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【摘要】：早在二十世纪之初，人类便开始将铝质屋面材料应用在建筑上，并发现铝质屋面材料具有十分优异的耐久性能。在现代建筑行业中，金属铝已经成为一项重要的材料，并被广泛地应用于人们的生产、生活中。在金属铝的熔炼过程中根据不同的比例添加其他金属可以形成合金，从而大幅度地改善铝合金的物理、化学和机械性能，不仅能够增强材料性能，而且优化了材料结构。
【关键词】：镁铝锰板；直立锁边；金属屋面；设计；应用
中图分类号：S611 文献标识码： A
0、引言
近几年，我国很多地方以奥运举办为契机兴建了一批大型标志性公共建筑。这些建筑造型新颖、独特，屋盖大多采用空间曲而钢结构体系。传统屋而施工工艺己经难以满足防水及保温等使用功能需要。直立锁边金属屋盖体系具备良好的防水、保温、防雷及抗腐蚀功能。本文将通过简述镁铝锰合金的概念和特点，探讨镁铝锰合金屋面在现代建筑行业中的应用，并通过比较镁铝锰合金与钢质材料在结构性能方面的差异，具体总结镁锰合金屋面的材料优势和结构优势。
1.镁铝锰板直立锁边金属屋面设计方法分析
根据国外的设计规范和现有的冷弯薄壁设计理论,直立锁边点支承镁铝锰合金屋面板设计重点是以下几个部分:1)铝合金屋面板的强度计算;2)铝合金屋面板腹板的组合受力计算;3)铝合金屋面板的变形计算。
1.1铝合金屋面板的强度计算
按目前通行的屋面板或墙面板简化理论,铝合金屋面板的强度计算取一个波距或整块屋面板的有效截面,按受弯构件计算。以三跨屋面板为例,计算简图如图所示。
图1：强度计算简图
强度计算的核心环节是有效截面的计算,目前通行的有效截面计算理论和公式ρc=α1*1/λ-α2*0.22/λ²（ρc为受压板件达到极限承载力时的平均纵向应力折算系数; α1, α2为计算系数,取决于受压板件的边界条件、合金材料的应变硬化性能以及是否受焊接软化效应的影响,具体取值可参见欧洲铝合金结构设计规范）是G Winter和Pekoz建立的。然而考虑到挤压型材截面的复杂性,现行欧洲铝合金结构设计规范和英国的铝合金结构设计规范放弃了“有效宽度”法,而采用“有效厚度”的概念来计算受压板件的有效截面,以槽型构件为例,两者简化模型的比较见图2“简化模型”。尽管在“有效厚度”法中折减厚度的提法缺乏明确的物理意义,但其避免了计算受压板件有效宽度分布的问题,简化了设计过程;对于铝合金型材这种可能有复杂加劲肋的构件来说,这样的处理方法还是相当实用的。表1反映强度计算简图截面1处计算的有效截面属性的比较。其中第一行是根据试验测得的截面1应变推算出相应的应力和试验测得的中性轴位置推算有效截面属性。从表中反映,根据欧洲规范计算的有效截面属性和试验结果比较接近,而套用冷弯薄壁规范的计算将会给有效截面的计算带来较大误差。
图2：简化模型
有效截面属性的比较
表1
1.2铝合金屋面板腹板的组合受力计算
铝合金面板中的腹板承受大剪力和大弯矩共同作用时,腹板将破坏于较低的应力状态。文中正向加载试验最终破坏就是弯、剪组合作用的结果。弯、剪组合作用的理论分析早在铁摩辛柯的弹性稳定理论中已有论述,现今大多钢结构规范均使用其计算公式,形式如下:
[M/Mu]²+[V/Vu]²≤1
图3为分别按欧洲铝合金规范方法和中国冷弯薄壁方法的弯剪组合计算值随荷载的变化曲线。图4为试验测得的截面1处vonMises曲线。从图中可以清楚地看到试验值和欧洲铝合金规范计算值均反映荷载加到10kN/mm2附近,腹板将会产生破坏。而套用冷弯型钢规范对铝合金进行设计将有50%以上的误差。
图3：组合计算值-荷载曲线 图4：试验的vonMises曲线
1.3铝合金屋面板的变形计算
目前国内外规范对屋面板的挠度计算均采用图5的简化计算模型,按连续梁进行计算。图5是边跨、中跨位置挠度的试验数据和按规范计算数值的比较。图中反映在边跨,计算挠度和试验值比较接近,而在中跨,计算挠度和试验值有40%的误差。因此,对于点支承的屋面系统,将固定支座简化成理想铰支座的力学模型并不能完全反映实际的变形情况。
图5：挠度-荷载曲线比较
2.镁铝锰合金屋面的系统和应用
镁铝锰合金屋面系统是指直立锁边系统，这也是一个较为传统的镁铝锰板安装系统。由于这种系统吸收了铝金属的优点，因此被应用于各种建筑屋面和墙面系统，成为现代建筑中不可或缺的部分。
2.1 镁铝锰合金屋面的系统
基于直立锁边咬合设计的特殊板形的金属板块，是直立锁边镁铝锰合金金属屋面系统的核心构成，这种设计主要是针对大跨度自支承式密合安装体系，即使用专业的立边咬合设备，沿着板条长度方向将两块板的立边进行咬合，从而使屋面或墙面连接成为一个整体。这个系统可以节省较多的安装时间，特别是对于较大的屋面或墙面来说，直立锁边镁铝锰合金金属屋面系统无疑为其提供了一个有效降低成本的方法。同时，直立锁边镁铝锰合金金属屋面系统能够使现代建筑呈现出一种韵律感，看上去更加美观。
2.2 镁铝锰合金屋面的应用
镁铝锰合金金属屋面系统被广泛应用于各种建筑屋面和墻面系统，例如：民用住宅、商业设施、大型购物中心、公共服务设施、大型娱乐建筑、会展厅、体育馆所、会议中心建筑、车站及其他大型交通枢纽、机场航站楼等。
3.直立锁边金属屋盖体系的优越性能
3.1适用性强
合金屋面板的底板及面板采用现场压制成型，生产方便快捷，不受运输条件的限制，可以现场根据需要生产各种长度的屋面板，屋面板在长度方向上不需搭接缝，金屋面板能压成各种形状，不仅能压成直线、折线、弧线，还能压成各种扇形板，故可实现平屋面、坡屋面到球形屋面、双曲屋面等形式，从而满足建筑师的设计要求。
3.2抗变形能力好
采用直立锁边固定方式，合金固定座固定座只限制屋面板在上下方向的移动，并不限制屋面板沿板长方向的移动，因此屋面板在温度变化时能够在固定座上自由伸缩，不会产生温度应力；在宽度方向板可以支座为轴，自由转动，从而消除板在宽度方向的温度应力，有效解决了其他板型难以克服的温度变形问题，保证了屋面性能的可靠性。
3.3抗腐蚀耐久性好
直立锁边金属屋盖体系采用的镁铝锰合金面板自身具有良好的防腐能力。与之相比，普通压型钢板屋盖的基材本身没有任何防腐能力，必须依靠镀锌或增加涂层提供防腐保护，但即便采取上述措施，板材切口处、螺钉孔处及因施工造成的镀层破坏处难免产生局部锈蚀，且这种局部腐蚀会不断扩散，导致穿透性锈蚀而产生屋面漏水，因此造成普通压型钢板屋面使用寿命很短。实践证明直立锁边金属屋盖的抗腐蚀性远远优于普通压型钢板屋盖，耐久性良好。
3.4本身具有防雷功能
该金属屋盖系统将金属面板可作为闪接器，只要将部分ST固定座的固定螺丝的胶垫除去，即可大大提高屋面的防雷性能，提高导电性，这种防雷设计不需要在屋面上再设置避雷带或避雷针，对建筑物外观造型及屋面防水都非常有利，既简便又经济，验收时检测接地电阻可达到国标要求。
3.5保温性能好
保温材料采用100mm厚玻璃纤维保温棉（16kg/m3），属A级不燃性材料，防火、防潮、防霉变性能好。
3.6防水性能好
首先，直立锁边固定合金屋面板板肋在经过机械锁边后紧扣合金固定座的梅花头，板面完整无破损，无穿透式螺钉外露，消除了采用传统屋盖施工工艺时出现的漏水隐患；其次，镁铝锰合金板先用现场压制成型，可以现场根据需要生产各种长度的屋面板，从而消除屋面板在长度方向上的搭接缝，减少了漏水的机会；再者，镁铝锰合金屋面板的板肋直立，高达65mm，有效排水高度大，且整个板宽均能有效排水，与其他金属板相比，在相同宽度下直立锁边镁铝锰合金板的排水截面最大；而且由于板肋设有反毛细凹槽，使大肋与小肋之间存在一个空腔，减小了水的表面张力，从而阻止了毛细水向上运动渗入室内。
4.结语
镁铝锰合金屋面充分利用了镁铝锰合金的优点，与彩钢相比更加轻盈、强度适中、耐腐美观、防火防潮、安全环保，具有较高性价比，因而被应用于各种建筑屋面和墙面系统，成为现代建筑中的重要材料。
参考文献
[1] 张晓冬.直立边锁扣式镁铝锰合金金属屋面施工技术[J].今日科苑.2008（07）.
[2] 赵磊，唐际宇，黄贵，唐峰.昆明新机场航站楼双曲面金属屋面安装施工技术[J].施工技术.2011（15）.
[3] 王俊涛.青岛体育馆金属屋面工程施工技术[J].山西建筑.2010（05）.
[4] 徐高成.大连医科大学新校区体育馆金属屋面施工技术[J].施工技术.2009（07）.
【关键词】：镁铝锰板；直立锁边；金属屋面；设计；应用
中图分类号：S611 文献标识码： A
0、引言
近几年，我国很多地方以奥运举办为契机兴建了一批大型标志性公共建筑。这些建筑造型新颖、独特，屋盖大多采用空间曲而钢结构体系。传统屋而施工工艺己经难以满足防水及保温等使用功能需要。直立锁边金属屋盖体系具备良好的防水、保温、防雷及抗腐蚀功能。本文将通过简述镁铝锰合金的概念和特点，探讨镁铝锰合金屋面在现代建筑行业中的应用，并通过比较镁铝锰合金与钢质材料在结构性能方面的差异，具体总结镁锰合金屋面的材料优势和结构优势。
1.镁铝锰板直立锁边金属屋面设计方法分析
根据国外的设计规范和现有的冷弯薄壁设计理论,直立锁边点支承镁铝锰合金屋面板设计重点是以下几个部分:1)铝合金屋面板的强度计算;2)铝合金屋面板腹板的组合受力计算;3)铝合金屋面板的变形计算。
1.1铝合金屋面板的强度计算
按目前通行的屋面板或墙面板简化理论,铝合金屋面板的强度计算取一个波距或整块屋面板的有效截面,按受弯构件计算。以三跨屋面板为例,计算简图如图所示。
图1：强度计算简图
强度计算的核心环节是有效截面的计算,目前通行的有效截面计算理论和公式ρc=α1*1/λ-α2*0.22/λ²（ρc为受压板件达到极限承载力时的平均纵向应力折算系数; α1, α2为计算系数,取决于受压板件的边界条件、合金材料的应变硬化性能以及是否受焊接软化效应的影响,具体取值可参见欧洲铝合金结构设计规范）是G Winter和Pekoz建立的。然而考虑到挤压型材截面的复杂性,现行欧洲铝合金结构设计规范和英国的铝合金结构设计规范放弃了“有效宽度”法,而采用“有效厚度”的概念来计算受压板件的有效截面,以槽型构件为例,两者简化模型的比较见图2“简化模型”。尽管在“有效厚度”法中折减厚度的提法缺乏明确的物理意义,但其避免了计算受压板件有效宽度分布的问题,简化了设计过程;对于铝合金型材这种可能有复杂加劲肋的构件来说,这样的处理方法还是相当实用的。表1反映强度计算简图截面1处计算的有效截面属性的比较。其中第一行是根据试验测得的截面1应变推算出相应的应力和试验测得的中性轴位置推算有效截面属性。从表中反映,根据欧洲规范计算的有效截面属性和试验结果比较接近,而套用冷弯薄壁规范的计算将会给有效截面的计算带来较大误差。
图2：简化模型
有效截面属性的比较
表1
1.2铝合金屋面板腹板的组合受力计算
铝合金面板中的腹板承受大剪力和大弯矩共同作用时,腹板将破坏于较低的应力状态。文中正向加载试验最终破坏就是弯、剪组合作用的结果。弯、剪组合作用的理论分析早在铁摩辛柯的弹性稳定理论中已有论述,现今大多钢结构规范均使用其计算公式,形式如下:
[M/Mu]²+[V/Vu]²≤1
图3为分别按欧洲铝合金规范方法和中国冷弯薄壁方法的弯剪组合计算值随荷载的变化曲线。图4为试验测得的截面1处vonMises曲线。从图中可以清楚地看到试验值和欧洲铝合金规范计算值均反映荷载加到10kN/mm2附近,腹板将会产生破坏。而套用冷弯型钢规范对铝合金进行设计将有50%以上的误差。
图3：组合计算值-荷载曲线 图4：试验的vonMises曲线
1.3铝合金屋面板的变形计算
目前国内外规范对屋面板的挠度计算均采用图5的简化计算模型,按连续梁进行计算。图5是边跨、中跨位置挠度的试验数据和按规范计算数值的比较。图中反映在边跨,计算挠度和试验值比较接近,而在中跨,计算挠度和试验值有40%的误差。因此,对于点支承的屋面系统,将固定支座简化成理想铰支座的力学模型并不能完全反映实际的变形情况。
图5：挠度-荷载曲线比较
2.镁铝锰合金屋面的系统和应用
镁铝锰合金屋面系统是指直立锁边系统，这也是一个较为传统的镁铝锰板安装系统。由于这种系统吸收了铝金属的优点，因此被应用于各种建筑屋面和墙面系统，成为现代建筑中不可或缺的部分。
2.1 镁铝锰合金屋面的系统
基于直立锁边咬合设计的特殊板形的金属板块，是直立锁边镁铝锰合金金属屋面系统的核心构成，这种设计主要是针对大跨度自支承式密合安装体系，即使用专业的立边咬合设备，沿着板条长度方向将两块板的立边进行咬合，从而使屋面或墙面连接成为一个整体。这个系统可以节省较多的安装时间，特别是对于较大的屋面或墙面来说，直立锁边镁铝锰合金金属屋面系统无疑为其提供了一个有效降低成本的方法。同时，直立锁边镁铝锰合金金属屋面系统能够使现代建筑呈现出一种韵律感，看上去更加美观。
2.2 镁铝锰合金屋面的应用
镁铝锰合金金属屋面系统被广泛应用于各种建筑屋面和墻面系统，例如：民用住宅、商业设施、大型购物中心、公共服务设施、大型娱乐建筑、会展厅、体育馆所、会议中心建筑、车站及其他大型交通枢纽、机场航站楼等。
3.直立锁边金属屋盖体系的优越性能
3.1适用性强
合金屋面板的底板及面板采用现场压制成型，生产方便快捷，不受运输条件的限制，可以现场根据需要生产各种长度的屋面板，屋面板在长度方向上不需搭接缝，金屋面板能压成各种形状，不仅能压成直线、折线、弧线，还能压成各种扇形板，故可实现平屋面、坡屋面到球形屋面、双曲屋面等形式，从而满足建筑师的设计要求。
3.2抗变形能力好
采用直立锁边固定方式，合金固定座固定座只限制屋面板在上下方向的移动，并不限制屋面板沿板长方向的移动，因此屋面板在温度变化时能够在固定座上自由伸缩，不会产生温度应力；在宽度方向板可以支座为轴，自由转动，从而消除板在宽度方向的温度应力，有效解决了其他板型难以克服的温度变形问题，保证了屋面性能的可靠性。
3.3抗腐蚀耐久性好
直立锁边金属屋盖体系采用的镁铝锰合金面板自身具有良好的防腐能力。与之相比，普通压型钢板屋盖的基材本身没有任何防腐能力，必须依靠镀锌或增加涂层提供防腐保护，但即便采取上述措施，板材切口处、螺钉孔处及因施工造成的镀层破坏处难免产生局部锈蚀，且这种局部腐蚀会不断扩散，导致穿透性锈蚀而产生屋面漏水，因此造成普通压型钢板屋面使用寿命很短。实践证明直立锁边金属屋盖的抗腐蚀性远远优于普通压型钢板屋盖，耐久性良好。
3.4本身具有防雷功能
该金属屋盖系统将金属面板可作为闪接器，只要将部分ST固定座的固定螺丝的胶垫除去，即可大大提高屋面的防雷性能，提高导电性，这种防雷设计不需要在屋面上再设置避雷带或避雷针，对建筑物外观造型及屋面防水都非常有利，既简便又经济，验收时检测接地电阻可达到国标要求。
3.5保温性能好
保温材料采用100mm厚玻璃纤维保温棉（16kg/m3），属A级不燃性材料，防火、防潮、防霉变性能好。
3.6防水性能好
首先，直立锁边固定合金屋面板板肋在经过机械锁边后紧扣合金固定座的梅花头，板面完整无破损，无穿透式螺钉外露，消除了采用传统屋盖施工工艺时出现的漏水隐患；其次，镁铝锰合金板先用现场压制成型，可以现场根据需要生产各种长度的屋面板，从而消除屋面板在长度方向上的搭接缝，减少了漏水的机会；再者，镁铝锰合金屋面板的板肋直立，高达65mm，有效排水高度大，且整个板宽均能有效排水，与其他金属板相比，在相同宽度下直立锁边镁铝锰合金板的排水截面最大；而且由于板肋设有反毛细凹槽，使大肋与小肋之间存在一个空腔，减小了水的表面张力，从而阻止了毛细水向上运动渗入室内。
4.结语
镁铝锰合金屋面充分利用了镁铝锰合金的优点，与彩钢相比更加轻盈、强度适中、耐腐美观、防火防潮、安全环保，具有较高性价比，因而被应用于各种建筑屋面和墙面系统，成为现代建筑中的重要材料。
参考文献
[1] 张晓冬.直立边锁扣式镁铝锰合金金属屋面施工技术[J].今日科苑.2008（07）.
[2] 赵磊，唐际宇，黄贵，唐峰.昆明新机场航站楼双曲面金属屋面安装施工技术[J].施工技术.2011（15）.
[3] 王俊涛.青岛体育馆金属屋面工程施工技术[J].山西建筑.2010（05）.
[4] 徐高成.大连医科大学新校区体育馆金属屋面施工技术[J].施工技术.2009（07）.