.5 m支座处布设夹具安装6根檩条的试验组抗风压能力提高了1.4倍，更甚于原来无夹具的布置。其次夹具与檩条的布置宜经济合理，在满足抗风揭要求的同时应尽量节省材料，本文针对昌北机场T2航站楼直立锁缝式金属屋面板加强，一般部位推荐间距1.5 m支座处布置夹具的做法，可以满足该航站楼屋面抗风揭设计的要求。

（4）开敞式屋面结构悬挑屋面部分，应按净风压进行上、下表面的最不利风荷载设计；受特殊形状的影响，最大的负风压可能会产生在建筑物的暴露边缘、弧形变化区域和转角区域，那里的瞬间风力可能会超过设计标准；由于来流分离导致迎风前缘区域平均和脉动风压系数都较大，在结构设计时要采取必要的加强构造措施，防止这些部位被风荷载掀起而破坏。因此，建议在重点区域，包括该航站楼挑檐部分及其建筑物的暴露边缘、弧形变化区域和转角区域采取在屋面板支座处交错布置锁具的加固措施，以增大该部位屋面的抗风揭承载力。

（5）从昌北机场T2航站楼工程直立锁缝金属屋面系统的破坏实际需要出发，通过分析直立锁缝金属屋面系统的传力路径和破坏特点，指出直立锁缝金属屋面系统的加强设计要点，并提出了通过风揭试验通过抗风揭评价及优化的方法，通过抗风揭承载性能的对比试验，验证在既有直立锁缝金属屋面板支座上一般区域及加强区域分别增加夹具的有效方法，并提出了对此类屋面板抗风揭承载力的优化建议。所做对比试验，不仅可以为该类屋面加固提供科学依据，而且可为类似大型场馆金属屋面的加固提供有价值的参考。