扇形曲面金属屋面抗风揭试验及加固措施研究

1 工程概况

乌鲁木齐机场改扩建工程机场工程交通中心采用金属屋面设计，包括换乘中心和敞开式停车库两大区域，总建筑面积344590m ² ，最大长度约762m，最大宽度约835m，属于大跨度结构。

屋面采用直立锁边镀铝锌钢屋面，屋面长330m、 宽83m，设计标高22.700m，天窗中心标高34.000m。

直立锁边镀铝锌钢屋面由屋面钢结构，65mm高压型钢底板压型钢板主、次檩条，0.3mm厚PE膜隔汽层，150mm硬质保温岩棉，1.5mm厚优质TPO防水卷材，屋面板主、檩条，0.8mm厚直立锁边镀铝锌钢屋面板组成。

交通中心位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市地窝堡乡，该地区最大风速可达18.2m/s（50年平均），属于暴风。

2 试验概况

2.1 试件设计

本次试验共计6个试件（编号TZ1~TZ6），主要研究参数为檩条间距、抗风夹与天沟，试件参数见表1。

表1 试件参数

试件主要由檩条、钢底板、直立锁边镀铝锌钢屋面板、抗风夹等组成。

镀铝锌钢屋面板厚0.8mm，屈服强度大于380MPa；上层主、次檩条为Q235B矩形钢管，表面热镀锌处理；上层主、次檩条连接件分别为16号槽钢与8mm厚镀锌钢板；抗风夹为S316奥氏体不锈钢抗风夹，厚度大于2.4mm，并与屋面通过奥氏体不锈钢螺栓固定；钢底板为厚1.2mm的S250GD钢板。

2.2 试件安装

本次试验按照GB50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》中试验规定进行。

试件安装主要顺序：下层檩条安装→圆管支柱安装→依次铺设钢底板、隔气膜、两层75mm厚岩棉、TPO防水卷材等→上层主檩条安装→圆管支柱处岩棉和防水卷材安装→上层次檩条安装→铺设试验气膜并安装固定支座→屋面板铺设→设备锁边→抗风夹 安装。

2.3 加载方案

本次试验加载测试程序如下。

（1）试件下部压力箱施加稳定正压，同时向上部压力箱施加波动负压。待下部箱体压力稳定且上部箱体波动压力达到对应标准之后，开始记录波动次数。

（2）波动负压范围为负压最大值乘以对应阶段比例系数。

本次试验加载共5个阶段，每个阶段共8个循环，每次循环10s，共循环5000次以上。

动态波动加载顺序见表2~表6。

表2 阶段一动态波动加载顺序

表3 阶段二动态波动加载顺序

表4 阶段三动态波动加载顺序

3 试验结果及分析

3.1 破坏形态

试件TZ1与TZ2均无抗风夹与天沟，仅檩条间距不同，两个试件设计风荷载均为4900Pa，因此初始荷载设为4900Pa。

加载过程中，TZ1与TZ2试件屋面板鼓起，但并未出现破坏与不可恢复变形，均满足设计要求。随着荷载增加，TZ1试件在荷载达到5800Pa时发生破坏，TZ2试件在荷载达到5900Pa时发生破坏，破坏 原因均为屋面板与T 形码处锁缝脱扣。

试件TZ3与TZ4檩条间距相同并均设有抗风夹，设计风荷载均为5900Pa，加载过程中TZ3试件出现屋面鼓起现象，但并未出现破坏与永久变形。TZ4试件未出现变化，均满足设计要求。随着荷载增加，TZ3试件在荷载达到8400Pa时发生破坏，破坏原因是屋面板撕裂。TZ4试件在荷载达到试验仪器最大加载值（11200Pa）时仍未发生破坏。

试件TZ5与TZ6设计风荷载为8800Pa，其试验现象与TZ4试件一致，即荷载达到试验仪器最大加载值时仍未发生破坏，且卸载后也未出现永久变形。

3.2 试验结果分析

通过观察试验过程及试验结果可得如下结论。

（1）TZ1与TZ2试件均无抗风夹，均发生脱扣破坏，其试验过程可分为弹性阶段与弹塑性阶段：弹性阶段为加载初期，由于风荷载较小，仅屋面板出现起鼓现象，但此时卸载后变形恢复，无永久变形；随着荷载增加，屋面板出现明显起伏，达到极限风压后，可听到明显的“砰砰”声，此时屋面板与T形码脱开，卸载后屋面板出现永久变形，此时试件处于弹塑性阶段。

（2）TZ3试件破坏可分为3个阶段：第一阶段为弹性阶段，与上文所述相同，仅屋面板轻微起鼓，卸载后恢复正常；第二阶段屋面板起鼓较为明显，屋面板与抗风夹接触位置开始摩擦，此时抗风夹开始发挥作用，卸载后变形恢复；第三阶段为弹塑性阶段，荷载继续增加后屋面板严重鼓起，抗风夹产生转动，到达极限荷载后可听到尖锐的声音，此时屋面板与抗风夹接触位置发生撕裂，撕裂长度约11cm，卸载后试件出现永久变形。

对于有抗风夹的屋面来说，抗风夹抵抗变形的强度与屋面板自身的强度综合决定了屋面发生破坏的具体形式。当抗风夹强度小于屋面板强度时，抗风夹会出现变形，最终屋面依然出现脱扣破坏。当抗风夹强度大于屋面板强度时，此时可以视抗风夹为一个刚体，抗风夹与屋面板接触位置是整个屋面受力最大的部位，当该处的力大于屋面板强度时，就将发生屋面板的撕裂破坏。

3.3 试验参数分析

由上文可知，直立锁边金属屋面抗风揭能力与檩条间距、抗风夹和屋面板长度等有关，分别讨论如下。

（1）檩条间距的影响。

试件TZ1与TZ2仅檩条间距不同，檩条间距分别为1000mm与900mm，极限荷载分别为5800Pa与5900Pa。

檩条间距减少100mm时，极限荷载仅增加100Pa，可认为檩条间距对屋面抗风揭能力的影响较小，即增加支座数量无法提升屋面抗风揭能力。

但TZ2试件破坏范围更小，为防止屋面出现大面积破坏，可适当设置更多支座。

（2）抗风夹的影响。

未设置抗风夹的TZ1与TZ2试件破坏原因是脱扣破坏，而TZ3试件增设抗风夹，破坏原因是撕裂破坏。

设置抗风夹后加强了咬合位置承载能力，屋面破坏由咬合强度控制变为屋面强度控制，其破坏的原因是风荷载循环作用导致屋面疲劳损伤，从而导致屋面板强度下降。

TZ5试件比TZ3试件檩条间距更小，但使用了更多抗风夹，其承载能力相比TZ3试件大幅提升。

由上文可知，檩条间距对屋面抗风揭能力的影响较小，因此可认为设置抗风夹可改变屋面破坏模式，并大幅提升屋面抗风揭能力。

（3）屋面板长度影响。

TZ3试件与TZ4试件均设有抗风夹，仅屋面板长度不同。

TZ4试件设有天沟，其屋面板长度仅为TZ3试件的41%。

TZ3试件在荷载达到8400Pa时发生破坏，TZ4试件在达到试验仪器最大加载值后仍未发生破坏。

主要原因是屋面板长度较小时屋面起鼓程度更小，且风荷载循环作用下屋面疲劳损伤程度较低，因此承载能力明显提升。

4 结论

本研究以乌鲁木齐机场改扩建工程机场工程交通中心为工程背景，通过开展抗风揭试验研究了檩条间距、抗风夹与屋面板长度的影响，主要结论如下。

（1）檩条间距对屋面抗风揭能力的影响较小，但为了防止出现大面积破坏，可适当减小檩条间距。

（2）屋面不设置抗风夹时破坏主要原因是屋面板与T形码脱开，属于脱扣破坏。设置抗风夹后破坏原因是屋面板与抗风夹接触位置发生撕裂。抗风夹使咬合位置承载力显著提升，使屋面破坏由咬合强度控制变为屋面强度控制，仅当风循环荷载作用下屋面疲劳损伤至一定程度后发生破坏，且增设抗风夹可显著提升屋面抗风揭能力。

（3）屋面板长度越短，屋面承载能力越强，其原因是短屋面板的鼓起更小，且风荷载循环作用下屋面疲劳损伤程度较低，因此承载能力明显提升。