大跨度金属屋面风荷载特性和抗风承载力研究进展综述
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摘 要 随着科技的发展，建筑领域也引进了很多先进的技术。本文就金属屋面进行研究，金属屋面具有造型美观、制作方便、满足各类建筑屋面形式的需求等优势，自从20世纪70年代开始在欧洲、北美等地区建筑工程中使用，经过30多年发展，已广泛应用于各种工业、商业、民用建筑中，如高铁火车站、体育场馆、工业厂房、仓库、机场航站楼等。此类结构抵御强风作用的能力关系到建筑屋面系统的安全性，对结构的安全影响重大。
关键词 大跨度金属屋面；风荷载特性；抗风承载力
引言
近年频发大跨度金属屋面风灾事故，使得此类结构的风灾问题备受关注。造成风灾的原因有很多，主要包括屋面风荷载被低估，未考虑脉动风所引起的屋面疲劳效应，风敏感性气动外形引起的高负压和必要控制措施的缺失，屋面抗风设计及施工缺陷等[1]。
1 金属屋面的抗风承载力
金属屋面种类繁多，包括自攻螺钉连接、直立锁缝（咬边）连接和直立锁边连接三种。关于金属屋面抗风承载力的研究，主要采用物理试验、有限元数值模拟以及简化的理论分析等方法。物理试验是屋面抗风承载力研究的主要方法，试验方法经历了从堆沙、砖块模拟风压作用，到气囊方法以及最新的空气压力箱方法的发展过程。试验结果可以验证数值模拟结果的准确性，是屋面抗风设计的主要依据。在得到物理试验验证的基础上，可以采用数值模拟方法进行参数分析，并研究屋面板的破坏规律以及进一步分析总结屋面的设计准则[2]。
对于直立锁边金属屋面板，采用屋面板和支座咬合连接固定屋面板，可以避免自攻螺钉固定压型金属板打孔造成的渗漏问题。这种形式屋面的抗风能力主要取决于板与支座的咬合强度，当咬合强度不足时，屋面板与支座脱开导致屋面失效，提高其抗风承载力需重点考虑板与支座的咬合强度。对于直立锁边屋面体系的研究，主要采用试验测定和数值模拟两种方法。目前，国内外关于该体系的受力性能研究取得了一定的成果，但是大多有限元模型模拟接触时较困难，计算结果和试验结果仍存在不可忽视的偏差。金属屋面的抗风承载力设计中，物理试验方法是较直接和有效的方法，但试验方法难以开展对比、参数化研究和用于评价特殊的局部高负压区域的屋面抗风承载力研究；数值模擬则具有较大的灵活性，但建模较为复杂，具有一定难度。压力箱的试验结果和有限元分析的结果尽管在规律上吻合，但两者之间存在一定差别。以上所述的锁边屋面的有限元模拟和试验结果存在较大偏差，除了与非线性接触模拟的准确性和大变形问题有关之外，还与屋面两个方向的刚度相差较大有关。数值方法存在的上述问题不仅会影响屋面抗风承载力评价的准确性，还会进一步影响后续屋面风致疲劳估计的可靠性。
2 典型工程实例
以某体育馆为例进一步说明金属屋面系统存在的问题和抗风设计方法。该工程所采用的屋面即为直立锁边金属屋面，当遭受台风侵袭时，其屋顶两个顶拱之间的屋面发生大面积风揭破坏[3]。
对该工程进行了抗风性能研究，并进行了风洞试验，发现该建筑屋面的风敏感区域在两根拱形钢架围成的中间区域，采用200年重现期基本风压计算的屋面最大负压值为-4.33kPa。高负压区域和风损位置两者具有较强的相关性。而事实上，根据澳门机场的气象记录，台风“韦森特”过境时风速仪记录到的最大风速10min平均风速仅为24.7m/s，远没有达到澳门地区的50年重现期风速。
后续的大尺寸空气压力箱试验表明，该屋面的原始设计方案可经受高达-6kPa的静风压作用，该值远超过由试验得到的200年重现期的-4.33kPa的负压值，但在动态风荷载试验中显示，该屋面在2.5kPa风压的持续作用下发生了破坏，这与该建筑屋面在更低风速作用下发生破坏的现象相符。这也表明，静压试验不能完全保证金属屋面的安全性，应考虑风压的脉动效应对金属屋面疲劳效应的影响。
在修复方案设计中，采用加密檩条和增加抗风夹等措施，并进行了动态抗风试验的检测，修复后的屋面系统经受了两次台风的考验。相比在第一次台风中量直立锁边屋面（包括已采用抗风夹）系统发生风损情况，说明经过可靠有效的抗风设计，直立锁边形式依然可以用于台风地区的金属屋面设计。
需要说明的是，第一次台风中，记录得到的最大平均10min风速为32.4m/s。气象局在位于保税区的气象站测得的最大10min平均风速为29.5m/s，阵风风速达56.2m/s，相应阵风系数高达3.63，远超过我国现行建筑结构荷载规范的取值规定。阵风风速高是此次台风的特征，也是导致大量屋面等围护结构破损的主要原因，而我国现行建筑结构荷载规范以及已在报批阶段的《屋面风荷载规范》均是基于10min平均时距的基本风压作为参考值。采用这种方法可能会低估围护结构的风压值而较难解释此次台风所造成的大量屋面及围护结构破坏的问题，而采用基于阵风风压方法描述屋面风压分布特征更为合理，该方法和GB50009-2012《建筑结构荷载规范》所用方法结果的差异和相容性还需做进一步的研究和评价[4]。
3 结束语
研究不同类型金属屋面的抗风承载能力，提高数值模拟方法的精度并通过物理试验的对比验证，进行规模性的参数分析，进一步总结金属屋面抗风承载力的一般规律，提出提高屋面抗风承载能力的建议。建立考虑风速风向联合分布模型的实际建筑金属屋面板在设计寿命内的损伤累积估计方法，进一步研究屋面最大极值负压对屋面累积损伤的敏感性。通过实例分析表明，对于具有高风损风险直立锁边形式的金属屋面，经过可靠有效的抗风设计，依然可以用于台风地区。
参考文献
[1] 张耕.大型公共建筑直立锁边金属屋面抗风揭加固方法探析[J].工程建设与设计，2017，（21）：28-32.
[2] 梁静波，汪新.某体育馆屋面风灾事故调查分析[J].广东土木与建筑，2009，（12）：11-14.
[3] 应晓捷，钟俊浩.海口琼台师专体育馆金属屋面破坏原因分析及加固措施[J].中国建筑防水，2015，（11）：14-17.
[4] 佚名.台风"莫兰蒂"登陆厦门机场受损严重[Z/OL].http：//news.163.com/16/0915/12/C10MKP8Q0001124J.html ，2016-09-15.
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