BIM专家丨罗忆 掀揭的屋面(五)我们仍在战斗

屋面结构的风致破坏原理是风在建筑屋顶所引起的风吸力以及其脉动效应,连同风作用在柔性(大部分)屋面结构上引起的风振效应,常常使屋面局部(或表面装饰物)首先破坏,进而由于连锁效应致使整个屋面遭受连续破坏。

为实现建筑金属屋面系统安全、适用、耐久,能在全生命周期都得到良好的保证,这离不开设计、制造生产、安装施工、检验检测、维保单位的协同工作。

为此,所有屋面构造的试验都意味着未来的安全的有效检验。

给板加负压17000Pa的恐怖情况

在0.9mm厚的铝镁锰金属新形方头板型加上抗风夹,以超级的风力,静态试验16500Pa负压保压60秒完成。然后加压到16766Pa的时候,压力上不去,不得再加压,只能停止试验了。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗


冒进的动态试验

大获成功的静态试验,冲昏了大家的头脑,在接下来的动态试验时,我们做了一件超级愚蠢的事,就是在AS 4040.3-208动态抗风压检测,把动态风荷载值Pte定在8000Pa。这个数值是根据某沿海新建机场的风洞试验最大值,再加上屋檐、百年一遇等因素计算出来,用它做动态无疑是自杀……

AS 4040.3-208动态抗风压检测是一种很严苛的测检项目,是一种使用密集、大强度的往复负压加载,然后极强度负压加载,再进行倒程加载。它很类似沿海地区的大量台风袭击建筑物受袭的工况,更能考验建筑系统的安全性和合理性。

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动态测试的目的是评估压型金属屋面系统在强台风地区的结构耐久性,考察压型金属屋面系统在高应力低周疲劳荷载作用下的连接组件的结构强度。

铝镁锰金属屋面本来就不耐疲劳,而动态试验的上万次往复加压,令一切薄板金属屋面都会在短时间里破坏,很难做出可以通过的试验。

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     测试目标风压值设计在Pte=-8KPa,按标准将进行A-G共七个阶段10361次分级循环加载,当进行到A阶段(压力-3600Pa)波动循环2973次时,轴4(F4)支座位置压型铝合金板肋立边出现裂缝,试验终止。

大家抱着探讨、学习的态度,认真分析裂缝原因,毫不保留地发表意见,讨论气氛热情高涨,火花四射!

大家认为,设定的目标测试压力达到-8 KPa是偏高了,它是按百年一遇该项目屋面边缘最大风力达到17级计算而得,按计算A阶段试验荷载幅值达到-3.6 KPa,屋面板受荷后横截面竖向变形大,几千次往复荷载作用下压型铝镁锰合金屋面板局部出现疲劳断裂缝。然而,本次测试结束后检查压型金属板下部支架及所有连接节点,无疲劳受损、破坏现象,初步判断结构连接强度储备充足。

试验是成功还是失败?留待客观评价……

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗老罗与专家们观察分析屋面系统的试验情况


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通过对试验结果进行分析,老罗认为压型铝镁锰合金屋面板是柔性、非韧性材质,除非改造其构造,解决变形问题,减少疲劳受损,否则不适用于这种反复大强度荷载发生地区。

围绕着本次试验和中国的金属屋面工程,专家们也进行了热烈的讨论,大家纷纷赞赏我们的试验活动,既可以透过大家的智慧和力量,促进新技术的交流和发展,也可以通过专家们互动的技术争鸣,创造出新的技术和工艺。


一种理性的屋面

试验用的是一种以可靠机械固定的新型屋面系统,它最大的特点是方形的固定头设计,以方头下方倒卡板脊上沿,以压迫屋面板不被风掀。

之所以说理性,是方头的设计使施工现场容易监测锁边质量,现场锁边不到位时容易发现,避免了锁边不到位的情况。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗方头板型的锁边步骤(从左到右)

方头强度好,刚性大,更有可能作为支承屋面板的支承结构,合适的串连及足够的连接点有效连接后,在风吸作用下也不易被掀揭。

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方头的设计的屋面系统特点:
  1. 主结构与T码直接以夹扣件或拉铆钉机械固定,固定座与檩条连接随时可调;
  2. 方头上端以热铸方式加进尼龙边缘,以避免同类金属摩擦时产生“咬死“现象;
  3. 选择可转动的T码固定座以诱导长屋面板释放温度应力,更可避免防水板与方头摩擦;
  4. 内层二次防水层全卷材从上至下不间断防水,高起过边搭接并以胶粘牢,可以做到真正可靠的密封防水;
  5. 结构系统可以选择不同的材料和壁厚以满足构造受力,如方通、工字钢,等等;
  6. 防水板也可选择多种材质,如不锈钢、镀铝锌板、铝镁锰合金等等。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗固定座采用单面铆钉的锚固

主结构与T码直接以拉铆钉机械固定,整体性强,连接可靠,安装方便,避免了现场打钉的情况,适用于不同的檩条壁厚情况,且易定位、易调节。

采用直T码适合较短的屋面板使用,不存在固定座与檩条连接破坏的风险。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗主结构与T码直接以夹扣件机械固定

固定座采用铸钢卡码锚固,活动性好,易定位调节,连接可靠,安装方便,避免了现场打钉的情况,适用于工字钢檩条。

有些较长的屋面宜使用转动T码,转头的使用可减少面板与T码摩擦导破坏的风险。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗方头上端热铸方式加进尼龙边缘

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面板形成方头明显增加了刚度,截面抵抗变形能力大,承载能力强,板与板间的咬合能力也增强了。

新设计的屋面系统可避免一些以下的缺陷:
  1. 方形的固定头,避免锁边不牢的情况;

  2. 固定座免除打自攻钉的不可靠性;

  3. 固定座与檩条直接连接,无转换件;

  4. 固定座可转动消除了温差应力;

  5. TPO不穿孔,真正密封防水;

  6. 风力过大的地域可选择不同材质或厚重材质。

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在抗风掀揭问题上,方头与最常用的梅花头的受力方式在很大程度上的区别。梅花头T码边界圆滑,板面卡口呈圆弧状,向上用力时向外侧分力较大,容易滑脱;方头T码底部呈大方形,屋面板卡口也呈方形,向上用力时外侧分力极少,不容易滑脱。

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屋面方头板肋多重叠卷,组合强度大,可替代屋面装饰层龙骨,在板肋的任意位置加屋面装饰层支撑。


继续试验 完善工艺
温度热膨胀试验

2018年12月22日,在北京由清华大学筑玻璃与金属结构研究所王元清教授做了FS方头金属屋面板温度变形检测试验,以检验屋面系统在温度变化情况下的变形方式和微观量度。

温度变化试验,我们在北京的冬天进行,室外温度约零下5度,我们考虑将屋面板倒置在钢架上,在屋面板下方四周用保温棉将空间封堵严实,加温形成一个类室外温度变化的环境,这个环境可以通过加温达到试验所需温度。同时,由于室外温度环境不能控制变化,又相对恒定,我们就把它定义为比较恒定的室内环境了。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗温度试验是倒着做的,使用了旋转T码

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掀揭的屋面 | 我们仍在战斗

温度试验的情形

温度试验过程测量到的数据有数十万个,试验证实了一些原来猜测的数据。在有充分约束的时候,金属的热膨胀变形会部分受到控制,内力增加,短时间内不被破坏。这个试验给我们设计屋面工程起到一个启迪的作用。更好指导今后对于薄壁材料的使用受力、防止破坏、保证安全。

裸板对比抗风揭试验

两个对比样板都用铝镁锰合金板,把最常见的梅花头66-400与方头88-400在同一天做了一个抗风揭对比试验,用钢拉铆钉固T码,两个试验都是裸板做不放底下保温和上部装饰,更不作抗风夹等加固措施。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗梅花头试验的风压箱图纸

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗

试验日期2019.4.22日,檩距1200mm,   测试试件抗风承载力值为:-2000Pa。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗方头试验的风压箱图纸

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗

试验日期2019.4.22日,檩距1200mm,   测试试件抗风承载力值为:-3750Pa。

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗做试验时的情形

掀揭的屋面 | 我们仍在战斗屋面破坏时的情形

通过这多次试验,明显看到方头系统的抗风掀揭力几近梅花头的2倍,而且它H88mm的高肋显然比后者的H66mm有效防水高度长了33%。

方头的刚度,又可以作为屋顶檩条,在有需要时支承所需的装饰板。

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当然,无论什么板型,从结构主檩条开始至T码的全部固定,都应该是可靠的栓接或铆接,而且是转接的次数越少来越好,使得构造安全可靠。

这种理性的设计才是一个真正的良心工程师的所为。

 (本文五集完)


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