1.研究背景
進入二十世紀九十年代，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，壓型金屬板在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是屋面系統(tǒng)，但壓型金屬板的設(shè)計應(yīng)用及施工驗收標準卻相對滯后，特別是對金屬屋面影響最大的抗風吸力問題沒有得到很好的解決。
在屋蓋的設(shè)計過程中，風荷載極其重要。在風的作用下，屋面常會受到很大的吸力，如果自重等荷載的作用不足以抵抗這種吸力，屋面將會被掀起、造成破壞。近年來，全國各地許多鋼結(jié)構(gòu)建筑的金屬屋面由于設(shè)計不合理或施工問題導致被局部或全部掀起，造成較大經(jīng)濟損失的同時，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
壓型金屬板屋面的跨度通常超過6m，屋面鋼板的厚度一般小于0.8mm，結(jié)構(gòu)自重輕，因此對屋面壓型金屬板進行風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，板和板之間通過自攻螺釘相連，連接性能可靠，能較好地發(fā)揮板材的強度，同時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)屋面漏水等嚴重問題。
咬邊式連接：通過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題的發(fā)生。因此，近年來應(yīng)用隱藏式連接的金屬屋面越來越多，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)計規(guī)范相對滯后，以及應(yīng)用單位與設(shè)計人員的認識程度不夠等原因，國內(nèi)外對金屬板屋面系統(tǒng)的研究大多集中在保溫、隔聲、防水等領(lǐng)域，對力學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板與板、板與支架之間的相互咬合進行連接，其抗剪和抗彎承載力是通過相互之間的摩擦力來傳遞的，這種傳力機制明顯不同于緊固件連接的傳力機制，其在風吸力作用下的傳力機制，目前還沒有成熟的理論可尋。
3.金屬屋面抗風吸力試驗研究
近年來，通過咬邊連接的金屬屋面板在風吸力作用下發(fā)生破壞的工程事故屢見不鮮，而在風吸力作用下的傳力機制目前也還沒有成熟的理論計算方式，因此對咬邊連接的壓型板屋面系統(tǒng)，其在風吸力作用下力學性能的研究采用試驗方法比較可靠，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行抗風吸力試驗研究，探討各種因素對咬邊式連接體系承載能力的影響，為這種連接體系的應(yīng)用提供實驗數(shù)據(jù)，也為壓型鋼板技術(shù)規(guī)程及相關(guān)國家標準的修訂提供依據(jù)和建議。
3.1板型選擇
直立鎖邊壓型鋼板在國內(nèi)應(yīng)用以來，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試驗方法一：中冶院裝置
在進行風吸力作用的模擬試驗時，國內(nèi)均為通過逐級反向加載沙袋或者砝碼來實現(xiàn)，這種試驗方法與真實情況的風荷載作用有一定差距，加載過程不連續(xù)，不能很好的模擬出風吸力對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，通過對試驗要求的模擬環(huán)境進行分析，同時結(jié)合國內(nèi)外此類項目的試驗方法和器具，制作了一套試驗裝置，對金屬板屋面抗風吸力性能進行研究，本套試驗裝置已獲得了國家相關(guān)專利。
3.2.1試驗裝置
試驗裝置的原理為將待檢測屋面安裝于試驗底盤上，底盤內(nèi)裝有密閉氣囊，通過對氣囊充氣使其膨脹，形成對屋面系統(tǒng)向上的推力，從而模擬風荷載作用時對屋面產(chǎn)生的吸力效果。
通過測試，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縫鋼管，作為氣壓管使用，外接電子氣壓計，氣壓計設(shè)計與進出氣閥在同一側(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（見圖3-5）作為試驗儀器的進氣設(shè)備，將屋面系統(tǒng)安裝在試驗平臺上，并按照試驗要求布置測量點，采用電子位移計測量位移，不同測點的位移數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀傳至電腦，用專業(yè)軟件進行記錄。（見圖3-6-圖3-8）
3.2.2試驗原理及數(shù)據(jù)
試件：MR24屋面板 1.5m檁距 0.5 mm板厚支架厚度0.8mm
試驗用空氣壓縮機將空氣以預定好的標準速率打入密閉的氣囊，空氣進氣量和速度依靠球閥進行控制，研究人員通過氣壓計讀取當前氣囊內(nèi)的壓力。當壓力達到試驗預設(shè)的第一個值后，將這個壓力持續(xù)一分鐘再讀數(shù)并記錄，之后繼續(xù)增加壓力，再持續(xù)一分鐘進行讀數(shù)并記錄，如此反復，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板的試驗中，一開始，試驗位移計全部布置在板的中央，當逐級加載時，板中央撓度迅速增大，在0.5KPa時，位移就達到了50mm，而咬口處卻完好無損，遂改為以咬口處為研究對象，將位移計布置在360°咬口的連接處，當加載到2.2KPa時，板肋處跨中撓度已明顯超出規(guī)范要求，即已達到設(shè)定的破壞形態(tài)。（見圖3-9-圖3-10）
3.2.3試驗方法二：美國FM認證試驗
3．2.3.1關(guān)于美國FM認證試驗
FM全球公司是世界上最大的工商業(yè)保險公司之一，通過其所屬的FM認證（FM Approvals）機構(gòu)向全球的工業(yè)及商業(yè)產(chǎn)品提供檢測及認證服務(wù)。FM認證的證書在全球范圍內(nèi)被普遍承認，而且FM全球公司的保險客戶也更傾向于使用通過了FM認證的產(chǎn)品，它向消費者表明該產(chǎn)品或服務(wù)已經(jīng)通過美國和國際最高標準的檢測。該標準不僅能夠滿足消費者對于產(chǎn)品品質(zhì)的要求，而且能夠提高產(chǎn)品在市場中的地位。工業(yè)及商業(yè)產(chǎn)品的“FM”證書及檢測報告在全球范圍內(nèi)被普遍承認，“FM”的認可標志在消費者心目中也是最高品質(zhì)標準的象征，其認可的標志在某種程度上超越了認證本身的價值。
FM的屋面系統(tǒng)認證在全球具有領(lǐng)導和壟斷的地位。為了利用國外先進和成熟的屋面系統(tǒng)功能評價和系統(tǒng)認證技術(shù)，在中國建筑防水協(xié)會的幫助下，蘇州防水研究院與FM認證公司經(jīng)過多年籌備，成功建成了我國第一個符合FM認證公司技術(shù)要求的單層卷材屋面抗風揭實驗室和金屬屋面抗風揭試驗室，并經(jīng)FM認證公司授權(quán)，將正式開展對外的檢測項目。
3.2.3.2巴特勒MR-24板型的FM試驗過程
本次試驗的地點是蘇州防水研究院的金屬屋面抗風揭實驗室，檢測標準為美國FM ANSI/FM4471:2010，F(xiàn)M 4471《1級 平板屋面認證標準》闡述了屋面系統(tǒng)在防火、抗風、抗冰雹、防漏等方面的試驗標準，本次試驗主要測試內(nèi)容是巴特勒生產(chǎn)MR24屋面板的抗風吸能力。
試件及試件安裝
屋面板選用巴特勒MR-24屋面板，0.6mm厚、屈服強度不小于345MPa。檁條為巴特勒（上海）有限公司生產(chǎn)的Z200預沖孔襯檁，1.95mm厚，屈服強度不小于345MPa，檁距1.5m。實驗平臺及金屬板試件見圖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ITW TEKS/5自鉆螺釘固定至試驗架主檁上，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，最后使用卷邊機將MR24屋面板進行鎖邊咬合。試件平面布置圖見3-13，試件實驗過程及破壞見圖3-14。
3.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計及結(jié)果分析
升至4.3KPa（90PSF）過程中，MR-24屋面板低型連接件-寬型鎖片從金屬板鎖縫中抽離，達到預定的破壞條件，經(jīng)分析達到抗風揭等級3.6KPa（75PSF）。
4.結(jié)論
咬合型屋面板在風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板型抗風揭試驗可以看出，采用機械咬口的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)量對咬邊連接板型在風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當風荷載較大時，屋面系統(tǒng)應(yīng)進行試驗驗證
根據(jù)所有試件的荷載—平均位移圖，當屋面板變形達到規(guī)范規(guī)定的L/250（L為檁條跨度）時，各個試件荷載大小基本上位于0.6KN/m2—1.2 KN/m2之間。
所以，針對試件所在條件下的幾種情況，當標準風吸力小于0.6KN/m2時，不需要進行試驗驗證，當標準風吸力在0.6—1.2 KN/m2之間時，需要適情況而定，當標準風吸力大于1.2KN/m2時，則必須進行試驗驗證
參考文獻：
[1] 羨永彪《單層屋面系統(tǒng)抗風荷載試驗及其應(yīng)用》
[2]《中冶集團建筑研究總院金屬屋面抗風揭實驗報告》
[3]《國家建筑材料工業(yè)建筑防水材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心》檢驗報告NO.2010W08081
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