张驰，高建发，王静峰 （.上海精锐金属建筑系统有限公司，上海 000；.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 30009）

0 前言

随着我国经济实力的不断增强和城市基础设施建设的迅猛发展，大跨空间结构广泛应用于公共建筑、交通枢纽、体育场馆等大型建筑中。直立锁边金属屋面是基于直立锁边咬合设计的特殊板形的金属屋面，这种板块的咬合过程无须人力，完全由机械自动完成，且在屋面上看不见任何穿孔，整体性较好。因此其与传统屋面相比具有自重轻、耐久性强、经济性高、防水性好、安装便捷和外观适应性强等优点。同时，直立锁边金属屋面系统具有完整、齐全的附件供应，可满足各种建筑形式的要求，逐渐成为住宅、商用建筑及公用建筑主流的选择。

但是直立锁边金属屋面板轻柔、机械咬合连接的特点，导致其抗风揭性能相对较差，近些年直立锁边金属屋面的应用事故频出。如武汉天河机场二期主航站楼屋面被短时大风破坏、泉州火车站的直立锁边金属屋面被“莫兰蒂”台风两次揭起、南昌的昌北机场T2 航站楼屋檐区域屋面板被突遇大风掀开以及北京T3 航站楼的三次风揭破坏等，这极大地阻碍了直立锁边金属屋面系统在我国的应用和发展[1]。

图1 直立锁边金属屋面系统的典型破坏事故

一系列的直立锁边金属屋面系统的破坏事故表明，直立锁边金属屋面系统的破坏一般是由咬合处的承载力不足造成的。但是传统的屋面设计方法主要关注屋面自身的承载性能，对屋面板支座咬合处的承载能力关注较少，导致目前对于屋面破坏时的受力机理认识仍不够清晰，相关的设计方法以及施工规范条文仍不够完备。因此需要总结直立锁边金属屋面连接形式、抗风性能的研究进展及设计方法，找出其中存在的关键问题，为下一步研究指明方向。

1 直立锁边金属屋面系统的组成与连接形式

直立锁边金属屋面系统包括直立锁边板，连接直立锁边板与下部结构檩条的固定支座，板下的保温层、隔汽层等，其构造示意图如图2所示。

图2 直立锁边金属屋面系统的构造

直立锁边金属屋面系统发展至今已有近80年的历史，在这些年的发展历程中，创造了许多种不同的直立锁边金属屋面板与支座的连接形式。目前比较常用的连接形式有两种，即支座咬合连接以及卷边锁缝连接，两种连接形式如图3所示[2]。

图3 两种直立锁边支座连接形式示意图

支座咬合连接是指用直立锁边机将金属屋面板的公母边与T 形码支座端头锁边相连。常用的T 形码支座为梅花头支座，这种支座可以有效防止雨水的进入，此外还有圆形头、方形头、半圆头和三角头等T形码支座[3]（见图4）。这种连接形式现场锁缝的工作量较小、施工比较方便、施工适用性强，但是由于其先天的受力缺陷，只能通过在锁缝外增加抗风夹具来提升抗风揭的性能。同时较弱的塑性变形能力也会导致锁边能力下降，所以一般在气候单一的地区使用较多。

图4 不同的T形码支座

卷边锁缝连接是指将金属屋面板的纵边搭接后，使用直立锁边机将屋面板沿长度方向卷边咬合并利用固定支座将其连接到主体结构上。常用的卷边形式为360°锁缝，此外为了提供更强的锁缝握裹力，改善温度变形过大以及渗漏的问题，还创造了其它的卷边形式，如450°锁缝和540°锁缝[4]（见图5）。这种连接形式咬合面积更大、咬合能力更强、防水性也更好，但是目前对于这种连接形式下支座的实际受力作用机理研究比较模糊，还未能有系统的理论成果，所以工程实际中应用并不是很多。

图5 不同的锁缝构造

2 直立锁边金属屋面系统抗风揭性能试验研究

目前国际上对于直立锁边金属屋面系统抗风性能常用检测方法主要有美国的ASTM E 1592-2005[5]、ANSI/FM4-474-2004[6]、UL580-2006[7]和加拿大的CSA A123.21[8]。而我国目前采用的《单层卷材屋面系统抗风揭试验方法》（GB 31543-2015）[9]里面所规定的抗风揭试验方法便是参考了UL580-2006[7]。

这些抗风揭试验方法的加载方式和器材都略有不同，但是其核心的原理都是一致的，即利用已有器材对试件施加均匀荷载，对试件的变形以及连接件的固定状况等进行综合评估。在抗风揭试验中，保证其准确性的关键点就是要模拟出真实的均匀风压，最早采用的水袋、沙袋以及后来的气囊、磁吸均无法完美模拟出实际自然环境中风压的均匀性，故目前多采用空气箱压力法来模拟实际环境。

从试验方法上来看，抗风揭试验方法主要有静态的抗风揭拉拔测试方法、静态正压或负压抗风揭测试方法以及动态负压抗风揭测试方法（见图6），这些方法的主要差别在于起始荷载等级与相邻荷载等级之间的增幅不一致，即加载制度的不同。从适用范围上来看，静态的抗风揭拉拔测试方法适用于各部件互相粘接的屋面系统，静态正压或负压抗风揭测试方法适用于装配式屋面或者结构混凝土屋面，而动态负压抗风揭测试方法适用于现浇混凝土屋面或者装配式机械固定单层屋面系统[9]。

图6 《单层卷材屋面系统抗风揭试验方法》抗风揭试验装置图

国外关于直立锁边金属屋面系统抗风揭试验研究开始的比较早，如Serrette R 等[10]对直立锁边金属屋面板的抗扭转屈曲承载力进行了全尺寸试验研究，并且提出了直立锁缝金属屋面抗扭转屈曲承载力的计算方法，这一方法在如今的大多数规范中仍被采用；Habte 等[11]通过对两种不同咬合形式的直立锁边金属屋面进行多次全尺寸抗风揭试验，分析了板型以及屋檐附件对风吸力的影响，得出直立锁边金属屋面破坏的原因是锁边处承载力不足，此外还提出了支座拔出、锁缝处脱扣等破坏模式。除此之外，在动态加载方面，Surry D 等[12]进行了低矮房屋的风洞试验，验证了某些简单失效模式的正确性。

国内对于直立锁边金属屋面抗风揭试验也取得了一定的进步。王静峰等[13]采用反向沙袋堆载法对760 型直立锁边金属屋面板进行了整体抗风揭试验，分析了该类型屋面板在风吸荷载下的抗风承载力、荷载-挠度变形曲线等，并研究了采用自攻螺钉、夹具、垫片等加固措施对屋面板承载力和破坏形式的影响；刘军进等[14]采用FM标准静态正压测试法进行抗风揭试验，得出了直立锁边金属屋面的破坏是由于锁边咬合处的脱开造成的，同时锁边咬合处初始缝隙的缺陷会显著降低直立锁边金属屋面的抗风揭能力；于敬海等[15]进行了直立锁边金属屋面系统关键节点的抗风承载力研究，发现节点破坏模式有固定支座底板被拉弯、自攻螺钉被拉出和自攻螺钉在螺帽处被拉断。动态加载方面，余志敏[16]采用动态负风压循环加载方法进行了直立锁边金属屋面系统的风揭试验，发现了直立锁边金属屋面系统在动态风荷载作用下的阶段式响应机制，并研究了有无抗风夹具、板宽、檩条间距等因素对屋面系统抗风承载力的影响。

通过对比国内外试验研究可以发现，支座左右两边的金属屋面板在负风压作用下咬合承载力不足才是导致直立锁边金属屋面系统破坏的主要原因。此外，在动态加载方面，国内研究起步比较晚，相关成果较少，缺少动态风荷载下的力学性能研究。

3 直立锁边金属屋面系统抗风揭性能数值模拟

由于直立锁边金属屋面系统的板型多样、相关参数众多，虽然单纯通过抗风揭试验可以确定金属屋面的抗风极限承载力，但是对于不同类型、不同尺寸的屋面系统均需单独开展抗风揭试验来进行相关受力性能的测定，耗费大量的人力、物力与时间。为了简化试验带来的庞大工作量，越来越多的学者开始把有限元模拟作为直立锁边金属屋面系统抗风性能研究的重要手段之一。

Damatty A.A.E 等[17]通过等效弹簧模型建立了直立锁边金属屋面抗风吸足尺模型，对直立锁边金属屋面的抗风承载力进行了研究，分析了其在荷载作用下的变形，并将有限元分析结果同密西西比大学的试验结果进行对比，发现有限元结果同试验结果较吻合；Ali Hosam M 等[18]则利用接触单元来建立直立锁边铝合金屋面的详细模型，确定了该类屋面系统的振型、固有频率以及在动载下的动力特性；Díaz J J D C 等[19]通过有限元模拟的方式研究了金属屋面的风压分布情况，并与风洞试验结果进行对比研究，得出金属屋面上表面的吸力在横向气流情况下最不利的结论。

虽然国外的学者在直立锁边金属屋面系统的模拟研究方面已经取得了一定的成果，但是由于国内外直立锁边屋面接缝形式存在较大差异（比如大小耳边的卷边连接方式就是我国所特有的，无法直接套用国外的组件试验数据），所以在这个前提下，国内学者也进行了诸多独立的数值模拟分析。

石景等[20]建立了直立锁边金属屋面板的三维模型，并将模拟结果与试验结果对比，证实了用等效弹簧模拟研究直立锁边金属屋面板的抗风性能的可靠性。陈玉[21]采用简化模型的方法对直立锁边金属屋面系统进行了模拟，后经过精细化建模，如图7 所示，分析了檩条间距、摩擦系数、支座梅花头的宽度等因素对于直立锁边金属屋面抗风揭静力性能的影响，并对欧洲规范做出了补充。刘威[22]对带抗风夹的直立锁边金属屋面系统进行多工况的静力反向堆载试验，并进行了大量有限元模拟分析，研究了板宽、板厚、抗风夹间距等因素对抗风承载力的影响，发现带抗风夹的直立锁边金属屋面系统的破坏模式只有两种，即脱扣破坏和撕裂破坏，并提出了判断其破坏模式的依据。

图7 陈玉有限元模型

通过对比国内外模拟研究可以发现，对直立锁边金属屋面系统抗风性能进行数值模拟的难点主要是如何准确模拟出锁边连接部分的接触关系。大多数模拟研究采用弹簧模拟屋面板与支座间的接触效果，这种模拟可以大大减少模型的计算量，保证模型的收敛性，但是这与实际工程中屋面板与支座间复杂的接触效果差异较大，而且在模拟过程中，弹簧的刚度需通过相关经验或试验确定，对模拟结果的可信度和便捷性均有一定的影响。现在已有少数模拟研究引入了接触单元，这种模拟可以较好的还原整个受力过程以及准确地进行卷边部位局部参量规律分析，但是模型收敛性较差，计算比较复杂。所以在进行直立锁边金属屋面系统抗风性能数值模拟时，可以将两种方法互相验证，保证结果的可靠性。

4 直立锁边金属屋面系统抗风揭性能设计方法

直立锁边金属屋面系统发展至今，各国基本上都已经有了相关的规范，其中中国相关规范有《铝合金结构设计规范》（GB 50429-2007）[23]、《采光顶与金属屋面技术规程》（J14 10-2012）[24]、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2016）[25]，欧洲的则是《Design of aluminium structures》[26-27]和《Design of steel structures》[28]。

对于直立锁边金属屋面系统抗风揭性能的计算，目前各国的规范中尚无关于支座附近咬合状态的计算规定，相关的破坏准则均是将脱扣破坏转化为强度破坏的问题，在现行的关于直立锁边金属屋面系统的设计规范中，主要需要考虑的内容有金属屋面板的强度验算、金属屋面板的刚度验算、支座的稳定性验算和支座的强度验算。

4.1 金属屋面板的强度验算

在直立锁边金属屋面系统抗风揭性能的计算中，最为核心的是金属屋面板的强度验算，其一般是由屋面板受弯承载力验算、腹板抗剪切屈曲验算、支座处腹板局部受压承载力验算和承受联合作用截面的验算四部分组成。

4.1.1 金属屋面板的强度验算

相关规范中均规定直立锁边型金属屋面板强度应按受弯构件进行计算，但是中国和欧洲在金属屋面板的受弯承载力验算上采用的计算方法略有不同。其中，中国规范仅考虑弹性阶段，其受弯承载力公式如下所示：

式中：M 为截面所承受的最大弯矩；Mu为截面的弯曲承载力设计值；We为有效截面模量；f为材料强度设计值。

欧洲规范中则考虑了构件的塑性作用，其受弯承载力计算公式如下：

式中：We为有效截面模量；f0为屋面板强度设计值；γM0为截面不稳定抵抗分项系数；We1为弹性时截面模量；Wp1为塑性时截面模量；λ、λe1为相关柔度系数，与支撑条件有关。

4.1.2 腹板抗剪切屈曲验算

对于腹板抗剪切屈曲验算，中国规范直接根据材料性质不同给出不同的规定。对于钢面板，抗剪切屈曲验算规定为：

式中：h/t 为腹板高厚比；τ 为腹板的平均剪应力；τcr为腹板的剪切屈曲临界应力；fv为抗剪强度设计值。

欧洲规范考虑了屈曲的影响，其给出的计算公式为：

Vb,Rd=(hw/sinφ)tfbv γM0

式中：Vb,Rd为剪力设计值；fbv为考虑屈曲的抗剪强度值，与屋面板柔度有关；hw为法兰中线之间的腹板高度；φ 为腹板相对于法兰的角度。

4.1.3 支座处腹板局部受压承载力验算

对于支座处腹板局部受压承载力验算，中国规范给出的计算公式为：

式中：R 为支座反力；Rw为腹板的局部受压承载力设计值；lc为支座处的支承长度；θ为腹板倾角，范围是45°～90°。

欧洲规范考虑了分项系数的影响，给出的计算公式为：

式中：Rw,Rd为支座处腹板局部承压力设计值；αw为系数，根据支座位置不同取值；r为边角内半径；la为有效支承长度。

4.1.4 承受联合作用截面的验算

屋面板承受联合作用截面的验算主要有同时承受弯矩M和支座反力R截面的验算以及同时承载弯矩M 和剪力V截面的验算。对于同时承载弯矩M 和支座反力R 的截面，中国与欧洲规范规定一致，对于钢屋面板应满足：

式中：M 为截面所承受的最大弯矩；Mu为截面的弯曲承载力设计值；R 为腹板所承受的最大承载力；Rw为腹板的局部受压承载力设计值。

对于金属屋面板同时承受弯矩M和剪力V 的截面，中国和欧洲规范均采用Stephen P.Timoshenko[29]的弹性稳定理论进行验算：

式中：M 为截面所承受的最大弯矩；Mu为截面的弯曲承载力设计值；V 为腹板所承受的剪力；Vu为腹板的受剪承载力设计值。

4.2 金属屋面板的刚度验算

对于金属屋面板的刚度验算，中欧规范均规定可通过挠跨比作为正常使用状态的衡量尺度，即屋面板刚度应该满足下式：

式中：ω 为屋面板跨中最大挠度；[ωT]为挠度容许值；L 为檩条间距；I 为屋面板截面惯性矩。

4.3 支座的稳定性验算

对于金属屋面板T 形支座的稳定性计算，欧洲规范中未查阅到明确规定，而中国规范中一般将其简化为等截面柱模型，如图8 所示，其给出的计算公式如下：

图8 支座的简化模型

式中：R 为支座反力；φ为轴心受压构件的稳定系数；A 为毛截面面积；t 为支座的等效厚度，按（t1+t2）/2 取值，t1为支座腹板最小厚度，t2为支座腹板最大厚度；Ls为支座计算长度；u 为支座计算长度系数。

4.4 支座的强度验算

对于金属屋面板T 形支座的强度计算，欧洲规范中未查阅到明确规定，而中国规范规定计算公式如下：

式中：σ 为正应力设计值；R 为支座反力；Aen为有效净截面面积；f 为支座的材料的抗拉和抗压设计值；t1为支座腹板的最小厚度；Ls为支座长度。

通过对比国内外规范可以发现，在众多规范中，中国和欧洲的规范适用性比较强，都是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式来进行计算直立锁边屋面系统的抗风承载力数值，两者公式的差别主要在于考虑的分项系数不同，但是原理一致。

5 结论

①直立锁边金属屋面的支座形式包括支座咬合连接和卷边锁缝连接，且支座咬合连接应用最为广泛；

②抗风揭试验方法主要包括静态抗风揭拉拔测试方法、静态正压或负压抗风揭测试方法以及动态负压抗风揭测试方法，其中静态负压抗风揭试验方法应用最广，研究表明咬合处承载力不足是导致直立锁边金属屋面抗风揭破坏的主要原因；

③对直立锁边金属屋面系统抗风性能进行数值模拟时，锁边连接部分采用弹簧模拟或者引入接触单元各有优劣，可以同时采用两种方法，互为补充，从而保证结果的可靠性；

④目前各国规范主要关注金属屋面板本身承载性能，对支座节点咬合承载能力尚无清晰规定，极大影响了直立锁边金属屋面系统的设计可靠性。