1.研究背景
進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，壓型金屬板在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是屋面系統(tǒng)，但壓型金屬板的設(shè)計(jì)應(yīng)用及施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)卻相對(duì)滯后，特別是對(duì)金屬屋面影響最大的抗風(fēng)吸力問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決。
在屋蓋的設(shè)計(jì)過(guò)程中，風(fēng)荷載極其重要。在風(fēng)的作用下，屋面常會(huì)受到很大的吸力，如果自重等荷載的作用不足以抵抗這種吸力，屋面將會(huì)被掀起、造成破壞。近年來(lái)，全國(guó)各地許多鋼結(jié)構(gòu)建筑的金屬屋面由于設(shè)計(jì)不合理或施工問(wèn)題導(dǎo)致被局部或全部掀起，造成較大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也存在著一定的安全隱患。見圖1-1。
2.金屬屋面連接設(shè)計(jì)
壓型金屬板屋面的跨度通常超過(guò)6m，屋面鋼板的厚度一般小于0.8mm，結(jié)構(gòu)自重輕，因此對(duì)屋面壓型金屬板進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的連接受力性能研究是十分必要的。
壓型板屋面有兩種典型的連接方式：緊固件連接與咬邊連接。見圖2-1、圖2-2。
緊固件連接：緊固件外露式連接中，板和板之間通過(guò)自攻螺釘相連，連接性能可靠，能較好地發(fā)揮板材的強(qiáng)度，同時(shí)較好的承受屋面平面內(nèi)的剪應(yīng)力。
緊固件連接的板型存在一些問(wèn)題：
首先，連接件暴露在外面，容易生銹，影響美觀與使用。
其次，密封膠容易老化從而出現(xiàn)屋面漏水等嚴(yán)重問(wèn)題。
咬邊式連接：通過(guò)扣合或咬邊連接的壓型鋼板，由于連接件是隱蔽的，從而可以較好地避免了此類問(wèn)題的發(fā)生。因此，近年來(lái)應(yīng)用隱藏式連接的金屬屋面越來(lái)越多，在有條件的情況下,目前大多采用這種連接方式。
但由于設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)滯后，以及應(yīng)用單位與設(shè)計(jì)人員的認(rèn)識(shí)程度不夠等原因，國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬板屋面系統(tǒng)的研究大多集中在保溫、隔聲、防水等領(lǐng)域，對(duì)力學(xué)性能的研究也多集中于外露式的搭接方法。咬邊連接是壓型板通過(guò)板與板、板與支架之間的相互咬合進(jìn)行連接，其抗剪和抗彎承載力是通過(guò)相互之間的摩擦力來(lái)傳遞的，這種傳力機(jī)制明顯不同于緊固件連接的傳力機(jī)制，其在風(fēng)吸力作用下的傳力機(jī)制，目前還沒(méi)有成熟的理論可尋。
3.金屬屋面抗風(fēng)吸力試驗(yàn)研究
近年來(lái)，通過(guò)咬邊連接的金屬屋面板在風(fēng)吸力作用下發(fā)生破壞的工程事故屢見不鮮，而在風(fēng)吸力作用下的傳力機(jī)制目前也還沒(méi)有成熟的理論計(jì)算方式，因此對(duì)咬邊連接的壓型板屋面系統(tǒng)，其在風(fēng)吸力作用下力學(xué)性能的研究采用試驗(yàn)方法比較可靠，有必要展開系統(tǒng)的研究。
基于上述原因，本課題選擇了直立鎖邊壓型鋼板進(jìn)行抗風(fēng)吸力試驗(yàn)研究，探討各種因素對(duì)咬邊式連接體系承載能力的影響，為這種連接體系的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為壓型鋼板技術(shù)規(guī)程及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供依據(jù)和建議。
3.1板型選擇
直立鎖邊壓型鋼板在國(guó)內(nèi)應(yīng)用以來(lái)，以巴特勒MR24板型為代表的板型頗受歡迎，因此本課題選擇了這塊板，其板型尺寸見圖3-1，支架樣式見圖3-2，板邊連接方式見圖3-3；
3.2試驗(yàn)方法一：中冶院裝置
在進(jìn)行風(fēng)吸力作用的模擬試驗(yàn)時(shí)，國(guó)內(nèi)均為通過(guò)逐級(jí)反向加載沙袋或者砝碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種試驗(yàn)方法與真實(shí)情況的風(fēng)荷載作用有一定差距，加載過(guò)程不連續(xù)，不能很好的模擬出風(fēng)吸力對(duì)于金屬屋面的荷載作用，所以中冶建筑研究總院有限公司組織相關(guān)專家和技術(shù)人員，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)要求的模擬環(huán)境進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外此類項(xiàng)目的試驗(yàn)方法和器具，制作了一套試驗(yàn)裝置，對(duì)金屬板屋面抗風(fēng)吸力性能進(jìn)行研究，本套試驗(yàn)裝置已獲得了國(guó)家相關(guān)專利。
3.2.1試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置的原理為將待檢測(cè)屋面安裝于試驗(yàn)底盤上，底盤內(nèi)裝有密閉氣囊，通過(guò)對(duì)氣囊充氣使其膨脹，形成對(duì)屋面系統(tǒng)向上的推力，從而模擬風(fēng)荷載作用時(shí)對(duì)屋面產(chǎn)生的吸力效果。
通過(guò)測(cè)試，得到氣囊在不同氣壓下屋面板的位移數(shù)值及構(gòu)件情況，直至屋面板連接處出現(xiàn)破壞。
試驗(yàn)裝置底盤尺寸為3mx6m，支撐結(jié)構(gòu)的邊框架采用槽鋼焊接，中間為熱軋工字鋼,見圖3-4。
在底盤上引出一根無(wú)縫鋼管，作為氣壓管使用，外接電子氣壓計(jì)，氣壓計(jì)設(shè)計(jì)與進(jìn)出氣閥在同一側(cè)，方便控制氣流輸入輸出的大小與讀數(shù)。采用空氣壓縮機(jī)（見圖3-5）作為試驗(yàn)儀器的進(jìn)氣設(shè)備，將屋面系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上，并按照試驗(yàn)要求布置測(cè)量點(diǎn)，采用電子位移計(jì)測(cè)量位移，不同測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀傳至電腦，用專業(yè)軟件進(jìn)行記錄。（見圖3-6-圖3-8）
3.2.2試驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)
試件：MR24屋面板 1.5m檁距 0.5 mm板厚支架厚度0.8mm
試驗(yàn)用空氣壓縮機(jī)將空氣以預(yù)定好的標(biāo)準(zhǔn)速率打入密閉的氣囊，空氣進(jìn)氣量和速度依靠球閥進(jìn)行控制，研究人員通過(guò)氣壓計(jì)讀取當(dāng)前氣囊內(nèi)的壓力。當(dāng)壓力達(dá)到試驗(yàn)預(yù)設(shè)的第一個(gè)值后，將這個(gè)壓力持續(xù)一分鐘再讀數(shù)并記錄，之后繼續(xù)增加壓力，再持續(xù)一分鐘進(jìn)行讀數(shù)并記錄，如此反復(fù)，直到板材發(fā)生形變，最終直至破壞。
破環(huán)形態(tài)包括：板件局部屈曲、板件整體坍塌、板件變形超過(guò)規(guī)范要求、板件從支架中脫離、板件間咬口脫離以及支架處自攻螺釘?shù)钠茐摹?/span>
在MR24板的試驗(yàn)中，一開始，試驗(yàn)位移計(jì)全部布置在板的中央，當(dāng)逐級(jí)加載時(shí)，板中央撓度迅速增大，在0.5KPa時(shí)，位移就達(dá)到了50mm，而咬口處卻完好無(wú)損，遂改為以咬口處為研究對(duì)象，將位移計(jì)布置在360°咬口的連接處，當(dāng)加載到2.2KPa時(shí)，板肋處跨中撓度已明顯超出規(guī)范要求，即已達(dá)到設(shè)定的破壞形態(tài)。（見圖3-9-圖3-10）
3.2.3試驗(yàn)方法二：美國(guó)FM認(rèn)證試驗(yàn)
3．2.3.1關(guān)于美國(guó)FM認(rèn)證試驗(yàn)
FM全球公司是世界上最大的工商業(yè)保險(xiǎn)公司之一，通過(guò)其所屬的FM認(rèn)證（FM Approvals）機(jī)構(gòu)向全球的工業(yè)及商業(yè)產(chǎn)品提供檢測(cè)及認(rèn)證服務(wù)。FM認(rèn)證的證書在全球范圍內(nèi)被普遍承認(rèn)，而且FM全球公司的保險(xiǎn)客戶也更傾向于使用通過(guò)了FM認(rèn)證的產(chǎn)品，它向消費(fèi)者表明該產(chǎn)品或服務(wù)已經(jīng)通過(guò)美國(guó)和國(guó)際最高標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅能夠滿足消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)的要求，而且能夠提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的地位。工業(yè)及商業(yè)產(chǎn)品的“FM”證書及檢測(cè)報(bào)告在全球范圍內(nèi)被普遍承認(rèn)，“FM”的認(rèn)可標(biāo)志在消費(fèi)者心目中也是最高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的象征，其認(rèn)可的標(biāo)志在某種程度上超越了認(rèn)證本身的價(jià)值。
FM的屋面系統(tǒng)認(rèn)證在全球具有領(lǐng)導(dǎo)和壟斷的地位。為了利用國(guó)外先進(jìn)和成熟的屋面系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)和系統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)，在中國(guó)建筑防水協(xié)會(huì)的幫助下，蘇州防水研究院與FM認(rèn)證公司經(jīng)過(guò)多年籌備，成功建成了我國(guó)第一個(gè)符合FM認(rèn)證公司技術(shù)要求的單層卷材屋面抗風(fēng)揭實(shí)驗(yàn)室和金屬屋面抗風(fēng)揭試驗(yàn)室，并經(jīng)FM認(rèn)證公司授權(quán)，將正式開展對(duì)外的檢測(cè)項(xiàng)目。
3.2.3.2巴特勒MR-24板型的FM試驗(yàn)過(guò)程
本次試驗(yàn)的地點(diǎn)是蘇州防水研究院的金屬屋面抗風(fēng)揭實(shí)驗(yàn)室，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)FM ANSI/FM4471:2010，F(xiàn)M 4471《1級(jí) 平板屋面認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》闡述了屋面系統(tǒng)在防火、抗風(fēng)、抗冰雹、防漏等方面的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容是巴特勒生產(chǎn)MR24屋面板的抗風(fēng)吸能力。
試件及試件安裝
屋面板選用巴特勒MR-24屋面板，0.6mm厚、屈服強(qiáng)度不小于345MPa。檁條為巴特勒（上海）有限公司生產(chǎn)的Z200預(yù)沖孔襯檁，1.95mm厚，屈服強(qiáng)度不小于345MPa，檁距1.5m。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及金屬板試件見圖3-11。
固定件和鎖片分別為Butler Scrubolt（r）自鉆螺釘、ITW集團(tuán)伊利諾建筑產(chǎn)品（蘇州）有限公司生產(chǎn)的ITM Buildex 12-24xl-1/4” TEXS/5自鉆螺釘、巴特勒產(chǎn)MR-24屋面板低型連接件-寬型鎖片（見圖3-12）。
首先將Z型襯檁通過(guò)ITW TEKS/5自鉆螺釘固定至試驗(yàn)架主檁上，然后使用Butler Scrubolt（r）自攻螺釘將寬型鎖片固定至Z型襯檁，在試驗(yàn)架上鋪設(shè)MR24屋面板并用寬型鎖片將其卡住，最后使用卷邊機(jī)將MR24屋面板進(jìn)行鎖邊咬合。試件平面布置圖見3-13，試件實(shí)驗(yàn)過(guò)程及破壞見圖3-14。
3.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及結(jié)果分析
升至4.3KPa（90PSF）過(guò)程中，MR-24屋面板低型連接件-寬型鎖片從金屬板鎖縫中抽離，達(dá)到預(yù)定的破壞條件，經(jīng)分析達(dá)到抗風(fēng)揭等級(jí)3.6KPa（75PSF）。
4.結(jié)論
咬合型屋面板在風(fēng)吸力作用下承載力與變形主要受以下因素影響：
4.1板型、支架類型及咬口方法
結(jié)合中冶院角馳Ⅲ板型抗風(fēng)揭試驗(yàn)可以看出，采用機(jī)械咬口的MR24板型屋面板，其承載力和極限變形比采用手工咬口的角馳Ⅲ板型屋面板明顯要高，其破壞形態(tài)為板局部屈曲。
支架的鋼度及施工質(zhì)量對(duì)咬邊連接板型在風(fēng)吸力作用下性能影響很大，其破壞形態(tài)主要發(fā)生在薄弱支架處。
4.2屋面板檁距
咬邊連接屋面板在風(fēng)吸力作用下的承載力和極限變形隨著檁距的加大而逐漸變差。
4.3施工質(zhì)量及周邊固定措施。
板材與支架咬合部位施工質(zhì)量較好的試件其極限承載力有明顯提高；試件采取了周邊固
定措施后，其極限承載力有明顯提高。
4.4當(dāng)風(fēng)荷載較大時(shí)，屋面系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)所有試件的荷載—平均位移圖，當(dāng)屋面板變形達(dá)到規(guī)范規(guī)定的L/250（L為檁條跨度）時(shí)，各個(gè)試件荷載大小基本上位于0.6KN/m2—1.2 KN/m2之間。
所以，針對(duì)試件所在條件下的幾種情況，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)吸力小于0.6KN/m2時(shí)，不需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)吸力在0.6—1.2 KN/m2之間時(shí)，需要適情況而定，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)吸力大于1.2KN/m2時(shí)，則必須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證
參考文獻(xiàn)：
[1] 羨永彪《單層屋面系統(tǒng)抗風(fēng)荷載試驗(yàn)及其應(yīng)用》
[2]《中冶集團(tuán)建筑研究總院金屬屋面抗風(fēng)揭實(shí)驗(yàn)報(bào)告》
[3]《國(guó)家建筑材料工業(yè)建筑防水材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心》檢驗(yàn)報(bào)告NO.2010W08081
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