金屬屋面
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臺風多發地區金屬屋面系統的抗風設計

2020-01-17

由于金屬屋面具有裝飾效果好、質量輕、施工周期短等優點,金屬屋面系統受到了建筑師的青睞,在諸多的項目中,尤其是在場館類的建筑中得到了越來越廣泛的應用,但由于在金屬屋面專業深化設計階段的考慮不周、施工質量不良等因素的影響,部分項目的金屬屋面往往經不住大風的考驗,尤其是在臺風多發地區,發生了部分金屬屋面局部被掀翻、或屋面板被撕裂等安全事故及質量事故。


為了提高臺風多發地區金屬屋面的抗風性能,避免由于風壓過大造成屋面被掀翻等安全及質量事故的發生,現結合鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面,從金屬屋面產生破壞的原因、金屬屋面系統的結構設計及施工抗風構造措施等方面,對該問題進行詳細闡述。鋁鎂錳金屬屋面系統的構造節點如下:

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從以往金屬屋面被掀翻的不良事故分析,直立鎖邊金屬屋面的破壞往往發生在荷載較大以及連接薄弱的位置,諸如:屋面檐口、天溝、屋脊及相關的收邊收口位置,造成金屬屋面局部被掀翻、或屋面板被撕裂等不良質量事故的具體原因大致如下:


1)金屬屋面設計中沒有充分考慮風荷載的影響;


2)金屬屋面系統設計中固定支座和檁條的布置不合理;


3)屋面檐口、天溝等受力薄弱的位置構造設計不合理;


4)金屬屋面板選材不當,選取的板厚太薄或板幅太寬;


5)由于施工工藝及施工工人的熟練程度導致鎖邊不緊密,施工質量不良;


金屬屋面系統結構的安全性計算分析,是屋面系統抗風性能、安全性能、以及其他相關性能得以保證的前提,金屬屋面的抗風性能的結構設計建議從以下幾個方面考慮:


1) 金屬屋面系統的結構設計應嚴格按照《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)、《屋面工程技術規范》(GB50345-2012)、《采光頂及金屬屋面技術規程》(JGJ255-2012)及其他相關規范進行結構設計,并應重點對金屬屋面板、高強鋁合金固定支座、檐口及天溝等連接薄弱的位置進行計算,選擇合適的板厚、板材的幅寬、以及檁條、高強支座的截面,布置間距等;


2) 在結構設計中,應根據項目的實際情況,對金屬屋面的風荷載進行合理考慮,除應滿足承載力極限狀態和正常使用極限狀態外,還應預留一定的設計余量。


3) 針對跨度大、形狀或風荷載環境復雜的金屬屋面工程,宜通過風洞試驗確定風荷載。根據筆者以往參與設計的臺風多發地區的金屬屋面工程案例,風洞試驗報告中金屬屋面局部位置的風荷載值往往要比荷載規范計算出來的要大一倍以上;


4) 針對比較重要的項目,為了確保金屬屋面系統的抗風性能和其他各項性能指標,需對屋面系統進行相關性能檢測及抗風掀試驗檢測,以確保金屬屋面系統的安全性;


為了確保金屬屋面系統的抗風壓性能,除了滿足相關規范的規定及結構受力計算之外,在臺風多發地區還應采取如下加強構造措施以確保金屬屋面系統的抗風壓性能:


1) 在金屬屋面系統的設計中,應基于結構計算結果,適當加厚鋁鎂錳屋面板的厚度,可以使屋面板的抗風性能加強;


2) 在金屬屋面系統的設計中,可以采取適當減小鋁鎂錳屋面板的幅寬, 可以有效提高屋面板的抗風性能;


3) 在設計和抗風掀試驗滿足要求時,仍需增加構造防水措施,在屋面板板端處加密三跨檁條,間距不大于750mm,并在支座位置設置抗風夾具;


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4)  金屬屋面系統的檐口、排水溝等位置,破壞了金屬屋面板的連續性,而且收口板材搭接的構造比較復雜,是金屬屋面系統的受力薄弱和施工質量較差的部位;故設計及施工過程中,在水槽及檐口等連接薄弱的位置增設抗風件,抗風件可以有效的加強板材之間的連接,可有效提高金屬屋面系統的抗風性能;

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5) 根據雙層直立鎖邊金屬屋面系統的構造節點,直立鎖邊金屬屋面板的外側為裝飾面板(一般為單層鋁板或蜂窩鋁板),裝飾層的面板的固定龍骨通過鋁合金夾具實現和直立鎖邊金屬屋面板肋部以及鋁合金高強支座的連接。為了提高金屬屋面系統整體的抗風性能,可以適當加密面板龍骨和底層金屬屋面板之間連接用的鋁合金抗風夾具,這樣不僅可以加強鋁鎂錳金屬屋面板之前的咬合,也可以加強面板系統和下層龍骨系統的連接。對于該系統的Z外層面板(單層鋁板或蜂窩鋁板),則需要盡可能減小面板的尺寸,控制其有效的使用面積;單層鋁板面板的后側應增加鋁合金加強筋,鋁板加強筋的間距和截面應滿足結構計算和構造的要求;加密鋁板和固定構件的連接件等一系列措施,可以有效提高屋面板的抗風性能; 

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6)  考慮到直立鎖邊金屬屋面板之間是通過相互咬合實現和高強鋁合金支座的連接,由于金屬屋面受到風荷載、主體結構的變形、溫度應力等作用的影響,容易使咬合邊松開或脫落。為了保證金屬屋面板之間的咬合和有效的連接,設計及施工過程中,可以在鋁鎂錳屋面板材搭接咬合的局部位置設1.0mm厚不銹鋼抗風件,該抗風件可以和兩側的金屬屋面板同時鎖邊咬合,形成一個整體,共同受力,起到加強連接的作用,可以有效提高屋面板的抗風性能;

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7) 考慮到金屬屋面板的鎖邊施工工藝及施工工人的熟練程度,為了避免金屬屋面板鎖邊不到位等不良情況,設計及施工過程中,在金屬屋面板的板肋部局部位置增設不銹鋼螺栓(螺栓兩端外側注硅酮耐候密封膠),用來加強固定金屬屋面板和鋁合金高強支座、板與板之間的連接,以提高金屬屋面系統的抗風性能; 

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8) 在設計的過程中,通過采用適當加密金屬屋面板的檁條以及支座的間距等措施,可以使屋面系統的結構受力更合理,也可以使屋面板的抗風性能加強;


綜上所述,在臺風多發地區的金屬屋面系統的設計過程中,應充分考慮風荷載對金屬屋面系統的作用以及施工工藝的偏差等因素對施工質量的影響,并應結合理論性的結構計算數據和經驗性的構造措施,來指導金屬屋面系統的設計及施工,切實保證金屬屋面系統的抗風壓性能和結構體系的安全性。

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