English探索建筑之美，從金屬屋面開始
圖1 金屬屋面
金屬屋面，這個聽起來充滿工業感的名詞，實際上蘊含著豐富的建筑美學和實用價值。它不僅僅是一種建筑材料，更是一種藝術表達，一種對建筑功能性和環保理念的深刻詮釋。金屬屋面以其耐久性、防水性能、隔熱保溫效果、美觀性、環保性、防火性能、抗風壓能力、安裝便利性、經濟性和適應性等多重優勢，在現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結構設計要點，以期對讀者有所啟發。
一、金屬屋面荷載效應組合原則及構造
1、屋面均布活荷載與雪荷載不同時考慮,應取兩者中的較大值；
2、積灰荷載應與雪荷載或屋面均布活荷載中較大值同時考慮；
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考慮；
4、金屬屋面構造如圖2所示。
（構造說明：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-主體鋼結構；13-T型支座；14-夾具；15-U型連接件；16-L型加強角碼）
圖2 金屬屋面三維構造
5、金屬屋面典型荷載基本組合：
（1）屋面圍護結構和構件不考慮地震作用時，且當屋面無積灰荷載時:
A.1.3永久荷載+1.5(均布活荷載/雪荷載)+1.5x0.6風荷載(向下):
B.1.3永久荷載+1.5風荷載(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風荷載(向上)。
（2）當屋面有積灰荷載時:
A.1.3永久荷載+1.5積灰荷載+1.5x0.6風荷載(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風荷載(吸力)(向上)。
二、金屬屋面檁條相關造要求
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），此時考慮最不利原則，屋面恒載宜取0.2KN/㎡（較小值），風壓體型取-2.2（較大值）；
2、實腹式檁條跨度大于4m時，在受壓翼緣應設置拉條或撐桿，拉條和撐桿的截面應按計算確定，圓鋼拉條直徑不宜小于10mm，撐桿的長細比不得大于 200，當條上、下翼緣表面均設置壓型鋼板，并與檁條牢固連接時，可不設拉條和撐桿；
關于拉條設置：當檁條跨度≤4米時，一般不設置拉條；當檁條跨度>4米、≤6米時，一般在檁條跨中設置一道拉條；當檁條跨度>6米、≤9米時，一般設置兩道拉條（三分點處）；當檁條跨度為12米時，一般設置三道拉條。拉條均為雙層拉條，同時約束檁條上、下翼緣。
3、利用檁條作為水平支撐壓桿時，其長細比不得大于200，并應按壓彎構件驗算其強度和穩定性。
4、檁條撓度控制要求：檁條僅支承壓型鋼板屋面時，撓度控制為l/200；檁條下設有吊頂時，撓度控制為l/240，幕墻上鋼支承構件統一按l/250考慮也可以更嚴格。
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：設計時盡量選擇標準截面，常用的標準截面高度有：200、220、250mm，常用的標準截面厚度有2.0、2.2、2.5mm。（標準截面詳見《鋼結構設計手冊》和《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》）
注意：非標準截面的截面厚度不得大3.0mm；非標準截面的截面高度不宜大于280mm，若高度大于280mm，須采用加強措施，避免檁條側向失穩。
7、屋面恒荷載取值建議：一般在0.2kN/㎡～0.3kN/㎡左右。（有特殊使用要求時按實際構造分層累計計算，有吊頂的廠房，需要計算吊頂重量（及風機盤管、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型支座相關設計
1、T形支座截面形狀至關重要，一些工程出現風掀破壞，和T形支座截面設計有一定關聯，主要是未設防退溝槽或根本沒有防退溝槽。固定支座高度可根據構造要求選擇，常用的為：81mm、106mm、116mm及156mm，支座下帶6mm厚隔熱墊。標準支座寬度為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構間的關鍵傳力構件，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吸力，防止拉脫，應視屋面及墻面的不同外形進行分區域配置，布置方式有對角線布置、垂直布置、環向布置等多種方式；T型支座在板長和板寬方向的間距同抗風揭力有關在檐口、山墻、屋脊、高低跨、角部、山墻轉角等風荷載敏感區域屋面的抗負風壓性能主要由該構件承擔，因此其數量應滿足要求。
通常T型支座間距應通過計算確定，必要時通過實驗確定；當檁條間距減小的同時，T型支座也隨之適當加密。當T型支座固定在鋼或鋁檁條、墻架上時，底板下面設隔熱墊，以防冷(熱)橋的形成。固定用不銹鋼自攻螺釘的直徑級數>12(4.87mm)，其數量不得少于2顆，并經抗風揭強度驗算保證有>1.5的安全系數。T型支座上端梅花頭的方向要順著小耳邊的內溝槽排列，防止溫度伸縮將小耳邊磨穿，
3、T形支座應與構造用檁條直接相連，不應與輔助檁條相連接，這樣才能達到可靠傳力的目的；
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生滑動，會出現卡死現象或產生較大磨損，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，導致漏水。因此應采取措施，避免相互摩擦。
6、關于金屬屋面T型支座結構轉化夾具位置的探討：金屬屋面板扣接T型支座存在連接有實有虛的現象，鋁板搭接位置再上夾具時結構上有討論應該夾在哪個位置，有的說夾到T型支座處更為牢固更好，實際上這個說法也對也不對，對在于確實更為牢固，但問題是這樣做并未考慮溫度作用產生的效應，在溫度作用下金屬屋面板需要伸縮，如果夾具夾住T型支座會導致限值板面的收縮變化，嚴重甚至摩擦撕裂屋面板導致漏水隱患，正確的做法建議放到T型支座附近處更好，連接強度比較好且不影響板面的變形，不會阻礙板面溫度應力的釋放；
7、設計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，因為這是鎖邊咬合抵抗風的吸力，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；鎖邊咬合經過人工夾鉗咬合、行進式電動鎖邊咬合機兩道咬合工序。需對鉗口尺寸、鎖邊咬合輥輪間距，要經兩次以上調整，以達到最終耳邊外形直徑尺寸的要求，并經自檢和抽檢合格，以確保連接咬合強度；
圖3 支座/屋面板咬合缺陷示意
8、根據以往的鋁鎂錳真立鎖邊屋面抗風揭測試報告，每個T型支座與鋁鎂錳金屬屋面咬合力在0.8~1.28kN，設計階段暫可考電按照1kN考慮并預留一定安全余量后續通過抗風揭測試驗證設計的可行性，并根據測試結果對設計文件進行加強或優化，抗風揭測試應在施工前完成。
9、T型支座連接件及數量要求：
四、壓型鋁板設計相關要求
1、目前業內壓型鋁板屋面及墻面工程常用牌號、狀態及規格、卷心內徑等。
牌號:3004、5754；狀態: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，后者由于因強度高、更耐腐蝕，常被設計使用年限≥50年的大型公共建筑屋面及墻面所選用，且有逐年增長應用的趨勢。
規格：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(規定非比例延伸強度)和強度設計值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，適當增加板厚有利于抗風性能提高。
3、鋁合金板牌號選擇時，要同建筑使用年限相協調，當屋面及墻面使用年限≥40年時，宜采用鋁鎂合金板(5xxx系列)，當屋面及墻面使用年限在20~40年時，宜采用鋁錳合金板(3xxx)系列。狀態為H42~H48，板厚：屋面板t>0.9，墻面板>0.6，吊頂板和內墻面板t≥0.5，實際選用中，板厚有逐漸增加的趨勢。
4、壓型鋁板用板材力學性能:R≥200,Rp0.2>185,斷后伸長率As0mm>3%，屋面及墻面工程用料實例：
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使用；400mm的為常用、經濟型的；500mm的為屋面板本身最經濟的板型，但下部檁條間距小，且需采取適當措施防止板變形。
圖4 常用板型示意
五、金屬屋面連接計算
1、傳力用自攻螺釘、射釘、拉鉚釘均要計算，需滿足強度要求；構造用時，材質為鋁合金或不銹鋼，自攻釘直徑>4.5，螺栓直徑>8.0，拉鉚釘(閉口)直徑>4.0；
2、這里的連接主要指T型支座與檁條或金屬板之間的連接：
六、金屬屋面抗風揭試驗
