English探索建筑之美，从金属屋面开始
图1 金属屋面
金属屋面，这个听起来充满工业感的名词，实际上蕴含着丰富的建筑美学和实用价值。它不仅仅是一种建筑材料，更是一种艺术表达，一种对建筑功能性和环保理念的深刻诠释。金属屋面以其耐久性、防水性能、隔热保温效果、美观性、环保性、防火性能、抗风压能力、安装便利性、经济性和适应性等多重优势，在现代建筑中扮演着不可或缺的角色。在这篇文章中，我们将深入探讨金属屋面的相关结构设计要点，以期对读者有所启发。
一、金属屋面荷载效应组合原则及构造
1、屋面均布活荷载与雪荷载不同时考虑,应取两者中的较大值；
2、积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中较大值同时考虑；
3、施工及检修集中荷载不写屋面材料及檩条等屋盖自重以外的其他荷载同时考虑；
4、金属屋面构造如图2所示。
（构造说明：1-装饰层；2-龙骨；3-屋面层；4-防水层；5-保温层；6-保温支撑层；7-次檩条；8-主檩条；9-吸音层；10-防尘层；11-吊顶层；12-主体钢结构；13-T型支座；14-夹具；15-U型连接件；16-L型加强角码）
图2 金属屋面三维构造
5、金属屋面典型荷载基本组合：
（1）屋面围护结构和构件不考虑地震作用时，且当屋面无积灰荷载时:
A.1.3永久荷载+1.5(均布活荷载/雪荷载)+1.5x0.6风荷载(向下):
B.1.3永久荷载+1.5风荷载(压力)+1.5x0.7(均布活荷载/雪荷载)(向下):
C.1.0永久荷载一1.5风荷载(向上)。
（2）当屋面有积灰荷载时:
A.1.3永久荷载+1.5积灰荷载+1.5x0.6风荷载(压力)十1.5x0.7(均布活荷载/雪荷载)(向下);
B.1.0永久荷载一1.5风荷载(吸力)(向上)。
二、金属屋面檩条相关造要求
1、檩条的间距一般控制在1.0~1.5米之间，常用的间距有1.2、1.4、1.5米。檩条间距不宜超过1.5米；对于屋面荷载较大的部位（即风气流分离、涡旋等部位，例如高低垮处、檐口、屋脊等），局部檩条间距可以小于1米（即须加密布置），此时考虑最不利原则，屋面恒载宜取0.2KN/㎡（较小值），风压体型取-2.2（较大值）；
2、实腹式檩条跨度大于4m时，在受压翼缘应设置拉条或撑杆，拉条和撑杆的截面应按计算确定，圆钢拉条直径不宜小于10mm，撑杆的长细比不得大于 200，当条上、下翼缘表面均设置压型钢板，并与檩条牢固连接时，可不设拉条和撑杆；
关于拉条设置：当檩条跨度≤4米时，一般不设置拉条；当檩条跨度>4米、≤6米时，一般在檩条跨中设置一道拉条；当檩条跨度>6米、≤9米时，一般设置两道拉条（三分点处）；当檩条跨度为12米时，一般设置三道拉条。拉条均为双层拉条，同时约束檩条上、下翼缘。
3、利用檩条作为水平支撑压杆时，其长细比不得大于200，并应按压弯构件验算其强度和稳定性。
4、檩条挠度控制要求：檩条仅支承压型钢板屋面时，挠度控制为l/200；檩条下设有吊顶时，挠度控制为l/240，幕墙上钢支承构件统一按l/250考虑也可以更严格。
5、檩条搭接长度的取值：檩条搭接长度取跨长的10%（两边各5%），9米跨度一般取500mm，12米跨度一般取600mm。
6、檩条的截面选择：设计时尽量选择标准截面，常用的标准截面高度有：200、220、250mm，常用的标准截面厚度有2.0、2.2、2.5mm。（标准截面详见《钢结构设计手册》和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》）
注意：非标准截面的截面厚度不得大3.0mm；非标准截面的截面高度不宜大于280mm，若高度大于280mm，须采用加强措施，避免檩条侧向失稳。
7、屋面恒荷载取值建议：一般在0.2kN/㎡～0.3kN/㎡左右。（有特殊使用要求时按实际构造分层累计计算，有吊顶的厂房，需要计算吊顶重量（及风机盘管、灯具、饰品、桥架等重量），然后叠加到屋面自重中。）
三、金属屋面T型支座相关设计
1、T形支座截面形状至关重要，一些工程出现风掀破坏，和T形支座截面设计有一定关联，主要是未设防退沟槽或根本没有防退沟槽。固定支座高度可根据构造要求选择，常用的为：81mm、106mm、116mm及156mm，支座下带6mm厚隔热垫。标准支座宽度为58mm；双宽支座宽度为116mm；
2、T形支座是屋面与檩条或其他支承结构间的关键传力构件，材料牌号6061-T6，上部端头形状要有利于同左、右板的大、小耳边在此咬合紧密而抗风吸力，防止拉脱，应视屋面及墙面的不同外形进行分区域配置，布置方式有对角线布置、垂直布置、环向布置等多种方式；T型支座在板长和板宽方向的间距同抗风揭力有关在檐口、山墙、屋脊、高低跨、角部、山墙转角等风荷载敏感区域屋面的抗负风压性能主要由该构件承担，因此其数量应满足要求。
通常T型支座间距应通过计算确定，必要时通过实验确定；当檩条间距减小的同时，T型支座也随之适当加密。当T型支座固定在钢或铝檩条、墙架上时，底板下面设隔热垫，以防冷(热)桥的形成。固定用不锈钢自攻螺钉的直径级数>12(4.87mm)，其数量不得少于2颗，并经抗风揭强度验算保证有>1.5的安全系数。T型支座上端梅花头的方向要顺着小耳边的内沟槽排列，防止温度伸缩将小耳边磨穿，
3、T形支座应与构造用檩条直接相连，不应与辅助檩条相连接，这样才能达到可靠传力的目的；
4、卡接件与T形支座位置重叠，连接后T形支座与屋面间不易发生滑动，会出现卡死现象或产生较大磨损，一般可以采用桥接；
5、对于大跨度屋面，屋面板和T形支座间的滑动量较大，因此容易使板材折弯部位与T支座直接接触、摩擦，最后磨穿，导致漏水。因此应采取措施，避免相互摩擦。
6、关于金属屋面T型支座结构转化夹具位置的探讨：金属屋面板扣接T型支座存在连接有实有虚的现象，铝板搭接位置再上夹具时结构上有讨论应该夹在哪个位置，有的说夹到T型支座处更为牢固更好，实际上这个说法也对也不对，对在于确实更为牢固，但问题是这样做并未考虑温度作用产生的效应，在温度作用下金属屋面板需要伸缩，如果夹具夹住T型支座会导致限值板面的收缩变化，严重甚至摩擦撕裂屋面板导致漏水隐患，正确的做法建议放到T型支座附近处更好，连接强度比较好且不影响板面的变形，不会阻碍板面温度应力的释放；
7、设计和施工均要十分重视直立锁边压型铝板在固定座上端头部的咬合，因为这是锁边咬合抵抗风的吸力，防止压型铝板大、小耳边从固定座端头松脱的重要保障，常见的一些咬合缺陷如图3所示；锁边咬合经过人工夹钳咬合、行进式电动锁边咬合机两道咬合工序。需对钳口尺寸、锁边咬合辊轮间距，要经两次以上调整，以达到最终耳边外形直径尺寸的要求，并经自检和抽检合格，以确保连接咬合强度；
图3 支座/屋面板咬合缺陷示意
8、根据以往的铝镁锰真立锁边屋面抗风揭测试报告，每个T型支座与铝镁锰金属屋面咬合力在0.8~1.28kN，设计阶段暂可考电按照1kN考虑并预留一定安全余量后续通过抗风揭测试验证设计的可行性，并根据测试结果对设计文件进行加强或优化，抗风揭测试应在施工前完成。
9、T型支座连接件及数量要求：
四、压型铝板设计相关要求
1、目前业内压型铝板屋面及墙面工程常用牌号、状态及规格、卷心内径等。
牌号:3004、5754；状态:H42、H44、H46、H48；其中3004为铝锰合金板，牌号5754、5005、5050、5052等为铝镁合金板，初期大多选用前者，后者由于因强度高、更耐腐蚀，常被设计使用年限≥50年的大型公共建筑屋面及墙面所选用，且有逐年增长应用的趋势。
规格：厚0.9~1.2；宽:473~787(厚度、板型不同而异,见D28)压型铝板用带材的卷心内径505，重量≤5.0t;
各种断面异形板厚≥0.9(宜比压型铝板厚0.1~0.2)：天沟板厚1.0~3.0，用板、带材均可。
2、对大型重要公共建筑，要优先选用铝镁合金彩色涂层板、带材，并正确选择板型和厚度，牌号5xxx系列的铝镁合金板，Rp0.2值(规定非比例延伸强度)和强度设计值f比3xxx系列的铝锰合金板提高10%~15%，有利于提高锁边咬合抗拉脱,锁到位而不开裂。对中小型一般的公共建筑，可选用牌号3xxx系列的铝锰合金系列涂层板、带材，适当增加板厚有利于抗风性能提高。
3、铝合金板牌号选择时，要同建筑使用年限相协调，当屋面及墙面使用年限≥40年时，宜采用铝镁合金板(5xxx系列)，当屋面及墙面使用年限在20~40年时，宜采用铝锰合金板(3xxx)系列。状态为H42~H48，板厚：屋面板t>0.9，墙面板>0.6，吊顶板和内墙面板t≥0.5，实际选用中，板厚有逐渐增加的趋势。
4、压型铝板用板材力学性能:R≥200,Rp0.2>185,断后伸长率As0mm>3%，屋面及墙面工程用料实例：
5、常用板型：直板板型肋高一般为65mm，常用的板宽有300mm、400 mm及500mm（图9）。其中板宽300mm的在屋面荷载较大时使用；400mm的为常用、经济型的；500mm的为屋面板本身最经济的板型，但下部檩条间距小，且需采取适当措施防止板变形。
图4 常用板型示意
五、金属屋面连接计算
1、传力用自攻螺钉、射钉、拉铆钉均要计算，需满足强度要求；构造用时，材质为铝合金或不锈钢，自攻钉直径>4.5，螺栓直径>8.0，拉铆钉(闭口)直径>4.0；
2、这里的连接主要指T型支座与檩条或金属板之间的连接：
六、金属屋面抗风揭试验
