探索建筑之美，從金屬屋面開始

作者：James 發(fā)布時(shí)間：2024-12-13 點(diǎn)擊數(shù)：

圖1 金屬屋面

金屬屋面，這個(gè)聽起來充滿工業(yè)感的名詞，實(shí)際上蘊(yùn)含著豐富的建筑美學(xué)和實(shí)用價(jià)值。它不僅僅是一種建筑材料，更是一種藝術(shù)表達(dá)，一種對建筑功能性和環(huán)保理念的深刻詮釋。金屬屋面以其耐久性、防水性能、隔熱保溫效果、美觀性、環(huán)保性、防火性能、抗風(fēng)壓能力、安裝便利性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性等多重優(yōu)勢，在現(xiàn)代建筑中扮演著不可或缺的角色。在這篇文章中，我們將深入探討金屬屋面的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期對讀者有所啟發(fā)。

一、金屬屋面荷載效應(yīng)組合原則及構(gòu)造

1、屋面均布活荷載與雪荷載不同時(shí)考慮,應(yīng)取兩者中的較大值；

2、積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中較大值同時(shí)考慮；

3、施工及檢修集中荷載不寫屋面材料及檁條等屋蓋自重以外的其他荷載同時(shí)考慮；

4、金屬屋面構(gòu)造如圖2所示。

（構(gòu)造說明：1-裝飾層；2-龍骨；3-屋面層；4-防水層；5-保溫層；6-保溫支撐層；7-次檁條；8-主檁條；9-吸音層；10-防塵層；11-吊頂層；12-主體鋼結(jié)構(gòu)；13-T型支座；14-夾具；15-U型連接件；16-L型加強(qiáng)角碼）

圖2 金屬屋面三維構(gòu)造

5、金屬屋面典型荷載基本組合：

（1）屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不考慮地震作用時(shí)，且當(dāng)屋面無積灰荷載時(shí):

A.1.3永久荷載+1.5(均布活荷載/雪荷載)+1.5x0.6風(fēng)荷載(向下):

B.1.3永久荷載+1.5風(fēng)荷載(壓力)+1.5x0.7(均布活荷載/雪荷載)(向下):

C.1.0永久荷載一1.5風(fēng)荷載(向上)。

（2）當(dāng)屋面有積灰荷載時(shí):

A.1.3永久荷載+1.5積灰荷載+1.5x0.6風(fēng)荷載(壓力)十1.5x0.7(均布活荷載/雪荷載)(向下);

B.1.0永久荷載一1.5風(fēng)荷載(吸力)(向上)。

二、金屬屋面檁條相關(guān)造要求

1、檁條的間距一般控制在1.0~1.5米之間，常用的間距有1.2、1.4、1.5米。檁條間距不宜超過1.5米；對于屋面荷載較大的部位（即風(fēng)氣流分離、渦旋等部位，例如高低垮處、檐口、屋脊等），局部檁條間距可以小于1米（即須加密布置），此時(shí)考慮最不利原則，屋面恒載宜取0.2KN/㎡（較小值），風(fēng)壓體型取-2.2（較大值）；

2、實(shí)腹式檁條跨度大于4m時(shí)，在受壓翼緣應(yīng)設(shè)置拉條或撐桿，拉條和撐桿的截面應(yīng)按計(jì)算確定，圓鋼拉條直徑不宜小于10mm，撐桿的長細(xì)比不得大于 200，當(dāng)條上、下翼緣表面均設(shè)置壓型鋼板，并與檁條牢固連接時(shí)，可不設(shè)拉條和撐桿；

關(guān)于拉條設(shè)置：當(dāng)檁條跨度≤4米時(shí)，一般不設(shè)置拉條；當(dāng)檁條跨度>4米、≤6米時(shí)，一般在檁條跨中設(shè)置一道拉條；當(dāng)檁條跨度>6米、≤9米時(shí)，一般設(shè)置兩道拉條（三分點(diǎn)處）；當(dāng)檁條跨度為12米時(shí)，一般設(shè)置三道拉條。拉條均為雙層拉條，同時(shí)約束檁條上、下翼緣。

3、利用檁條作為水平支撐壓桿時(shí)，其長細(xì)比不得大于200，并應(yīng)按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4、檁條撓度控制要求：檁條僅支承壓型鋼板屋面時(shí)，撓度控制為l/200；檁條下設(shè)有吊頂時(shí)，撓度控制為l/240，幕墻上鋼支承構(gòu)件統(tǒng)一按l/250考慮也可以更嚴(yán)格。

5、檁條搭接長度的取值：檁條搭接長度取跨長的10%（兩邊各5%），9米跨度一般取500mm，12米跨度一般取600mm。

6、檁條的截面選擇：設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)截面，常用的標(biāo)準(zhǔn)截面高度有：200、220、250mm，常用的標(biāo)準(zhǔn)截面厚度有2.0、2.2、2.5mm。（標(biāo)準(zhǔn)截面詳見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》）

注意：非標(biāo)準(zhǔn)截面的截面厚度不得大3.0mm；非標(biāo)準(zhǔn)截面的截面高度不宜大于280mm，若高度大于280mm，須采用加強(qiáng)措施，避免檁條側(cè)向失穩(wěn)。

7、屋面恒荷載取值建議：一般在0.2kN/㎡～0.3kN/㎡左右。（有特殊使用要求時(shí)按實(shí)際構(gòu)造分層累計(jì)計(jì)算，有吊頂?shù)膹S房，需要計(jì)算吊頂重量（及風(fēng)機(jī)盤管、燈具、飾品、橋架等重量），然后疊加到屋面自重中。）

三、金屬屋面T型支座相關(guān)設(shè)計(jì)

1、T形支座截面形狀至關(guān)重要，一些工程出現(xiàn)風(fēng)掀破壞，和T形支座截面設(shè)計(jì)有一定關(guān)聯(lián)，主要是未設(shè)防退溝槽或根本沒有防退溝槽。固定支座高度可根據(jù)構(gòu)造要求選擇，常用的為：81mm、106mm、116mm及156mm，支座下帶6mm厚隔熱墊。標(biāo)準(zhǔn)支座寬度為58mm；雙寬支座寬度為116mm；

2、T形支座是屋面與檁條或其他支承結(jié)構(gòu)間的關(guān)鍵傳力構(gòu)件，材料牌號6061-T6，上部端頭形狀要有利于同左、右板的大、小耳邊在此咬合緊密而抗風(fēng)吸力，防止拉脫，應(yīng)視屋面及墻面的不同外形進(jìn)行分區(qū)域配置，布置方式有對角線布置、垂直布置、環(huán)向布置等多種方式；T型支座在板長和板寬方向的間距同抗風(fēng)揭力有關(guān)在檐口、山墻、屋脊、高低跨、角部、山墻轉(zhuǎn)角等風(fēng)荷載敏感區(qū)域屋面的抗負(fù)風(fēng)壓性能主要由該構(gòu)件承擔(dān)，因此其數(shù)量應(yīng)滿足要求。

通常T型支座間距應(yīng)通過計(jì)算確定，必要時(shí)通過實(shí)驗(yàn)確定；當(dāng)檁條間距減小的同時(shí)，T型支座也隨之適當(dāng)加密。當(dāng)T型支座固定在鋼或鋁檁條、墻架上時(shí)，底板下面設(shè)隔熱墊，以防冷(熱)橋的形成。固定用不銹鋼自攻螺釘?shù)闹睆郊墧?shù)>12(4.87mm)，其數(shù)量不得少于2顆，并經(jīng)抗風(fēng)揭強(qiáng)度驗(yàn)算保證有>1.5的安全系數(shù)。T型支座上端梅花頭的方向要順著小耳邊的內(nèi)溝槽排列，防止溫度伸縮將小耳邊磨穿，

3、T形支座應(yīng)與構(gòu)造用檁條直接相連，不應(yīng)與輔助檁條相連接，這樣才能達(dá)到可靠傳力的目的；

4、卡接件與T形支座位置重疊，連接后T形支座與屋面間不易發(fā)生滑動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象或產(chǎn)生較大磨損，一般可以采用橋接；

5、對于大跨度屋面，屋面板和T形支座間的滑動(dòng)量較大，因此容易使板材折彎部位與T支座直接接觸、摩擦，最后磨穿，導(dǎo)致漏水。因此應(yīng)采取措施，避免相互摩擦。

6、關(guān)于金屬屋面T型支座結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化夾具位置的探討：金屬屋面板扣接T型支座存在連接有實(shí)有虛的現(xiàn)象，鋁板搭接位置再上夾具時(shí)結(jié)構(gòu)上有討論應(yīng)該夾在哪個(gè)位置，有的說夾到T型支座處更為牢固更好，實(shí)際上這個(gè)說法也對也不對，對在于確實(shí)更為牢固，但問題是這樣做并未考慮溫度作用產(chǎn)生的效應(yīng)，在溫度作用下金屬屋面板需要伸縮，如果夾具夾住T型支座會(huì)導(dǎo)致限值板面的收縮變化，嚴(yán)重甚至摩擦撕裂屋面板導(dǎo)致漏水隱患，正確的做法建議放到T型支座附近處更好，連接強(qiáng)度比較好且不影響板面的變形，不會(huì)阻礙板面溫度應(yīng)力的釋放；

7、設(shè)計(jì)和施工均要十分重視直立鎖邊壓型鋁板在固定座上端頭部的咬合，因?yàn)檫@是鎖邊咬合抵抗風(fēng)的吸力，防止壓型鋁板大、小耳邊從固定座端頭松脫的重要保障，常見的一些咬合缺陷如圖3所示；鎖邊咬合經(jīng)過人工夾鉗咬合、行進(jìn)式電動(dòng)鎖邊咬合機(jī)兩道咬合工序。需對鉗口尺寸、鎖邊咬合輥輪間距，要經(jīng)兩次以上調(diào)整，以達(dá)到最終耳邊外形直徑尺寸的要求，并經(jīng)自檢和抽檢合格，以確保連接咬合強(qiáng)度；

圖3 支座/屋面板咬合缺陷示意

8、根據(jù)以往的鋁鎂錳真立鎖邊屋面抗風(fēng)揭測試報(bào)告，每個(gè)T型支座與鋁鎂錳金屬屋面咬合力在0.8~1.28kN，設(shè)計(jì)階段暫可考電按照1kN考慮并預(yù)留一定安全余量后續(xù)通過抗風(fēng)揭測試驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，并根據(jù)測試結(jié)果對設(shè)計(jì)文件進(jìn)行加強(qiáng)或優(yōu)化，抗風(fēng)揭測試應(yīng)在施工前完成。

9、T型支座連接件及數(shù)量要求：

四、壓型鋁板設(shè)計(jì)相關(guān)要求

1、目前業(yè)內(nèi)壓型鋁板屋面及墻面工程常用牌號、狀態(tài)及規(guī)格、卷心內(nèi)徑等。

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牌號:3004、5754；狀態(tài):H42、H44、H46、H48；其中3004為鋁錳合金板，牌號5754、5005、5050、5052等為鋁鎂合金板，初期大多選用前者，后者由于因強(qiáng)度高、更耐腐蝕，常被設(shè)計(jì)使用年限≥50年的大型公共建筑屋面及墻面所選用，且有逐年增長應(yīng)用的趨勢。

規(guī)格：厚0.9~1.2；寬:473~787(厚度、板型不同而異,見D28)壓型鋁板用帶材的卷心內(nèi)徑505，重量≤5.0t;

各種斷面異形板厚≥0.9(宜比壓型鋁板厚0.1~0.2)：天溝板厚1.0~3.0，用板、帶材均可。

2、對大型重要公共建筑，要優(yōu)先選用鋁鎂合金彩色涂層板、帶材，并正確選擇板型和厚度，牌號5xxx系列的鋁鎂合金板，Rp0.2值(規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f比3xxx系列的鋁錳合金板提高10%~15%，有利于提高鎖邊咬合抗拉脫,鎖到位而不開裂。對中小型一般的公共建筑，可選用牌號3xxx系列的鋁錳合金系列涂層板、帶材，適當(dāng)增加板厚有利于抗風(fēng)性能提高。

3、鋁合金板牌號選擇時(shí)，要同建筑使用年限相協(xié)調(diào)，當(dāng)屋面及墻面使用年限≥40年時(shí)，宜采用鋁鎂合金板(5xxx系列)，當(dāng)屋面及墻面使用年限在20~40年時(shí)，宜采用鋁錳合金板(3xxx)系列。狀態(tài)為H42~H48，板厚：屋面板t>0.9，墻面板>0.6，吊頂板和內(nèi)墻面板t≥0.5，實(shí)際選用中，板厚有逐漸增加的趨勢。

4、壓型鋁板用板材力學(xué)性能:R≥200,Rp0.2>185,斷后伸長率As0mm>3%，屋面及墻面工程用料實(shí)例：

5、常用板型：直板板型肋高一般為65mm，常用的板寬有300mm、400 mm及500mm（圖9）。其中板寬300mm的在屋面荷載較大時(shí)使用；400mm的為常用、經(jīng)濟(jì)型的；500mm的為屋面板本身最經(jīng)濟(jì)的板型，但下部檁條間距小，且需采取適當(dāng)措施防止板變形。