許秋華，萬恬

（南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031）

0 引言

直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)作為一種新型的屋面系統(tǒng)，其典型的結(jié)構(gòu)做法為：將固定支座用自攻螺栓固定在主結(jié)構(gòu)的檁條上，再將金屬屋面板通過不同角度扣在固定支座上，最后用電動鎖邊機將相鄰屋面板直立預留的自然搭扣邊咬合在一起（見圖1）。

圖1 直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)剖面示意

直立鎖縫式金屬屋面系統(tǒng)的核心構(gòu)成，是基于直立鎖邊咬合設(shè)計的特殊金屬屋面板形，主要適用于大跨度自支承式密合安裝屋面板體系；在屋面板上無任何穿孔，因其支承部分隱藏在面板之下；而屋面板塊間的連接又是采用板塊與板塊的直立鎖邊咬合形成密合連接，板塊的咬合過程完全由機械自動完成，咬合邊與支座形成的可伸縮滑動的連接方式，并不限制屋面板在板長方向的自由度，可解決因熱脹冷縮所產(chǎn)生的板塊附加應(yīng)力以及防止了溫度形變；現(xiàn)場加工可制作任意超長尺寸的屋面板塊，避免了因縱向接縫而出現(xiàn)的滲水隱患；同時屋面系統(tǒng)完整齊全的附件供應(yīng)可滿足各種建筑屋面造型的要求。直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)正因為上述優(yōu)異的防水密閉性能、輕質(zhì)的屬性和良好的釋放屋面結(jié)構(gòu)溫度、防止形變的能力，以及特別能適應(yīng)起伏多變的建筑屋面造型的優(yōu)勢，在國內(nèi)大跨度公共建筑，如機場、車站、體育場館、文化建筑中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。

但近年來，隨著此類直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)在屋面造型要求豐富的公共建筑大跨度結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)中的應(yīng)用，國內(nèi)出現(xiàn)了多起執(zhí)行GB 50009—2006《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》設(shè)計風荷載規(guī)范規(guī)定值前提下，遭遇在其設(shè)計風荷載允許范圍內(nèi)的強風而發(fā)生大面積屋面風揭脫扣破壞事件。面板破壞處固定件、主次檁條均良好，而立邊鎖扣拉脫，反映立邊鎖扣負風壓強度不夠。如武漢天河機場二期工程、蘇州園區(qū)火車站及河南省體育中心東罩棚分別發(fā)生了大面積屋面風揭脫扣破壞事件；而北京首都機場T3航站樓作為我國最大的航站樓，竟然同一建筑在2年多時間里發(fā)生了3起大面積屋面風揭脫扣破壞事件，時間分別為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，南昌昌北國際機場T2航站樓（見圖2）也發(fā)生了一起同樣情況下的大面積屋面風揭脫扣破壞事件（見圖3）。

圖2 南昌昌北國際機場T2航站樓

圖3 昌北機場大面積屋面風揭脫扣破壞照片

自GB 50009—2006實施以來，國內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)破壞時有出現(xiàn)，規(guī)范中屋面12級風壓標準值大約相當于GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的10級風壓標準值。北京機場T3航站樓屋頂、武漢天河機場屋頂、蘇州火車站園區(qū)金屬屋面以及河南體育館屋面系統(tǒng)作為建筑物的圍護結(jié)構(gòu)，風荷載均按當時GB 50009—2006進行了罕遇12級風壓設(shè)計，而實際情況是在常遇的9、10、11級風壓下就發(fā)生了大面積屋面風揭脫扣破壞，當時國家標準取值偏低是重要技術(shù)原因[1]。

GB 50009—2012與GB 50009—2006對比，修改增大了陣風系數(shù)計算公式與表格、峰值因子g由2.2修改為2.5、基本湍流度I10（如粗糙度類別C、D時由0.167、0.278分別加大為0.23、0.39），直接承受脈動風荷載的屋面圍護結(jié)構(gòu)風荷載明顯提高了。

金屬屋面系統(tǒng)通過扣合或咬邊連接的金屬屋面工程越來越多，由于設(shè)計規(guī)范相對滯后，對金屬屋面上層屋面板板肋與固定支座之間的咬合破壞研究甚少；直立鎖縫咬邊連接是板與板、板與固定支座之間的相互咬合，其連接后抗剪和抗彎承載力是通過相互之間的摩擦力來傳遞，傳力機制明顯不同于緊固件連接的傳力機制，在風吸力作用下的傳力機制（直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)受力途徑見圖4，目前還沒有成熟的理論可尋。風災調(diào)查都表明[2]，強風作用下直立鎖縫屋面體系易發(fā)生固定支座脫扣破壞現(xiàn)象，脫扣破壞時屋面板局部被掀起，進而發(fā)生大面積屋面板脫落。因此，如何合理估計固定支座所受風力而不致風揭脫扣，已成為直立鎖縫屋面體系抗風設(shè)計的主要問題[4-5]。

圖4 直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)受力途徑示意

普通壓型板由自攻釘直接穿透固定，抗風揭承載力可靠，但容易滲漏；360°咬合板防滲漏佳，抗風揭比較好，但不能適應(yīng)弧形屋面造型要求。南昌機場、首都機場被風揭破壞的均是扣合板，抗風揭能力最差（除非另加固措施）。由于國內(nèi)機場及車站等公共建筑的直立鎖縫屋面發(fā)生多起風災，有不少學者已經(jīng)對直立鎖縫屋面的理論分析以及工程應(yīng)用進行了研究完善。孫成疆[6]提出直立鎖縫屋面的抗風揭能力的關(guān)鍵因素，并得出自攻螺釘拔脫力的建議計算公式。秦國鵬等[7]通過試驗研究直立鎖縫屋面系統(tǒng)抗風揭的破壞機理，并得出荷載-變形，荷載-應(yīng)變的曲線。

按GB 50009—2006設(shè)計并建成的金屬屋面，負風壓取值偏低是風揭破壞的主要原因。這類既有金屬屋面圍護結(jié)構(gòu)抗風能力的及時加強及新建金屬屋面圍護結(jié)構(gòu)抗風能力達到GB 50009—2012取值的要求迫在眉睫。

1 南昌昌北國際機場T2航站樓大面積屋面風揭脫扣破壞及其處理

1.1 金屬屋面板抗風揭加強設(shè)計的荷載取值及加強方法

南昌昌北國際機場T2航站樓，屋面平面成扇形，扇形外弧軸線長約265 m，內(nèi)弧軸線長約227 m，徑向軸線跨度約115.8 m，總建筑面積96 616.2 m2，能滿足流量1200萬人次的出行需要。開工時間為2008年9月25日，竣工時間為2011年3月28日，按照GB 50009—2006設(shè)計并建成，采用了直立鎖縫式金屬屋面系統(tǒng)。

直立鎖縫式金屬屋面板固定在支座的梅花頭上，沒有螺釘外露，屋面美觀整潔。由下而上各功能層依次為：（1）3.0 mm次檁條→（2）0.5 mm 彩鋼打孔底板→（3）無紡布→（4）30 mm吸音棉→（5）0.25 mm不透水聚烯烴涂層紡粘聚乙烯膜→（6）100 mm（50+50）保溫玻璃棉→（7）2.0 mm 襯檁支撐件→（8）2.0 mm幾字型襯檁→（9）8.0 mm水泥玻璃纖維增強水泥壓力板→（10）2.0 mmWSP防水卷材一層→（11）L-90鋁合金固定座→（12）0.9mm氟碳涂層直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板（見圖5）。

圖5 昌北機場T2航站樓直立鎖縫式金屬屋面板構(gòu)造示意

2018年3月4日，南昌遭遇強對流大風天氣，造成昌北機場T2航站樓出發(fā)層入口區(qū)域挑檐部分金屬屋面及吊頂受損、脫落，金屬屋面受損面積約1300 m2（受損部位均為鋁合金固定座以上屋面板風揭脫扣破壞），室外吊頂受損約1000 m2。

昌北機場氣象臺監(jiān)測到的當時風速超過29.5 m/s，達到11級風，根據(jù)wp=v2/1600換算風壓為0.55 kN/m2。機場T2航站樓屋面造型呈弧形，屬于對風荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)（見圖6），根據(jù)GB 50009—2006第7.1.2條“對于對風荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風壓應(yīng)適當提高，并應(yīng)由有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定?！被撅L壓宜按GB 50009—2006附錄D.4中給出的百年一遇的風壓采用，即不得小于0.55 kN/m2，故當時風速剛好達到了GB 50009—2006中風壓值標準。

圖6 T2航站樓屋面造型呈弧形

T2航站樓風災后直立鎖縫式金屬屋面板加強處理按照GB 50009—2012，其基本風壓w0采用0.55 kN/m2（百年一遇），作為圍護結(jié)構(gòu)風荷載標準值wk按式（1）計算：

項目位于郊區(qū)，地面粗糙度取B類，屋面距地面最高處為30 m，則式中陣風系數(shù)βgz查該規(guī)范表8.6.1取1.59；風荷載局部體型系數(shù)μsl查該規(guī)范第8.3.3條第2款“檐口、雨篷、遮陽板、邊棱處的裝飾條等突出構(gòu)件，取-2.0”；風壓高度變化系數(shù)μz查該規(guī)范表8.2.1取1.39。則結(jié)構(gòu)風荷載標準值wk為1.59×2×1.39×0.55=2.431 kN/m2。

風災后，昌北機場T2航站樓大廳懸挑屋面的中間部分出現(xiàn)了屋面圍護結(jié)構(gòu)的全通透破壞（見圖7），在建筑物兩側(cè)的開敞式屋面結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了屋面風揭破壞（見圖8），表明開敞式屋面結(jié)構(gòu)，如昌北機場T2航站樓大廳懸挑屋面部分，屋面結(jié)構(gòu)上下表面都受到了風的作用，需要考慮此屋蓋處上、下表面的風壓差，即按凈風壓進行上、下表面的最不利風荷載設(shè)計[9]；同時考慮到破損部位發(fā)生在此航站樓樓頂?shù)幕⌒味?，受此特殊形狀的影響，最大的負風壓可能會產(chǎn)生在建筑物的暴露邊緣、弧形變化區(qū)域和轉(zhuǎn)角區(qū)域，那里的瞬間風力可能會超過設(shè)計標準[1]，也是因為機場類結(jié)構(gòu)處于湍流度較高的近地區(qū)域，其周邊繞流和空氣動力作用非常復雜，特別對于這些建筑外型比較獨特的大跨結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范就很難確定，很難用一個體型系數(shù)就可以表達。由于來流分離導致迎風前緣區(qū)域平均和脈動風壓系數(shù)都較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要采取必要的加強構(gòu)造措施，防止這些部位被風荷載掀起而破壞[8]，因此，為避免此局部出現(xiàn)小概率事件，該航站樓挑檐部分及其建筑物的暴露邊緣、弧形變化區(qū)域和轉(zhuǎn)角區(qū)域宜采取在屋面板支座處進一步的加固措施，以增大該部位屋面的抗風揭承載力。

圖7 大廳懸挑屋面中間部分出現(xiàn)了屋面的全通透破壞

圖8 兩側(cè)開敞式屋面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屋面風揭破壞

昌北機場T2航站樓直立鎖縫式金屬屋面板出現(xiàn)部分屋面板風揭脫扣破壞后，從經(jīng)濟上考慮，只能采取對現(xiàn)有屋面板體系進行加強處理的方法，部分屋面板風揭脫扣破壞后的重新施工，也只能采用同一做法處理，以達到美觀之效果。在此類大跨度結(jié)構(gòu)中，屋面結(jié)構(gòu)處于的位置受力非常復雜，按現(xiàn)行規(guī)范難以確定其風壓影響，主要通過風洞試驗來獲取風荷載[9]。并且直立鎖縫式金屬屋面板的強度及屋面板與固定支座咬合部位強度，受材料性質(zhì)及連接構(gòu)造等許多因素影響，目前尚無精確的計算理論，故根據(jù)抗風揭的對比試驗測試屋面板與固定支座咬合部位各種加強方法所能承受的最大風壓，從而確定金屬屋面板不同區(qū)域采取不同的抗風揭加強設(shè)計的適用方案，可以達到確保重點區(qū)域兼顧一般區(qū)域的經(jīng)濟目的。

2 金屬屋面板抗風揭加強設(shè)計的對比試驗

2.1 試驗目的

根據(jù)現(xiàn)實工程的破壞特征，對比試驗重點針對固定支座與屋面板在鎖縫處發(fā)生的風揭破壞，即發(fā)生脫扣破壞。分別做3組屋面板抗風揭試驗：第1組做1個現(xiàn)工程上使用的1∶1實體屋面板抗風揭承載能力試驗，以評估事故發(fā)生時實體屋面板抗風揭承載能力；第2、3組各做2個在現(xiàn)工程上使用的1∶1實體屋面板上加夾具加固的抗風揭承載能力試驗，以對比加強后實體屋面板抗風揭承載能力，以便確定的加固優(yōu)化方案，1∶1實體抗風揭承載力檢測可以保證加固方案無問題。同時固定支座與屋面板完成直立鎖邊構(gòu)造以及新做加夾具的構(gòu)造一并在實驗室對比實驗，目的是檢查使用前后的構(gòu)造缺陷，并檢測鋁板與龍骨各自的施工質(zhì)量。

2.2 試驗概況

試驗在華東交通大學多功能抗風揭實驗室內(nèi)進行，采用的屋面板的尺寸為400 mm×7500 mm，抗風揭試驗是1∶1的足尺寸樣板試驗。每組試件用11塊屋面板拼接加固而成。本試驗針對屋面板固定座的不同受力形式，主要針對夾具布置與否以及鎖夾布置、間距布置 3個變量。

試驗組裝應(yīng)嚴格按照原屋面板系統(tǒng)的組裝要求。首先將屋面檁條固定于試驗箱底部，通過鋪設(shè)氣膜于檁條上方，通過氣膜將內(nèi)部風壓傳遞至屋面板，用自攻釘在檁條上安裝T型支座以固定屋面板，再依次安裝屋面板并鎖邊。

2.3 試驗布置

2.3.1 檁條布置方案（見圖9）

圖9 檁條布置示意

2.3.2 夾具布置方案

圖10 未加夾具的試驗

圖11 間隔0.75 m加設(shè)夾具試驗

試驗分為有夾具和無夾具2種情況（見圖10、圖11），試驗共進行3組，其中W-1為基本版，在支座上不加夾具設(shè)置9根檁條，是原來金屬屋面板的安裝方式，測試原來的結(jié)構(gòu)最大抗風揭風壓；后面2組4件均為加強版：其中Y-750-1及Y-750-2為間隔0.75 m在支座上設(shè)置夾具及9根檁條；Y-1500-1及Y-1500-2為在兩端以0.75 m在支座上加設(shè)夾具，中部間隔1.5m在支座上加設(shè)夾具，檁條根數(shù)為6。試驗驗證其結(jié)構(gòu)加強后能抗多大的風揭風壓。每組試驗其他參數(shù)均相同。

2.3.3 試驗加載過程及情況記錄

對屋面板進行持續(xù)加載，同時記錄在不同壓力段試件的損害情況。

W-1，支座上不加夾具，試驗初始氣壓為0.30 kPa，在承受1.69 kPa氣壓時屋面板有輕微脫開，在超過1.80 kPa時屋面板連續(xù)脫開，直至2.10kPa試件破壞，其固定座仍在檁條上。

Y-1500-1為加強版，夾具間隔1.5 m布置。試驗初始氣壓為0.31 kPa，在2.28 kPa時屋面板開始鼓起，4.0 kPa屋面板全部鼓起，4.26 kPa時檁條開始屈曲，在5.05 kPa左右由于檁條破壞，試驗結(jié)束。

Y-750-2為加強優(yōu)化版，夾具間隔0.75 m布置，試驗初始氣壓為0.38 kPa，在2.50 kPa時屋面板開始鼓起，在7.23 kPa檁條彎曲拱起約為300 mm，最后因試件縱向邊緣處屋面板脫開結(jié)束試驗。

其余2個試件（Y-750-1、Y-1500-2）加載最大氣壓分別達到4.51、4.21 kPa后均因氣膜破損導致氣壓下降，無法繼續(xù)進行試驗，但試件完好，可以繼續(xù)承載。試驗結(jié)果見表1。

表1 昌北機場T2航站樓直立鎖縫屋面板抗風揭試驗結(jié)果

2.3.4 試驗分析

屋面板各單元的傳力途徑：風載→屋面板→屋面鎖縫→屋面支座→屋面緊固件→檁條。

（1）通過基本試件（W-1）所能承受的加載最大風壓（原昌北機場屋面板）需要承載力2.431 kPa，而實際僅為1.8 kPa，不能達到現(xiàn)行規(guī)范要求，需要加固處理。

（2）通過2組（Y-1500-1及Y-1500-2）間距1.5 m支座處布置夾具，且減少檁條數(shù)量，其所能承受的風壓為基本版（原昌北機場屋面板）需要承載力2.431 kPa的1.7倍及以上，已能達到加強要求，且夾具檁條數(shù)量較少，節(jié)省材料，較為經(jīng)濟。

（3）通過Y-750-2間距0.75 m支座處布置夾具后其所能承受的風壓值過高（需要承載力2.431 kPa的3倍以上），屋面板承受過大風壓時屋面板在鎖縫處也沒有脫開現(xiàn)象，主要是檁條嚴重屈曲，發(fā)出巨響，說明間距0.75 m支座處布置夾具過于富裕，在實際工程中一般不會出現(xiàn)此等風壓，因此建議此方案改為交錯布置進行重點部位的再加強版的選擇。

3 結(jié)語

（1）新建直立鎖縫式金屬屋面工程應(yīng)嚴格按GB 50009—2012進行設(shè)計與施工。鑒于我國既有直立鎖縫式金屬屋面風揭破壞情況較多，對既有直立鎖縫式金屬屋面建議按GB 50009—2012進行復核驗算，必要時進行加固設(shè)計與施工。并建議均選用百年一遇的基本風壓。

（2）直立鎖縫式金屬屋面板扣合構(gòu)造的抗風揭承載力的試驗，應(yīng)按實際工程屋面1∶1樣本用氣囊模擬風揭力作用。一般來說，直立鎖縫式金屬屋面板被風揭脫扣破壞是因為連接處設(shè)計有問題，先進國家是由銀行保險提供保障，而銀行保險只對經(jīng)過了抗風揭試驗的圍護結(jié)構(gòu)提供擔保。通常由氣囊模擬風揭進行認證。因此，我國金屬圍護結(jié)構(gòu)體系的抗風揭安全問題需要重視，類似國外的抗風揭認證方式亦可借鑒。

（3）通過對比試驗表明：在直立鎖縫式金屬屋面板支座處增設(shè)夾具加強后，屋面板的抗風揭能力得到了大幅度的提高。屋面板的抗風揭能力隨著夾具布置間隔的減小而增大，間距0.75 m支座處布設(shè)夾具且安裝9根檁條的試組比1.5 m支座處布設(shè)夾具安裝6根檁條的試驗組抗風壓能力提高了1.4倍，更甚于原來無夾具的布置。其次夾具與檁條的布置宜經(jīng)濟合理，在滿足抗風揭要求的同時應(yīng)盡量節(jié)省材料，本文針對昌北機場T2航站樓直立鎖縫式金屬屋面板加強，一般部位推薦間距1.5 m支座處布置夾具的做法，可以滿足該航站樓屋面抗風揭設(shè)計的要求。

（4）開敞式屋面結(jié)構(gòu)懸挑屋面部分，應(yīng)按凈風壓進行上、下表面的最不利風荷載設(shè)計；受特殊形狀的影響，最大的負風壓可能會產(chǎn)生在建筑物的暴露邊緣、弧形變化區(qū)域和轉(zhuǎn)角區(qū)域，那里的瞬間風力可能會超過設(shè)計標準；由于來流分離導致迎風前緣區(qū)域平均和脈動風壓系數(shù)都較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要采取必要的加強構(gòu)造措施，防止這些部位被風荷載掀起而破壞。因此，建議在重點區(qū)域，包括該航站樓挑檐部分及其建筑物的暴露邊緣、弧形變化區(qū)域和轉(zhuǎn)角區(qū)域采取在屋面板支座處交錯布置鎖具的加固措施，以增大該部位屋面的抗風揭承載力。

（5）從昌北機場T2航站樓工程直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)的破壞實際需要出發(fā)，通過分析直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)的傳力路徑和破壞特點，指出直立鎖縫金屬屋面系統(tǒng)的加強設(shè)計要點，并提出了通過風揭試驗通過抗風揭評價及優(yōu)化的方法，通過抗風揭承載性能的對比試驗，驗證在既有直立鎖縫金屬屋面板支座上一般區(qū)域及加強區(qū)域分別增加夾具的有效方法，并提出了對此類屋面板抗風揭承載力的優(yōu)化建議。所做對比試驗，不僅可以為該類屋面加固提供科學依據(jù)，而且可為類似大型場館金屬屋面的加固提供有價值的參考。