金属屋面板系统承载力的实验检测方法

宋晓光张其林杨晖柱贾坚

（1山东省建筑科学研究院 工程师，山东 济南 250031；2同济大学土木工程学院 教授,上海 200092；3、4同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 高级工程师、工程师，上海 200092）

0 引言

典型的金属屋面板由金属压型板和连接紧固件共同组成，金属压型板通过连接紧固件与冷弯薄壁檩条连接并辅以拉条构成金属屋面系统，具有施工周期短、综合经济效益好、利于环保等优点，因此广泛地应用于火车站站房、机场航站楼等大型公共建筑以及厂房、仓储等工业建筑中。但是，国内现行规范[1]、规程[2]在确定金属屋面板系统的承载力方面均未做详细可行的规定，因此在风灾、雪灾等灾害天气发生时，金属屋面板系统往往更易遭受严重的破坏[3-10]，图1所示为江苏某船厂车间的立缝屋面板被风掀起。2010年12月和2011年11月，首都机场T3号航站楼的金属屋面板系统两度被强风掀开，导致首都机场共延误航班200余架次。因此，研究金属屋面板系统在各种工况下的承载力具有重要意义。

图1 遭受风灾破坏的立缝屋面板

1 基于实验的检测方法

在目前现行规范、规程无明确规定以及各企业生产标准各异的情况下，足尺实验研究是确定金属屋面板系统承载力最为可靠的手段。

通常导致金属屋面板系统破坏的荷载主要有：方向向下的荷载如雪荷载、积灰荷载等；方向向上的风吸荷载。因此需要针对上述两种方向均布荷载作用分别进行足尺试验，以确定金属屋面板系统的承载能力及其破环形态。屋面系统试件应根据实际工程设计的金属压型板的板型、檩条间距和连接固定方式制作，力求试件与实际工程系统相符。

实验装置布置如图2所示。两根H型钢梁间距根据板件宽度确定，钢梁上布置3根檩条，檩条间距、跨度、规格均根据设计确定。按实际施工方法在檩条上安装3块金属压型板，由于中间板件（图中阴影部分）四周的连接方式均与实际施工情况相符，因此选取中间板件为主要检测对象。

图2 屋面系统实验布置平面图

实验以堆载砂袋的方式模拟均布荷载，采用分级载入，根据板件的承载面积确定每级载入的荷载值。 以第一级荷载作为试验预加载，静置15 min。之后每级荷载间隔时间为10 min，直到试件出现破坏为止。

金属屋面板系统可能出现的破坏形态有：1）金属压型板的局部屈曲；2）金属压型板的挠度超过规范要求；3）金属压型板的应力超过材料屈服强度；4）板件与檩条间连接紧固件的破坏。以破坏形态2）作为判断屋面系统正常使用极限状态的标准，破坏形态1）、3）、4）的最小值作为判断屋面系统承载能力极限状态的标准。

试件的位移计和应变片布置如图3所示，应变片和位移计均集中布置在重点检测的中间板件处。根据板宽及板型在中间板件两跨的跨中位置分别布置3～5个位移计，并在与3根檩条连接处的板件上布置2～5个位移计，以测量板件的变形和相对挠度；应变片主要集中在中间板件跨中与支座处，均布置双向应变片，考察板件在沿板跨方向和垂直板跨方向的应变。应变片与位移计均在两跨对称布置，其实测数据可相互验证并取其均值进行处理。

图3 测点布置平面图

2 实验研究与检测实例

2.1 基本情况

根据以上实验方法对国内某钢构集团生产的屋面板HV-380、HV-612进行足尺实验研究，两种型号试件的横截面尺寸及连接固定方式如图4—图7所示。HV-612板型是典型的直立缝屋面板，屋面板与檩条间与立缝支架通过360°机械咬合连接，而HV-380板型并非完全的直立缝屋面板，屋面板与檩条间是通过扣合支架与立缝支架共同连接，而与立缝支架是通过180°机械咬合连接。试件基本信息见表1。

图4 HV-612板型横截面尺寸

图5 HV-380板型横截面尺寸

表1 试件基本信息

模拟方向向下的均布荷载时，称为正压试验，模拟方向向上的均布荷载称为反压试验。如图2所示，钢梁采用H250×250，间距3.0 m。檩条规格均为C180×60×2.5，长度为 3.0 m。 对于 HV-612 板型檩条间距为S=1.5 m；对于HV-380板型正压试验檩条间距为S=3.0 m，反压试验檩条间距为S=1.5 m。自攻螺钉采用M5.5×35。

2.2 实验结果及数据分析

限于篇幅，本文仅介绍HV-612试件反压试验现象及数据分析。HV-612试件中间板件跨中截面的位移计测点布置如图8所示。跨中截面平板部分（B点处）及加劲肋上翼缘（A、C点处）的荷载-挠度（平均值）曲线如图9所示。

图8 HV-612试件位移计测点布置示意图

图9 HV-612试件荷载-挠度曲线

从图9中可以看出：1）由于平板部分刚度明显小于加劲肋部分刚度，因此平板部分挠度显著大于加劲肋部分的挠度；2）第一级加载时，平板段挠度为14.6 mm，已超过现行规程规定的挠度限值10 mm[2]；第二级加载时，平板段相对挠度达到26.1 mm，远超过规程规定的挠度限值10 mm；3）板件的抗弯刚度没有发生明显的弱化。

板件跨中截面平板部分（B点处）及支座截面平板部分（B点处）Mises应力与均布荷载的关系如图10所示。

图10 HV-612试件荷载-应力曲线

从图中可以看出：1）加载最初期，支座截面板件的应力水平高于跨中截面；加载中后期，跨中截面板件的应力水平高于支座截面；2）第七级加载时，跨中截面平板部分 （B点处）应力值达到224 MPa，远低于板材的屈服强度427 MPa，板件在加载全过程始终处于弹性阶段。卸载后板件无局部屈曲，弯曲变形均恢复如初，也说明板件在加载全过程始终处于弹性阶段。

整个加载过程中，板件整体弯曲变形显著，弯曲变形呈现垂直于跨度方向一维板件的典型特征，如图11所示。直至第八级加载后，板件与檩条间立缝支架出现明显破坏现象，如图12所示，支架基座扭曲严重而且支架调节片已经从基座的孔槽内脱出。

图11 板件整体弯曲显著

图12 连接件受拉破坏

综合以上挠度、板件应力、立缝支架破坏的试验现象，HV-612板型抗弯刚度较弱，在荷载水平较低情况下的弯曲变形显著；但在弯曲变形显著过大的情况下，板件仍具有较强的承载能力，可适当放宽其挠度限值。将第二级加载确定为HV-612在负压情况下的正常使用极限状态，即qs=0.57 kN/m2。将第七级加载确定为HV-612在负压情况下的承载能力极限状态，即qu=1.98 kN/m2。

2.3 实验研究结论

根据实验现象和数据，整理各板型的各种破坏形式及其对应的极限承载力值，如表2所示，其中qs、qu分别为正常使用极限状态、承载能力极限状态对应的极限承载力。

表2 实验研究结论

3 结论

由于目前金属屋面板系统设计时无据可依，而且各企业生产产品的型号、标准各异，导致金属屋面板系统破坏的事故屡见不鲜。因此，研究、制定标准的实验检测方法确定金属屋面板系统的承载力势在必行。本文提出的实验检测方法可作为金属屋面板系统承载力检测的一般方法。

[1]中华人民共和国建设部．GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[S]．北京：中国计划出版社，2002

[2]中国工程建设标准化协会．CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．北京：中国计划出版社，2003

[3]弓晓芸.台风灾害中轻钢结构建筑的破坏及分析[J].工业建筑，1997，27（10）：51—55

[4]楼文娟，卢旦，孙炳楠.风致内压及其对屋盖结构的作用研究现状评述[J].建筑科学与工程学报，2005，22（1）：76—82

[5]陈家宜，杨慧燕，朱玉秋，等.龙卷风风灾的调查与评估[J].自然灾害学报，1999，8（4）：111—117

[6]杨芳，史文海.温州地区民房现状调查与台风灾害分析[J].中国水运，2009，9（11）：159—160

[7]何琦圣，史文海.温州地区低矮建筑台风灾害分析与防灾减灾对策[J].中国水运，2008，8（4）：135—136

[8]薛根元，俞善贤，何风翩.云娜台风灾害特点与浙江省台风灾害初步研究[J].自然灾害学报，2006，15（4）：39—47

[9]王元清，胡宗文，石永久，等.门式刚架轻型房屋钢结构雪灾事故分析与反思[J].土木工程学报，2009，42（3）：65—70

[10]韩志伟.铁路客站大型复杂结构健康监测研究与思考[J].铁道经济研究，2011（6）：28-32