1、建筑施工第45卷第1期197金属屋面工程的结构安全分析与试验研究邵兆通 周正双 吴春华中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海 201908摘要：针对某体育馆和游泳馆金属屋面设计施工过程中的结构安全问题进行梳理，通过试验验证装饰板荷载传力路径的可靠性，采用力学概念分析及时发现金属墙屋面体系中的危险部位，开展结构体系分析，找出星形龙骨地面安装可靠拆分点，通过有限元分析论证高空车上平台的安全性，可为类似金属屋面的设计与施工提供借鉴经验。关键词：金属屋面；传力路径；混凝土平台；高空车中图分类号：TU512 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0197-03 DOI：10.141
2、44/ki.jzsg.2023.01.050Structural Safety Analysis and Experimental Study of Metal Roof EngineeringSHAO Zhaotong ZHOU Zhengshuang WU ChunhuaMCC(Shanghai)Steel Structure Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201908,ChinaAbstract:In view of the structural safety problems in the design and construction of the met
3、al roof of a gymnasium and natatorium,the reliability of the load transfer path of the decorative plate is verified through tests,the dangerous parts in the metal wall roof system are found in time through the mechanical concept analysis,the structural system analysis is carried out,and the reliable
4、 separation points of the star shaped keel ground installation are found,and the safety of the aerial vehicle platform is demonstrated through the finite element analysis.It can provide reference experience for the design and construction of similar metal roofs.Keywords:metal roof;load transfer path
5、;concrete platform;aerial vehicle廊顺滑过渡，飘带内装饰采用钢格栅龙骨；体育馆2层有混凝土平台，可供高空车通行。该项目屋面工程造型复杂，结构工程师开展了一系列结构安全论证工作。2 装饰板荷载传力路径问题在屋面系统结构设计时，主要考虑风荷载（含风压和风吸）、不上人屋面活载、屋面自重这3种荷载，设计的传力路径为铝合金装饰板铝合金次龙骨铝合金主龙骨抗风夹转接件体系固定支座次檩条主檩条主体结构，如图1所示。铝合金装饰板固定支座装饰板龙骨图1 装饰板荷载传力途径节点实际施工中，由于装饰板规格的多样性以及主龙骨与屋面板肋连接间隔的限制，在锁夹连接处无法确保屋面板肋下方存在固
6、定支座，即板肋作为梁承受跨内集中荷载后再传递至固定支座，该传力路径是否可靠受到多方质疑。该项目中屋面板为1.0 mm厚65/400铝镁锰合金直立锁金属屋面以其轻质、高强特性，尤其适用于大跨度屋面承载体系；基于国内专家学者对金属屋面的抗风揭性能、防水措施开展的一系列研究，金属屋面系统目前已在大型体育场馆、高铁站、机场、展览馆等建筑中得到了成功实践并获得较大范围的普及。近年来，由于部分地区极端天气的频繁出现1导致屋面局部漏水、屋面系统被掀开以及客户对建筑功能与建筑形体的创新化需求，催生设计人员对结构安全的进一步思考与研究。本文以某游泳馆体育馆项目为依托，通过开展一系列结构计算与试验验证工作，加强双
7、曲金属屋面在施工过程中的结构安全评估与结构问题预防。1 工程概况针对该体育馆和游泳馆金属屋面工程，其中游泳馆主要由铝镁锰屋面板与装饰铝板复合屋面系统构成，装饰铝板通过主次龙骨直接固定在交接的屋面板肋上，体育馆主要由防水铝板与装饰铝板复合屋面系统构成；游泳馆屋面系统与墙面系统一体化连接，分层做法均相同，屋面板在天沟部位断开并用螺栓固定；游泳馆与体育馆采用飘带连作者简介：邵兆通（1990），男，硕士，工程师。通信地址：上海市宝山区罗新路305号（201908）。电子邮箱：收稿日期：2022-08-29科学研究SCIENTIFIC RESEARCH20231Building Construction
8、198边屋面板，材质为3004-H44，表面氟碳喷涂25 m，背面PE涂层5 m，固定支座采用H110（含隔热垫）型6063-T6铝合金材质，表面采用阳极氧化处理15 m。鉴于咬合屋面板肋的承载能力无明确计算方法可参考2，故采用试验方式开展相应论证。1）锁夹下无支座板肋承载力试验。首先假定不考虑屋面板下固定支座的布置点位，夹具布置与固定支座的点位布置完全独立，即夹具可能出现在2个支座之间的任意位置；在考虑单跨板肋周边无锁夹的最不利布置工况下，对夹具与固定支座的距离进行参数敏感性试验，如图2所示。固定支座测试夹具400400400400200200b图2 周边无锁夹板肋跨内集中力拉拔试验测试夹具
9、与固定支座的距离b采用1/2、1/3、1/4、1/5倍跨度进行试验。将固定支座采用自攻钉固定在檩条上，将直立锁边屋面板卡在T码上，分别进行一次人工锁紧和锁边机锁边，在试验要求的位置设置测试锁夹并固定牢固，安装连接拉杆后采用100 N/s的速率加载拉力/压力直至破坏，受拉和受压的破坏状态均为集中力部位形成塑性铰，无法继续加载（图3），试验结果如表1所示，表中数据为3组均值。图3 周边无锁夹拉拔试验破坏状态表1 周边无锁夹拉拔试验数据试验编号边距b/mm试验类型承载力/kN01600拉伸2.67403400拉伸3.04605300拉伸3.40007240拉伸3.77602600压缩2.560044
10、00压缩2.62506300压缩3.04108240压缩3.307由以上试验结果可知：锁夹与支座的边距越小，板肋承载力越大；锁夹位于板肋跨中时，屋面板承载力最小；根据此最小拉压极限承载力，结合该项目风洞试验报告和规范规定的荷载组合，可以证明金属屋面的主体场馆部分满足极端风荷载下的承载要求。针对檐口等风荷载比较大的部位，需要寻找其他加固方案。针对檐口部位，假定在每个固定支座部位均设置锁夹，测试单跨板肋周边满布锁夹的加固方案是否满足要求，其他试验条件与周边无锁夹试验一致（图4），试验结果如表2所示，表中数据为3组均值。锁夹与固定支座测试夹具400400400400200200b图4 周边有锁夹板肋
11、跨内集中力拉拔试验表2 周边有锁夹拉拔试验数据试验编号边距b/mm试验类型承载力/kN09600拉伸2.79511400拉伸2.97713300拉伸3.25115240拉伸3.49910600压缩2.45212400压缩2.56214300压缩3.02116240压缩3.028由以上试验结果可知：板肋的承载力与锁夹边距成反比，该规律与周边无锁夹试验一致；对比发现，周边固定支座上方增设锁夹对板肋的承载力基本没有影响，无法通过该方法对檐口较大风荷载区域进行加固。2）锁夹下有支座板肋承载力试验。为确保檐口结构安全，设计师通过增设附加龙骨，优化屋面系统传力途径，确保屋面荷载通过附加龙骨传递至下有支座的
12、锁夹上，并对此传力路径进行了试验，试验时固定支座与锁夹完全对正，按100 N/s进行加载直至破坏，其中拉力作用下破坏状态为屋面板大边拉脱，极限拉力为4.94 kN（3组均值），压力作用下的破坏状态为固定支座沿弱轴失稳，极限压力为3.50（3组均值），如图5所示。图5 锁夹下有T码拉伸压缩试验破坏状态由以上试验结果可知：锁夹下有固定支座的板肋承载力与无固定支座的板肋承载力相比承载力最大；根据该试邵兆通、周正双、吴春华:金属屋面工程的结构安全分析与试验研究建筑施工第45卷第1期199验极限荷载最小值，选定附加龙骨间距800 mm，依据风洞试验报告最大风压，验证了金属屋面檐口部分满足极端风荷载下的承
13、载要求。3 墙屋面结构体系受力概念分析游泳馆墙面系统与屋面系统层次结构相同，自上而下平滑过渡。针对常规屋面系统，自重荷载、不上人屋面活荷载与风荷载均在竖直方向，经荷载组合后参与到结构设计中；针对墙面系统，墙面自重沿竖直方向，荷载由墙梁承担，风荷载沿水平方向，最终由墙梁的另一对称轴承担；但对于墙屋面体系，其内力传递规律需进行概念分析。1）假定支座与屋面板肋之间不存在滑动。在一般幕墙结构设计中，墙面荷载由墙梁承担，上层和下层墙梁之间相互独立，荷载和承载均不会相互影响；在金属墙屋面体系中，如果假定支座与屋面板肋之间不存在滑动（图6），整个金属墙屋面计算可参考幕墙设计方法，这是较多设计师选择的简便计算
14、方法3。图6 支座与板肋连接示意对游泳馆屋墙面体系按此假定分析后，得出结构支座反力规律，如图7所示。2）假定固定支座与屋面板肋之间存在滑动。为防水需要，金属屋面板在长度方向上宜连续无接缝，这是基本的深化设计原则；铝镁锰屋面板通常长度在10 m以上，甚至会采用4050 m的长板，在极大温差下，沿板长方向的温度伸缩需要被释放，通常允许屋面板在固定座上方自由伸缩4。对游泳馆屋墙面体系按支座与屋面板肋存在滑动支座约束条件，得出结构支座反力规律如图8所示。0.110.180.440.340.330.330.340.350.340.350.350.360.1700.060.030.020.01000000
15、.013.031.371.030.720.430.180.020.590.720.730.630.490.290.020.050.010.040.050.060.020.090.120.140.05图7 支座与板肋固定时 图8 支座与板肋滑动时墙屋面结构反力 墙屋面结构反力通过2种基本假定的对比，发现固定约束下墙屋面板体系对T码和檩条的作用力比较均衡，上下支座内力变化连续，屋面板内部拉力较小；滑动约束下，在墙屋面结构体系上半部分支座反力较大，下半部分支座反力较小，产生了内力重分布现象。同时，在屋面板的顶部，存在明显的屋面板内拉力。基于以上的概念分析，结合屋面板顶部的螺栓计算和墙屋面体系上半部分
16、的檩条稳定性细部分析，提出在屋面板顶部设置对穿螺栓以及在屋面上部檩条间增设拉条的加固措施，得到相关方的认可。4 星形龙骨安装过程结构安全性分析游泳馆与体育馆之间通过飘带连廊平滑过渡，飘带荷载由伞状柱承担，飘带吊顶为格栅，格栅通过次龙骨、主龙骨与主体结构连接。由于次龙骨布置需要避开伞状柱，为保持次龙骨整体性，在该部位形成星形龙骨。次龙骨之间连接节点为焊接，由于龙骨加工尺寸存在误差，高空时焊接质量难以保证；同时单根次龙骨与主龙骨连接数量达不到结构静定要求，故采用多根次龙骨单元地面焊接完成后高空整体连接的方式。分别采用“一”形（单根龙骨高空焊接）、“V”形（2个相邻龙骨单元地面焊接）、“N”形（3个相邻龙骨单元地面焊接）、“M”形（4个相邻龙骨单元地面焊接）单元对星形龙骨进行拆分测试，发现以下问题：1）“一”形单元，存在多根次龙骨与主龙骨仅1点连接，属于非静定结构。2）“V”形单元，存在多个V形单元与主龙骨仅2点连接，属于非静定结构。3）“N”形单元，存在多个N形单元与主龙骨仅2点连接，同时存在与主龙骨3点连接，但连接点在同一直线上，属于非静定结构。通过比选并充分考虑拆分位置对结构静定性的影