浅谈金属屋面系统抗风性能的增强

【摘 要】以某北方沿海城市的大型公共建筑金属屋面系统实例，对其抗强风性能的解决方法进行分析。分析实际金属屋面系统受风破坏的原因及机理，采用现场实测屋顶及地面的数据，进行数值风洞模拟，根据风洞模拟后的风压数据对金属屋面系统进行受力分析。采用在屋顶开设泄压孔及增设檩条的方式来增强金属屋面系统的抗风性能。

【关键词】金属屋面；抗风；泄压孔；咬合破坏

1、工程概况

某北方沿海城市的大型公共建筑，总建筑面积约7万m2，其中地上二层（局部夹层）、地下一层；钢筋混凝土框架结构、二层楼面以上为钢结构。整个工程屋面的面积约占4万平方米，屋顶整体从南向北上升，角度约呈7度，同时向东西两侧微小圆滑下降。北侧屋面超出室内玻璃幕墙墙面约有31米，形成巨大的悬挑的结构。

金属屋面采用直立锁边铝合金金属屋面系统，系统由上层屋面板、T码、保温棉、钢丝网、上下檩条及底层屋面板组成。上层屋面规格为0.9mm厚，肋高65mm，板宽0.50m，檩条间距为1.0m或1.5m。此工程金属屋面系统自完工之后，屋面部分区域先后多次被强风掀起部分屋面，破坏的部位集中在屋面的北侧檐口两个端角部偏向中心对称线的位置。

解决此屋面系统抗强风问题，需要对此屋面系统的抗风受力进行受力分析，进行受力分析前需明确此屋面实际的风压数据，这也是准确进行受力分析的前提和关键。为获取屋面风压的真实数据，在受风压破坏屋顶上两侧对称各安装了一个自动风速风向记录仪器，同时在附近空旷地面上距离地面10米高处也设置一个自动风速风向记录仪。经过几个月的风强速记录，得到此工程屋顶实际承受强风风压数值及同一时间屋顶和地面间强风对比值。

根据实际测量的风压数据，委托某风力研究权威机构对该建筑的风载进行了风洞数值模拟，根据风洞模拟后的风压数据对金属屋面系统进行计算校核。

2、分析思路

根据现场屋面实际被破坏的形式，结合金属屋面系统的构造及此工程屋顶的造型特点，经过研究分析，对此屋面产生破坏的主要外力包括以下几方面。

a、在强风作用下，此处强风会对屋面板产生向上的风吸力作用。根据现场对受破坏屋面风力的实际测量及后期风洞数值模拟的结果，此处承受的风吸力非常大。由于风吸力反复不断的对屋面板向上作用，导致上层屋面板板肋与T码之间的咬合破坏，从而破坏屋面，过程见图1所示。风吸力是屋面破坏的主要因素。

屋面被破坏主要发生在冬季或春季，气温较低的季节，此时室内的供暖最强。被破坏的屋面位于整个建筑的最高处，底下为大面积高空间的公共区域，冬春季需要大量的供暖。屋面系统上下屋面板之间有近1米左右的空间，空气可在屋面系统内部自由对流，本工程建筑内部产生的大量热暖空气全部集中堆积在位于屋顶最高处的金属屋面系统的内部，内部热暖空气的压强大于外部大气压强，从而对上层屋面板产生向上的作用力。

b、被强风破坏的屋顶位于此建筑的悬挑区域，屋顶的下方为室外，此处屋面系统的下层材料为铝合金蜂窝板。蜂窝板与蜂窝板间的连接形式采用的是非完全密闭型连接，连接处有缝隙。当此处屋面系统承受强风力作用时，屋面上部承受强风吸力，而屋面下部将有部分强风压力从蜂窝板缝隙间进入屋面系统内部，从屋面系统的内部对上层屋面板产生向上的作用。

此金属屋面系统承受强风时，受到以上多种因素的综合作用，从而被破坏。因此，解决此工程的金属屋面系统抗强风的问题，需要提高金属屋面系统本身的抗风强度及降低屋面承受的强风风压两方面来考虑。对于风吸力的作用主要解决方法是增强金属屋面系统自身的抗风强度，对于内部的热暖空气及风压力对屋面的向上推力可以通过减少屋面系统内部的压力强度来解决。

金属屋面系统被破坏时，主要从以下几方面进行。

a、金属屋面板板肋与T码之间的咬合受强风吸力作用脱开破坏。破坏过程见图1。

b、金属屋面檩条强度不够抵抗强风力的作用导致屋面破坏。

c、金属屋面系统的T码及T码及檩条的连接强度不够，受强风破坏。

增强金属屋面本身抗强风强度主要通过改善上述3方面的受力性能进行，上述3方面均可以通过受力计算的方式来进行分析。屋面系统内部的压力强度如何减少呢？经过研究及现场试验，发现在本工程屋顶的最高处设置泄压孔可以减少屋面系统内部的压力强度。通过在屋顶的最高处屋面系统的上部设置泄压孔，内部的热暖空气及风力产生的大于屋面系统外面的大气压强的压强，将通过泄压孔泄压，达到屋面系统内外的压强相当，以减少内部压力对屋面的破坏。

计算模型

本工程金属屋面板通过T型支座连接在檩条上，由T型支座支撑，故屋面板的受力应为多跨连续梁的形式。为简化计算，在验算中，屋面板按五跨连续进行计算，取1m的宽度进行单位宽度的验算，其计算模型如图2所示。

（1）荷载信息

恒荷载（金属铝板自重）：0.041KN/m2；活荷载：0.3kN/m2；屋面基本雪压：0.20kN/m2；风荷载

风荷载（考虑阵风系数）

最小负风压（kN/m2） 最大正风压（kN/m2）

-6.456 -0.066

（2）荷载组合

本次验算所考虑的荷载组合包括：

(1) 1.2恒载+1.40活载+1.4×0.6风载

(2) 1.0 恒载+1.40风载

3、檩条和屋面板的计算

屋面板的计算

（1）荷载统计及组合：

a)正向荷载组合（恒+活+风，受力方向向下）

标准值：qk=0.275KN/m；设计值：q =0.514KN/m

b)负向荷载组合（恒+风，受力方向向上）

标准值：qk=－6.415KN/m；设计值：q =－9.0KN/m

由a) 、b)两种荷载组合的比较可知：正向荷载组合与负向荷载组合相比数值相差甚远，正向荷载组合对屋面板的计算不起控制作用，故只对负向荷载组合作用下的屋面板进行校核。

(2)负风压荷载作用下原屋面板的强度和挠度的综合验算：

a)屋面板强度验算：

i.屋面板跨中最大弯矩：Mf1=0.078ql2=－0.70 KN・m

|Mf1|＜2.19 KN・m满足要求。

ii.屋面板在支座处最大弯矩：

Mf2=0.105ql2=－0.945KN・m

|Mf2|＜1.82 KN・m满足要求。

iii.屋面板中间支座反力：

R1 =1.132ql=－10.19KN

|R1|

iv.屋面板边支座反力:

R2 =0.394ql=－3.55KN

|R2|＜17.2KN

v.Mf2/M0B,k＋ R1/R0B,k=0.633

b)屋面板挠度验算：

f1＝0.644qkl4／100EI＝1.06mm

满足要求

由以上计算可知：I区的屋面板满足受力要求。但屋面板中间支座反力10.19与允许值11.1比较接近，考虑到屋面板的安全系数，在不改变板型的条件下采取增加檩条，减小间距，檩距由原来的1.0m改为0.5m，以增加屋面板固定点的数量。同时，对屋面檩条及的进行验算，檩条及T码的受力满足要求。

4、结论及建议

通过增设屋面檩条来增加屋面板的固定点的数量以提高屋面系统的抗风强度，通过在屋顶设置一定数量的泄压孔来减少屋面系统内部的压力，经过实践证明可以很好的解决本工程屋面系统抵抗强风问题。

另外，建筑物悬挑、檐口、顶部屋面一般承受较大风压，在受强风影响的大型金属屋面设计及施工时应着重注意此部分屋面系统的抗强风性。