金属屋面系统抗风揭性能影响因素研究

金属屋面系统由于强度高、耐久性好、节能和防水性能优异、外形美观，加上预制程度高、施工周期短和设计风格灵活等特点，已被广泛应用于高铁站、体育馆、会展中心、机场航站楼及工业厂房等大型建筑领域。我国自然环境变化异常，特别是沿海地区，台风天气较多，金属屋面系统的抗风揭性能直接关系建筑物的使用和安全。目前国内对于金属屋面系统抗风揭性能影响因素的研究还比较少。

针对不同地区，金属屋面系统的设计除了要考虑安全、防水和节能等使用因素外，还需要考虑成本、维修等经济因素。如何提升抗风揭性能，设计出安全可靠且经济性好的金属屋面系统，已成为各建筑相关单位关注的重点。

基于金属屋面系统抗风揭性能日常检测的试验结果和经验，对抗风揭性能的影响因素进行分析研究，可为金属屋面系统的设计、施工及应用提供参考。

1 研究对象

金属屋面系统一般主要包括檩条、底板、吸声层、转换件、隔汽层、保温层、衬檩、支架、金属屋面板等部件，对于无隔声、保温和防潮等功能要求的屋面系统，可仅有檩条、支架和金属屋面板组成。 目前工程上常用的金属屋面系统主要有两类，直立锁边铝镁锰合金屋面系统和压型钢板屋面系统，主要以这两类屋面系统为研究对象。

1.1 直立锁边铝镁锰合金屋面系统

常见的屋面板类型有300型、330型、400型和430型等，肋高一般为65mm，标称厚度常见为1mm，如图1（a）所示，配合铝合金T形支架，其连接方式为270°咬合连接，如图2（a）所示。

 （a）

（b）

（c）

图1 屋面板截面示意

（a）铝镁锰屋面板；（b）470/475型压型钢板； （c）788/820型压型钢板

1.2 压型钢板屋面系统

以工程上常用的360°咬合连接的压型钢板屋面系统为研究对象，常用的屋面板类型有470型、475型、788型、820型等，标称厚度常为0.6mm，如图1（b）和图1（c）所示，配合钢质滑动支架（其中788/820型屋面板还需安装中支架），咬合连接方式如图2（b）所示。

（a）

（b）

图2 咬合连接示意

（a）270°咬合连接；（b）360°咬合连接

2 试验设备及安装

本文所述试验过程和结果均为静态抗风揭试验，试验方法依据GB50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》附录C，试验设备为型号PBMJ–7537的屋面综合试验机，最大风荷载为±15000Pa，样品安装框架的尺寸为7980mm×3930mm，屋面板长度为7980mm。

2.1 铝镁锰屋面系统安装

（1）根据檩条间距划线定位，将檩条通过角钢固定在设备升降梁上。

（2）通过自攻钉将底板固定在檩条上。

（3）按照设计图纸要求，将吸声层、转换件、隔汽层、保温层、衬檩等逐层安装。

（4）根据屋面板宽度，在衬檩上划线，标记支架位置，然后将厚度为0.15mm的聚乙烯塑料薄膜打褶铺设在衬檩上方，起到密封屋面板作用，并能使气压均匀地作用在屋面板上。

（5）在标记位置通过自攻钉将支架固定在衬檩上。

（6）将一块屋面板的公边卡在支架上，然后用另一块屋面板的母边与其咬合，其余屋面板循环交替进行，最后用锁边机将咬合部位锁紧。

（7）样品安装框架四周采用C形夹将屋面板夹紧固定，最后根据设计图纸要求安装抗风夹，夹紧咬合部位。

对于无底板和功能层要求的屋面系统，步骤（2）和（3）可省略。

2.2 压型钢板屋面系统安装

压型钢板屋面为360°咬合连接，因此支架的安装和屋面板的咬合方式与铝镁锰屋面不同，其安装方式如下。

先用支架卡住屋面板的公边，用自攻钉将支架固定在衬檩上，然后用另外一块屋面板的母边与公边咬合，其余屋面板循环交替，最后用锁边机将咬合部位锁紧。其余安装同铝镁锰屋面系统。

3 试验结果和破坏形式

3.1 试验结果汇总

共汇总出日常检测的24批样品，其中铝镁锰屋面系统17批，编号为1~17，包括400/430型屋面板13批，300型/330型屋面板4批，试验结果见表1。

表1 铝镁锰屋面系统抗风揭试验结果

压型钢板屋面系统7批，编号18号~24号，包括470型/475型屋面板4批，788型/820型屋面板3批，试验结果见表2。样品抗风夹分布示意如图3、图4所示。

表2  压型钢板屋面系统抗风揭试验结果

图3 8号样品抗风夹分布示意

图4 14号样品抗风夹分布示意

3.2 破坏形式

3.2.1 铝镁锰屋面系统

铝镁锰屋面系统抗风揭试验过程中，当风压作用到屋面板上的力超过屋面板咬合力+抗风夹夹紧力时，屋面板就会产生破坏，其常见破坏形式如下。

（1）对于较小风压下破坏的屋面系统，屋面板与支架脱开，导致屋面板掀起，但抗风夹仍夹紧在屋面板上，屋面板咬合处未开口。

（2）对于较大风压下破坏的屋面系统，抗风夹、屋面板及支架瞬间相互脱开，导致屋面板掀起，屋面板咬合处开口。拆开屋面板后发现，支架产生变形。

3.2.2 压型钢板屋面系统

压型钢板屋面系统的破坏形式主要表现为：屋面板与支架脱开，导致屋面板掀起，但由于抗风揭压力值较低，屋面板咬合处未开口。拆开屋面板后发现，支架变形严重，卡扣位置基本被拉平。

4 影响因素分析

4.1 铝镁锰屋面系统

4.1.1  抗风夹

由1号、2号、8号和14号样品可知，在未安装抗风夹的情况下，各类型屋面板的抗风揭性能均较低；即使在部分位置安装少量抗风夹，对抗风揭性能的提升作用也不大，屋面的破坏首先会出现在没有抗风夹的位置。

由3号、4号、9号~11号和15号样品可知，在抗风夹全装的情况下，能明显提升抗风揭性能，特别对于300型屋面板，提升效果更大。

由12号、13号、16号和17号样品可知，若抗风夹长度增加，其夹紧面积更大，夹紧效果更加明显，可进一步显著提升屋面系统的抗风揭性能。

4.1.2 檩条间距

分别对比5号~7号、12号和13号、16号和17号样品可知，檩条间距减小，檩条数量增加，对应的支架和抗风夹数量也随之增加，可提升抗风揭性能。

4.1.3 保温层

对比3号、4号和5号、6号样品可知，即使5号、6号样品的檩条间距稍大，但由于存在保温层，其抗风揭性能更高，说明保温层可提高屋面系统的抗风揭性能。

4.1.4 屋面板类型

对比13号和17号样品可知，相同条件下，300型屋面板的宽度小，刚度大，抗变形能力强，且所需屋面板数量多，对应的支架和抗风夹数量也多，其抗风揭性能比400型更高。

对比7号和15号样品，430型屋面板即使檩条间距小于300型，且存在保温层，但最终两个样品的抗风揭性能相当。

4.1.5 其他因素

在日常检测中发现，部分屋面板的弹性较大，其抗风揭性能较常规屋面板低，其原因在于屋面板弹性过大，锁边时较为困难，锁边后咬合处产生回弹，释放了部分咬合力，导致抗风揭性能降低。

此外，电动锁边机由于长时间的使用，导致挤压轮之间的间隙变大，锁边质量降低，抗风夹夹紧效果下降，也会导致屋面系统抗风揭性能下降。

4.2 压型钢板屋面系统

4.2.1 抗风夹

压型钢板屋面板的连接方式为360°咬合连接，与其配合的滑动支架卡扣一般采用的是0.6mm厚的钢板，强度和刚性较差，在抗风揭试验过程中，支架卡扣位置易发生变形，导致与屋面板脱开，所以其抗风揭性能较低。

分别对比18号~20号、22号和24号样品可知，抗风夹对抗风揭性能的提升有一定作用，但并不明显，其原因在于此类抗风夹的夹紧力较小，支架卡扣被拉平后，容易与屋面板和抗风夹脱开。

4.2.2 檩条间距和保温层

对比18号和21号样品可知，增加保温层、减小檩条间距，可提升抗风揭性能。

4.2.3 屋面板类型

对比20号和24号样品可知，475型屋面板宽度小，所需屋面板数量多，对应的支架和抗风夹数量也多，抗风揭性能比820型更高。

4.2.4 支架卡扣厚度

日常试验中发现，部分支架卡扣采用厚度为0.8mm的钢板制成，比常规的0.6mm强度和刚度较好，抗变形能力强，对抗风揭性能有一定的提升作用。

5 结论

通过对金属屋面系统抗风揭检测的日常试验数据和结果进行研究，分析了抗风揭性能的相关影响因素，结论如下。

（1）对于铝镁锰屋面系统，可通过安装抗风夹、增加抗风夹长度和数量、减小檩条间距、增加保温层等措施，显著提高抗风揭性能。且相同条件下，300/330型屋面板的抗风揭性能明显优于400/430型屋面板。

（2）对于360°咬合连接的压型钢板屋面系统，可通过安装抗风夹、减小檩条间距、增加保温层、增加支架卡扣钢板厚度等措施，在一定程度上提高抗风揭性能。且相对于788/820型屋面板，宽度较小的470/475型屋面板的抗风揭性能更高。但相比于铝镁锰屋面系统，由于咬合连接方式的原因，此类屋面系统的抗风揭性能上限不高。