[分享]常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析

发表于2018-04-21     617人浏览     1人跟帖     总热度:166  

摘要:本文简单介绍了对直立卷边式、暗扣式等六种常用金属屋面系统进行踩踏性能对比检测的过程,综合检测结果中的残余变形及对应屋面板的市场占有率和成本造价,就踩踏性能而言引入推荐使用系数K作为金属围护系统选择的依据。
关键词:金属屋面系统;踩踏性能;对比检测;推荐使用系数

1  前  言

市场上的金属屋面系统类型各式各样,其主要区别在于屋面板的扣合形式有所不同,在综合考虑性能、成本和市场占有率等因素的前提下,就踩踏性能而言,如何正确地选择合适的金属屋面系统是值得探讨的问题。由于现阶段标准规范还不完善,踩踏性能无论在设计、施工还是维护阶段均处于空白,导致经受频繁踩踏的金属屋面容易埋下隐患,甚至可能直接影响其结构稳定性、抗风性能等。踩踏性能检测主要针对以金属屋面系统作为施工通道或检修通道的屋面,可根据建筑的抗风要求、重要性程度等开展,尤其是可能遭受频繁踩踏的金属屋面更应该进行踩踏性能检测。
为此,本文选择直立卷边式、暗扣式等六种常用金属屋面系统进行踩踏性能对比检测,这六种系统基本涵盖金属屋面所有的扣合类型,再以检测结果中的残余变形作为踩踏性能对比条件,结合对应屋面板的市场占有率和成本造价,引入推荐使用系数K作为金属屋面系统选择的依据。
2  检测方案
检测依据金属建筑行业标准中的《抗冲击、踩踏性能检测方法》(MCIS-PP/T-02-2014)[1]来进行,配合使用踩踏性能检测机对180°锁合式、波纹式、直立咬合式、暗扣式、双折封式及直立卷边式共六种类型的屋面系统进行踩踏检测,对应的尺寸、材质及类型见表1。检测过程应严格按照以下要求进行:
1)设备伸缩探头模拟的踩踏重量为100kg;
2)设备伸缩探头对金属面板以1次/s的频率反复施加压力至到达1,000次;
3)设备伸缩探头上面选用的鞋底模拟材料为合成橡胶,厚度为4cm;
4)在保证踩踏压力达到100kg的条件下,踩踏高度至少大于5cm;
5)踩踏接触点选择距离扣边4cm的距离处且位于宽度方向的中线上;
6)检测试件为一块完整单板左右扣合同类型的板至整体尺寸达到1m×1m;
7)金属围护系统的安装按以直立咬合式屋面系统为例的图1进行。
表1  各类系统的屋面板规格
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_1常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_2
图1  直立咬合式屋面系统安装图示(单位:mm)
在检测过程中,每当踩踏次数达到100次,配合使用两把钢直尺测量并记录此时踩踏点处的最大变形(竖向位移),直至检测结束,取过程中的最大变形作为最终结果,设备停止运作后,还需以同样的测量方式对踩踏点的残余变形(竖向位移)进行测量,最后观察屋面板扣边处的破坏情况并做好记录。
此次上述六类系统的屋面板材质及厚度均不一致,但由于对每一类系统的屋面板都会根据其扣边形式的不同而选择合适的材质及厚度,换言之,为达到功能及成本上的要求,不同屋面板对应的材质及厚度都是固定且常用的,因此完全可以假定屋面板的材质及厚度为本次检测的定量,扣边形式的不同为变量,而踩踏点处的变形则为因变量,通过对比扣边的破坏情况及踩踏点的变形量,就踩踏性能而言选出最优系统。
3  前期准备
3.1  试件准备
屋面板的制作采用机床棍压成形,对应的尺寸、材质及类型见表1,最终检测试件的屋面板应为一块完整单板,左右扣合同类型的板至整体尺寸达到1m×1m。同时,对于固定座扣合类的屋面系统应准备相对应的固定座4个,对于无固定座扣合类的屋面系统,以波纹式屋面系统为例,根据图纸应准备型号为ST4.8×25的自攻钉10颗,而每一类系统均需配置1m长的C檩条(15020)2条。
 
3.2  设备准备
根据《抗冲击、踩踏性能检测方法》(MCIS-PP/T-02-2014)的检测要求,踩踏性能检测机应具备如下条件:
1)伸缩探头能反复对金属面板施加压力,模拟人的脚步动作;
2)踩踏的频率、压力及次数均实现可控;
3)压力的量程为0~200kg,满足标准中要求大于100kg的条件;
4)伸缩探头上所模拟的鞋底材料为合成橡胶,符合实际;
5)模拟的鞋底材料厚度为4cm,符合标准中要求大于3cm的条件;
6)面对不同板型的检测均符合标准中大于50mm的踩踏高度要求;
7)屋面板四周能通过方木及夹持用具很好地固定于试件框中;
8)踩踏的位置能通过传动丝杆和脚轮相互配合来调节,可全面检测屋面板的各个位置。
4  检测过程
4.1  试件安装
对于带有固定座扣合的屋面系统,以直立卷边式屋面系统为例,其安装方式如图2所示,其中,檩条间距为50cm,固定座沿板宽方向的间距取决于板的型号,沿板长方向的间距为50cm。试件的安装顺序依次为檩条的安装、固定座的安装、屋面板的安装、扣边锁合、屋面板四周的固定等几个步骤。
对于无固定座扣合的屋面系统,以波纹式屋面板为例,其安装方式如图3所示,其中,檩条间距为50cm,自攻钉沿板宽方向的间距取决于波峰的间距,沿板长方向的间距为50cm。试件的安装顺序依次为檩条的安装、屋面板的安装、自攻钉的打入、屋面板四周的固定等。
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_3
图2  直立卷边式屋面系统安装示意图(单位:mm)
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_4
图3  波纹式屋面系统安装示意图(单位:mm)
4.2  踩踏位置的选择
为真实还原工人于屋面板上的踩踏,踩踏位置的选择尤为重要,首先可以排除的位置是屋面板的扣合处,这取决于人的行走意识,相比较下平面更稳,那剩下的位置就只有板中及靠近扣边处的板侧,为最大限度地测试屋面系统的踩踏性能,应选择屋面板最薄弱的位置,靠近扣边处的板侧无疑较板中薄弱,若踩踏于此则更容易导致脱扣现象的出现,因此该检测选择靠近扣边处的板侧作为踩踏接触点。
 
4.3  设备的操作
    试件安装后,先于踩踏的位置做好标记(见图4),后扭动传动丝杆的手柄来调整踩踏探头的位置至踩踏点的正上方,同时设置踩踏的频率为1次/s,最后启动空压机及踩踏设备,此时留意压力表显示数值,若超过当初设想的踩踏压力值,则应降低空压机的供气量,反之则增加,直至达到设想的压力值后,开始检测并计数(见图5),当计数表显示达到规定次数时便可停止检测。
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_5
图4 踩踏位置标记
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_6
图5  检测点1的测试
4.4  最大变形及残余变形的测量
如前所述,在检测过程中,每当踩踏次数达到100次,配合使用两把钢直尺测量并记录下此时踩踏的最大变形(竖向位移),直到实验结束,取过程中的最大变形作为最终结果。设备停止运作后,以同样的测量方式对此时踩踏点的残余变形(竖向位移)进行测量并做好记录,如图7所示。
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_7
 图6  残余变形测量方式
5  检测结果汇总
5.1  数据汇总
将六种板型的踩踏性能检测结果数据汇总如表2所示。
表2  踩踏性能测试数据汇总(单位:mm)
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_8
5.2  数据分析
为使不同板型的对比更为直观,取检测点1及检测点2的变形结果平均值作为对应板型的踩踏性能检测的最终结果,见表3。
表3  检测结果汇总表(单位:mm)
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_9
从表3可以看出,上述六种系统的屋面板在经受压力为100kg、频率为1次/s的1,000次踩踏后均未出现脱扣现象,剩下可以对比的就是踩踏点处的变形。
造成变形差异的原因主要是屋面板的材质、厚度以及扣边形式有所不同,考虑到此次材质及厚度都是选用每一类屋面板中常用的板型,所以可以将材质及厚度作为本次检测的定量,变量为屋面板类型或扣合形式,至于踩踏点处的变形则为因变量。换言之,踩踏点处的变形越小,该类屋面板或该类扣合形式在踩踏频发的情况下更占优势。
从表3进一步可见,无论是踩踏点的最大变形还是残余变形,波纹式屋面板都略胜一筹,结果值均为最小,而直立卷边式屋面板则相反,结果值均为最大。显而易见,就踩踏性能而言,波纹式屋面板为最优板型,换言之,其扣合形式也是上述六种板型中最好的。图8和图9揭示了波纹式屋面板和直立卷边式屋面板在踩踏发生时从力学角度上看产生变形的差异。
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_10
图7  波纹式扣边变形情况
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_11
图8  直立卷边式扣边变形情况
从图7和图8可见,由于踩踏点的邻近并无固定座扣合或自攻钉紧固,而不同屋面板的材质及厚度又是本次检测的定量,所以在踩踏力的作用下,踩踏点的竖向变形很大程度上取决于扣边的设计。
对于波纹式屋面板,扣边整体为梯形,斜边的变形有效地抑制了踩踏力的传递,同时,扣边紧密相贴,剩余空间小,踩踏点的变形不足以使两扣边发生相对转动,很好地控制住了板的整体性。至于直立卷边式屋面板,在没有固定座扣合的情况下,两扣边间的空间没有得到最大程度的压缩,在踩踏点变形的传递过程中易发生相对转动,加剧了踩踏点处变形的发生。
 
5.3  引入推荐使用系数K
5.3.1  引入缘由
考虑到单从性能出发来选择最优系统并不够全面,在实际选择过程中,还应考虑屋面系统的成本问题,同时,由于部分屋面板在某个程度上的性能是一致的,假设成本也相差无几,根据消费者的从众心里,也许就会选择市面上多见且普遍的产品,换言之,就是市场占有率较大的产品,所以在屋面系统的实际选择过程中还应考虑市场占有率。
而对于金属屋面的踩踏性能,本次检测的参数主要有两个,分别是最大变形及残余变形,考虑到屋面板发生踩踏的几率仅仅是暂时性的,而长期是处于无人踩踏的状态,所以将残余变形作为表征踩踏性能的参数。为此就踩踏性能而言引入推荐使用系数K:
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_12
其中:
K-推荐使用系数;
A-市场占有率;
S-踩踏性能表征参数;
C-屋面系统每平方米造价。
就踩踏性能而言,综合考虑成本及市场占有率的情况下,推荐使用系数K值越大,表明该产品越值得推荐使用。
5.3.2  屋面系统每平方米造价C
本次检测的6类金属屋面,有其各自常用的型号、材质及厚度,且均为檩条结构系统,对应每一系统的成本造价见表4。
表4  檩条结构屋面系统成本统计表
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_13
5.3.3  屋面系统的市场占有率A
根据目前统计的结果,各类金属屋面系统在市场上占有的市场份额见图10。
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_14
图9  各类金属屋面系统所占市场份额比例图
5.3.4  踩踏性能表征参数S
鉴于将踩踏点的残余变形作为表征踩踏性能的参数,结果汇总见表3。
5.3.5  推荐使用系数K值的计算
根据上述数据,通过式(1)对各类金属屋面系统的推荐使用系数K值作简单的计算及汇总(见表56),从计算结果中可以看出,波纹式屋面系统的推荐使用系数最高达4.29,最低的则为直立咬合式屋面系统,相对较好的还有双折封式屋面系统及直立卷边式屋面系统,推荐使用系数分别为3.89及2.13。因此在考虑踩踏性能,成本造价,市场占有率这三个因素的条件下,波纹式屋面系统为上述六类系统中的最优系统,应优先推荐使用。
表5  推荐使用系数K值计算汇总表
常见金属屋面系统踩踏性能的检测及分析_15
6  结  语

金属屋面系统的规范及标准日益完善,在编的国家标准《建筑金属围护系统检测鉴定及加固技术标准》也加入了踩踏性能的检测方法。该方法作为国内首创的检测方法,检测成本低廉且直接,引入的推荐使用系数K可直观地反映金属屋面系统的踩踏性能。虽然金属屋面系统从本质意义上不可上人,但终究存在维护保养的问题,以及灾害来临时的逃生问题,随着系统层次越来越多,板材越来越薄,开展踩踏性能检测不失为提高建筑可靠性的一种保障手段。

参考文献

[1] 澳门金属结构协会.抗冲击、踩踏性能检测方法:MCIS-PP/T-02-2014 [S].2014.
[2] 中华人民共和国建设部.屋面工程技术规范:GB 50345-2004[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[3] 冶金工业部建筑研究总院.压型金属板设计施工规程:YBJ 216-88[S].北京:冶金工业出版社,1989.
[4] 国际标准化组织.紧固件的机械性能:ISO 898-1[S].2007.
[5] 美国国家标准学会.用于确定屋面紧固件抗拔力的标准现场测试程序:ANSI/SPRI FX-1-2010[S].2010.

扫码加入筑龙学社  ·  结构设计微信群 为您优选精品资料,扫码免费领取
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2018-04-21   |  只看该作者      

2

提高质量,保证安全,不忘初心,方得始终。

蒋德华

山东 滨州 | 工程造价

5 关注

999+ 粉丝

999+ 发帖

36 荣誉分

该博主未添加简介

猜你爱看

添加简介及二维码

简介

还可输入70字

二维码(建议尺寸80*80)

发站内信息

还可输入140字
恭喜您已成功认证筑龙E会员 点击“下载附件”即可
分享
入群
扫码入群
马上领取免费资料包
2/20