建筑技术丨台风工况下施工过程各阶段金属屋面抗风揭技术

1 研究背景

在建筑工程中，金属屋面作为一种常用的覆盖材料，具有质量轻、使用寿命长、施工方便等优点广泛。然而，在台风等极端天气条件下，金属屋面的抗风性能和安全性能尤为关键。因此，针对金属屋面在台风工况下的抗风揭问题进行研究和探索，具有重要的理论和实践意义。近年来，金属屋面系统在各种大型建筑结构中被广泛使用。

北京首都机场T3航站楼建成于2007年底，总建筑面积约98.6万m²，屋面抗风性能按照百年一遇的标准设计。然而其却在短短3年间出现了3次局部被大风掀飞的事件。调查发现，其中有2次最大风速也并未超过设计风速极限值，因此从侧面说明T3航站楼的金属屋面抗风设计并未达到设计要求。

武汉天河机场主候机楼屋顶也是采用直立锁边金属面系统，按照50年一遇标准设计屋面抗风承载力。然而在短期大风作用下，将近100 m²的屋面被大风掀开。最后发现出现这一事故的原因是屋面的锁边咬合处承载力不够，在风荷载作用下出现了屋面板从支座上拉脱的现象。沪宁高铁苏州工业园区站也出现了同样的风掀事故，大约有15块1.0 mm厚的铝镁锰直立锁边金属屋面板被风揭开，未出现其他部位的破坏，也进一步说明金属屋面锁边咬合力大小是抵抗风吸荷载的关键因素。这些风揭事故不仅阻碍了金属面板在工程中进一步应用，也造成了严重的经济损失。因此，全面深入研究直立锁边金属屋面系统在台风工况下从施工到结束阶段的抗风揭性能十分有必要。

台风也可对建筑和基础设施造成严重的损害。金属屋面作为建筑外包层的重要组成部分，在保护建筑免受风、雨等外部因素影响方面发挥着重要作用。因此，研究台风工况下金属屋面的抗风揭技术对于有效减少台风造成的损害具有重要意义。

2 金属屋面分类及发展现状

2.1 金属屋面发展现状

近年来，随着经济的发展，越来越多的大型公共场馆拔地而起。这些大跨度的标志性建筑屋面系统通常为复杂的曲线结构，促进了金属屋面在我国建筑业的应用和发展。

随着科技的不断进步，金属屋面系统在我国也取得了飞速发展。当前我国建筑事业正处于蓬勃发展的阶段，要求建筑物不仅要满足基本的使用功能，而且在造型上也要不断追求标新立异，这就给建筑设计师带来了巨大的挑战，设计首先要符合结构安全性，其次还要满足人们对于实现建筑美学的愿望。金属屋面系统因具有轻质高强、加工造型容易、防腐防水性能好等优点，已在各类大型公共建筑中得到了广泛的应用，如大型会展中心、体育场馆、机场航站楼、铁路站台等。

从20世纪70年代开始，钢结构冷弯成型技术不断得到了推广应用。这也为金属屋面在建筑维护结构上的发展带来了契机，从材料匹配到结构性能均得到了很好的提升。金属屋面容易加工变形、造型优美且质量相对较轻。如随着材料科学的进步，从最开始的镀锌压型板，到后来的镀铝锌压型钢板，再到现在的铝合金和不锈钢板等。

2.2 常见的金属屋面分类

金属屋面系统已在我国取得了一定的发展成果，屋面板的类型也越来越多样化。我国金属屋面发展起步较晚，为此缺少相应的技术规范和设计指标。要想熟练掌握金属屋面的构造特点，只有对其分类进行深入的了解，才有可能更好地理解金属屋面的受力性能。目前，金属屋面系统可以从系统构造、连接形式、屋面板材料以及保温材料等4个方面进行分类。

各类型的屋面板有各自的适用范围和优缺点，以上层金属屋面为例，双层金属屋面相比单层金属屋面，在结构的底部檩条上又增加了1层金属板，所以整个屋面的刚度更大，抗风能力也更强，目前在金属屋面结构中使用较多。

这种双层金属屋面系统结构根据有无檩条可以分为两种类型。而檩条的布置又可以分为隐蔽式和外露形式两种，不同的布置类型下金属屋面的受力性能也有差别，有檩条屋面系统的两种类型优缺点见表1。

表1 有檩屋面系统特点

近年来发展起来的TPO 与 PVC 都是高分子防水卷材，具有良好的延性，断面伸缩率较大，可以很好地适应金属屋面在荷载作用下的伸缩变形。

另外，这种高分子防水卷材也具有较好的耐候性和防腐蚀性能，自粘聚合物改性沥青防水卷材也具有较好的延展性，能适应屋面伸缩缝的变形要求。当温度较高时，其会变成液体状流动，因此常用于坡度较小屋面工程。

对于金属屋面的防水材料选择，要注意以下两方面。一方面是防水材料要具有良好的延展性和变性能力，以适应金属屋面这种热膨胀系数较大的材料在温度荷载下的大幅形变。

另一方面，由于金属屋面传热较快，防水材料不仅要耐高温，防止材料老化发生，而且还要适应严寒天气的较低温度。

在实际应用中，根据工程因地制宜地选择最合适的屋面防水材料。根据GB 50345—2012《屋面工程技术规范》中的相关规定，本项目金属屋面的防水等级设计为Ⅰ级。

3 金属屋面风揭破坏探究

3.1 典型金属屋面风揭破坏

通过对大量金属屋面风揭事故调查分析发现，一般金属屋面的下部结构在风荷载作用下不容易引起破坏，而屋面板与固定支座的连接处最容易出现脱扣、撕裂以及严重鼓曲变形，使屋面出现一系列风揭破坏现象。统计金属屋面典型的风揭破坏事故见表2。

表2 金属屋面风灾统计

3.2 金属屋面抗风设计原则

风荷载作用下结构表面会形成负风压或触发结构共振，将会引起各种金属屋面的破坏现象。金属屋面抗风性能受到多种因素的影响，主要包括屋面形式、材料和构造设计、连接和支撑系统、屋面荷载等。其中，屋面荷载是最主要的影响因素之一。

金属屋面在风荷载作用下的典型传力路径如图1所示。

图1 直立锁边金属屋面典型风荷载传递路径

4 台风工况下金属屋面抗风揭技术研究

针对金属屋面在台风工况下的抗风揭问题，以厦门国际博览中心的金属屋面工程为背景，详细分析并介绍了金属屋面从设计、施工到使用各阶段所采取的各项抗风揭措施。厦门多年平均气温20.8 ℃，月平均最低气温28.5 ℃，月平均最低气温20 ℃；极端最高气温38.5 ℃，降水主要集中于4~8月，占全年总降水量的67 ％，其中6月降水量最大,多年年平均降水量1 183.4 mm，每年7~10月经常受台风影响，热带气旋平均每年6.5次；强热带风暴平均每年4.4次；台风每年有3.8次，瞬时最大风速曾达80 m/s。

4.1 典型金属屋面风揭破坏

金属屋面在台风地区极易发生风揭破坏，需要在设计阶段就进行充分的考虑和规划。一方面，需要选择高质量、高强度的金属屋面材料，以保证其在强风作用下的稳定性和承载能力。

目前常见的金属屋面板材主要包括压型钢板屋面、钛锌板屋面、铝镁锰合金屋面板以及铜板屋面。厦门新会展中心金属屋面工程中屋面板选用镀铝锌钢板作为主要的维护系统，与其他的材料相比，镀铝锌屋面板有其独特的优势。

另一方面，需要在金属屋面的结构设计中，充分考虑风压、风荷载和抗风揭因素，采用合理的结构形式和支撑方式，以确保使用过程中金属屋面在台风工况下的整体稳定性和安全性能。本工程主要采用双层金属屋面系统结构。各个层之间都有可靠的连接，确保后期使用阶段的屋面安全性。并且需要在金属屋面的支撑结构上设置适当的固定件和连接件，以确保金属屋面与支撑结构的紧密连接。金属屋面板首先通过360°的咬口锁边与下部的固定支座进行连接，固定支座又通过自攻螺钉与檩条之间进行。本工程系统节点主要包括以下几类：屋面标准节点、檩条（主、次檩条）连接节点、屋脊节点、排水天沟节点、防坠落系统节点等，这些节点的设计在很大程度上决定整个屋面的抗风性能。

4.2 施工阶段抗风揭措施

直立锁边金属屋面的构造层次较为复杂，屋面施工质量难度大，工艺烦琐，施工过程中的质量将直接影响屋面的后期阶段的抗风和防水性能。在金属屋面的施工阶段，需要采取一系列有效措施，以提高其抗风揭能力和安全性能。

在金属屋面的安装过程中，需要严格控制其受风面的倾斜角度和安装方向，以避免在强风作用下产生揭开和翘起的现象。同时，需要在金属屋面的表面涂抹防滑涂料，以提高其防滑能力和安全性能。

4.2.1 屋面板加工运输

根据施工现场的具体情况，金属屋面板的运输可以通过坡道与塔式起重机相结合的方式进行。较短屋面板在地面压制成型后，需要转移至上料点位采用汽车式起重机吊装。屋面板在地面转移采用焊接方管平板车进行，较长屋面板转移时需采用两台同时进行，防止挠度过大、折弯损坏屋面板。

（1）面板在生产、垂直水平运输过程中必须采取可靠有效的防护措施，以确保屋面板完好无损，但受损板严禁用于工程中。

（2）本标段屋面板块采用索道运输、台架吊装的垂直运输方式，有效保护屋面板不受损坏。

（3）屋面板安装完成后，做好成品得保护工作，不得踩踏以及用硬物敲击屋面板；避免将重物堆放在屋顶；严格检查屋面板的完整性，对于任何破损的屋面板都不能应用到工程上。

4.2.2 檩条、檩托施工质量

本工程檩条采用塔式起重机及汽车式起重机，通过一钩多吊的方式实现安装。采用热浸镀锌次檩钢板支座，由于次檩托上部承载次檩条，所以次檩托在安装之前先用在主檩条上沿着坡向按照一定的间距画出定位线，然后在标记的位置上焊接一块热浸镀锌次檩钢板支座。

主檩条加密区主要分布于靠近屋脊及挑檐部位，即屋面受负风压较大区域；非加密区主檩条分布于屋面中间区域。桁架上的主檩条均是螺栓固定在主檩托上，其他位置的主檩条采用一端焊接、另一端栓接固定的方式，局部区域采用两端焊接固定。桁架上的主檩条整体排布方向垂直于钢结构桁架方向布置，其间填充次檩条；其他位置的主檩条整体排布方向均平行于钢结构桁架方向布置；南北挑檐主钢构跨度较大位置增设附加檩条及附加结构，整体安装顺序从高轴向低轴依次展开施工。

4.2.3 压型钢底板安装

本工程采用的屋面底板为0.6 mm镀铝锌穿孔压型钢板，基材牌号不低于S250GD，表面镀锌处理；屈服强度不小于250 MPa，抗拉强度不小于330 MPa。

底板位于屋面主、次檩条上方，安装时直接在波谷处用自攻钉将钢底板与主檩条固定连接。底板的铺设方向垂直于次檩条的方向，并平行于主檩条方向铺设。底板的长度，根据相邻檩条的间距确定，底板与底板之间的连接为搭接，其搭接缝上用专用钢钉连接固定，与下部檩条连接。

屋面底板的安装质量与整个屋面的造型及各项性能密切相关。因而在屋面板安装完成之前首先要严格按照设计要求控制檩条和各个关键位置的定位精度，以避免后期出现安装失误，保证屋面底板的安装顺利进行。底板位于次檩条下方，附加主檩条上放，施工人员应通过吊篮对钢底板进行反吊施工。

4.2.4 固定支座安装质量

镀锌钢固定座的安装质量不仅会影响屋面板的抗风性能，而且还会阻碍屋面板的纵向自由伸缩，影响其扣合的严密性。所以，屋面板固定支座的安装是本工程中的一道关键工序。

镀锌钢固定座安装工艺：测量放线→屋面支座安装→安装完成复测→支座精度调整→安装完成。镀锌钢固定座的底支座采用镀锌钢基座+镀锌钢绞合片组合固定座，预先将底支座及铰支座用M8号自攻螺钉连接固定成一个整体支座。

镀锌钢固定座安装要求满足在屋面板安装后，能使屋面板在热胀冷缩过程中自由伸缩，避免出现屋面板拉裂破坏。

镀锌钢固定座应先安装支座下方的丁基胶带以及改性沥青垫片。边安装边校正，并打入固定螺钉将其固定，固定支座安装要求见表3。随后进行屋面板的安装咬合，最后进行夹具的安装。

表3 镀锌钢固定座安装尺寸偏差要求

4.2.5 直立锁边屋面板咬合质量

金属板的铺设要注意常年风向，锁边时沿小锁边线方向上排板，大边咬合小边，屋面板板安装是从一端到另一端。要求锁好之后的面板边连续且平整，不得出现扭曲和开裂。

在锁边机前方1 m范围内，要提前使屋面板搭接边紧密贴合，这将在很大程度上决定屋面板的锁边质量。

4.2.6 关键部位施工质量

固定座安装间距误差过大或屋面板锁边不完全，都会诱发抗风压薄弱问题出现，一旦有风灌入将会产生应力集中现象，在大风作用下屋面板很有可能会被掀开。屋面施工过程中抗风揭主要是做好抗台风应急预案和临时措施，包括完工区域及时封闭侧面兜风口，在檐口、天沟等设置3道抗风夹和抗风钢丝绳等。

总之，在金属屋面的使用阶段，需要采取一系列有效措施，以提高其抗风揭能力和安全性能。首先，需要对金属屋面的接缝和固定件进行定期检查和维护，及时处理漏水和损坏等问题。其次，需要根据当地的气象条件和台风警报等情况，及时采取有效的措施，如加强固定、加装抗风支撑等，以确保金属屋面在台风工况下的安全性能。同时，需要对金属屋面的使用寿命进行科学的评估和管理，及时进行维护和更换，以保证其长期稳定的抗风揭性能和安全性能。

5 结论

本研究对台风工况下从设计、施工到结束各阶段金属屋面的抗风揭技术进行了研究。通过分析台风工况下金属屋面的受力机理和抗风揭特点，提出了一系列有效技术方案和措施，包括金属屋面材料的选择、支撑结构的设计、安装过程的控制、使用阶段的维护和管理等。这些方案和措施可以有效提高金属屋面的抗风揭能力和安全性能，减少因台风引起的损失和风险。通过实际应用和验证，本研究提出的抗风揭技术方案和措施具有一定的可行性和推广价值。在未来的研究中，可以进一步探索和改进金属屋面的抗风揭技术，提高其应对台风等极端气候条件的能力。此外，还可以进一步开展以下工作。

研究不同类型金属材料的抗疲劳性能，并寻找新型金属材料，以提高金属屋面的抗疲劳性能；进一步研究金属屋面板的结构设计和连接方式，优化金属屋面的结构，提高其抗疲劳性能；开展不同风速和风向下的金属屋面疲劳试验，并开展数值模拟分析，深入研究金属屋面在不同风场下的疲劳破坏机理；探索新型加固技术，如纤维增强材料加固、3D打印技术加固等，以提高金属屋面的抗疲劳性能；研究金属屋面板在不同温度和湿度下的疲劳性能，以深入了解金属屋面板的疲劳破坏机理。