范文一:金属围护系统保温性能研究
金属围护系统保温性能研究
蔡昭昀,林莉
(中国京冶工程技术有限公司,北京 10008)8
摘要:以现场复合的双层彩钢板中间100夹 m m厚保 温棉的金属围护系统为例,通过构造设计,如设置有效空气间、 层龙骨上增设隔热块或隔热带,可有效提升金属屋面系统的保温性能,防止热桥。 ,并节能
关键词:金属围护系统;保温性能;保温层;构造设计
+文章编号1007:-497(X201)3,19,0014-05 中图分类号TU2:3;1TU551 文献标识码:A
Study on Insulation Performance of Metal EnvelopeSystem
Cai Zhaoyu,nLin Li
(China Jingye Engineering Technology CLo.,td., Beijing 100088, Chia)n
Abstract: Take a metal envelope system consisted of cominplexed situ do uble -deck color steel sheetwith 100 mm thick
insulation cotton in middle as an example, this paper concludes that constitution design,such as setting ai r spaces and
adding insulated block or insulated belt on light steel frame,is an effective way to improve insulation performance of ml eta
roofing syste m.
Key words: metal envelope systeimnsula; tion performance;insula tion layer; constitution gdesin
随着钢结构在建筑业的迅速发展,配合钢结构的场复合的双层彩色钢板中间100夹 mm 厚保温棉的 金属围护系统的种类也越来越多。对于没有保温隔热 金属围护系统为例,对金属屋面系统的保温性能进行
要求的建筑,围护系统往往只是一层不到1 mm 厚的 了研究。
彩色压型钢板;对于有保温隔热要求的建筑,围护系 1 工程保温设计与实际效果间差异的研究 统通常会采用工厂预制的彩色钢板夹芯板,或采用现 实际工程中,有保温要求的金属围护系统通常会 场复合的双层彩色钢板,中间铺设保温棉的建筑构 采用图 1 所示的构造形式。这种构造形式适用于钢结 造。 构围护系统,即在梁间用檩条作为围护系统的龙骨,
使用的建筑材料相同时,通过构造设计,可以优 将金属屋面板及保温材料固定在檩条上,以实现屋面 化围护系统的导热系数,达到节能的目的。本文以现 系统的基本功能。屋面构造自上而下依次为:压型金
属屋面板(带屋面支架)?100厚玻璃丝棉保温 层(容
3重 16 kg/m)?檩条?压型金属板屋面底板。
— 在工程设计中,选用上述构造形式时,需对屋面 ——————
收稿日期:2013-07-09 作者简介:蔡昭昀,女,中国京冶工程传热系数(即保温能力)进行计算。计算依据:玻璃丝 技术有限公司副总建筑 师,教授级高级建筑师,国家一级注3 棉厚度 δ,0.1 m、容重=16 kg/m时,玻璃丝棉导热系 册建筑师,全国工程建设 标准设计专家委员会专家委员,中
数 λ,0.058 W(/ mK);又纤维保温材料传热系数修正 ?国建筑防水协会专家委员 会专家委员,本刊编委;负责、参
编了多部金属屋面板产品标 准、应用规程和标准图集。联系系数 α,1.2,则工程设计中选用上述屋面构造时单层
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82227074。
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保温隔热屋面
屋面面板 行整顿,另一方面需在材料进场验收时严把质量关, 以保证建筑围护系统保温效果达到设计预期效果。
为检验实际工程保温真实效果与设计效果之间 檩条 存在的差异,采用相同的保温棉制1.5成 m ×1.5 m 的 合成屋面试件,并采用热箱法对试件进行检测,得到 100厚玻璃丝棉保温层 底层2压型钢板 屋面试件的传热系数 K,0.781 W(/ mK)。比较屋面 ?3
图 1 有保温要求的金属围护系统构造示意 构件传热系数实测 K值 与材料计算传热系 K数 ,两 3 2
2 2 者关系为:K[0.781W (/ mK)],K[0.76W (/ mK)], ??3 2 或多层材料组成的屋面围护系统本体热 R,δ阻/λ/α, j20.1/0.058/1,.21.437 mK/W,围护系统总热 阻R,R, ?0p 但两者数值比较接近。以上结果表明,通过检测保温2R+R+R,0.115+1.437+0.04,13.595 m?K/W,围护系 njw材料性能计算得到的屋面保温效果与实际屋面的保 2统传热系数 K,1/R,1/1.59,50.627 W(/ mK)。式中: ?10温效果接近。考虑到一些不良因素造成的保温性能折 22R内表面换热阻 (mK/W),取 0.115 mK/W; —??n减等情况,只要选择与设计要求相符的保温材料,并 22R——外表面换热阻 (m?K/W),取 0.043 m?K/W; w留有一定余量,实际屋面的保温效果基本可以达到设 2R—围护系统各层材料总热m阻?(K/W)。 p计要求。 按照设计要求,在市场上购河北亨达得玻璃丝 “”2 改变安装方式提升保温性能 棉保温材料,并对其主要性能指标进行检测(表 1), 众所周知,空气热导率比组成围护系统的其他材 以检验工程保温实际效果与理论效果之间是否存在 料的热导率小,为提高围护系统的传热阻,寒冷地区 差异 。围护系统内常用增加空气间层来减少传热量。空气间
层传热是对流和辐射换热的综合过程,对流换热强度
与间层厚度、间层设置方向和形状以及密闭程度等因
表 1 “河北亨达”玻璃丝棉主要性能指标 素有关。在金属围护系统中,由于檩条断面尺寸往往
大于保温棉厚度,可将保温棉拆分成两层,分别铺设 项 目 测试数据
3在檩条上下两侧,形成一个空气间层,提高系统的保 容重(/ kg/m) 13.3
温性。 厚度 /mm 49.2
2空气间层热阻值目前难于用理论公式求得,故工 传热系数/[W(/ mK)] 1.52(热箱法试验数据) ?
程上常按表 2 所载取值。当空气间层厚度相同、构造
相同时,热流由上向下的空气间层热阻值最大,竖向 根据表 1 中的数据,计算得“出河北亨达”玻璃丝
空气间层次之,热流由下向上的空气间层热阻值最 棉的导热系数λ, 1.52× 0.049 ,20.074 8 W(/ mK), ?
小。此外,当空气间层超过一定厚度 (4 约cm)后,由 则该屋面构造 的实际传热系数 K,λ/δ ,0.074 8/ 2
2于传热空间增大,反而易于空气的对流换热,热阻值 (0.049 ×22),0.76 W(/ m?K)(注:用直接测得的保温
几乎不随厚度增加而增大。 棉传热系数进行计算,无需再用修正系数进行修正,
也不再计入表面传热阻)。 根据上述理论,对图1 中的围护系统构造进行改
进,将一层 100 mm厚的保温棉分隔成两层 50 mm 厚 比较屋面构造传热系数设计 K值与实际值 K, 1 22的,并分别安装在檩条的两侧(在檩条处形成一个空 两者关系为:K[0.76 W(/ m?K)],K[0.627W (/ 2 1
2气层),改进后的屋面构造自上而下依次为:压型金属 mK)]。可见,由于实际工程中使用的保温棉大都?
存在负 公差,按其真实性能进行计算,得到的传热系数
K无 法达到设计要求。这种情况一方面需要对建材市2
场进
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保温隔热屋面
[1] 22表 2 常见空气间层类型及空气间层热阻值m?K/W 0.658 m?K/W,下层保温棉实际传热 R阻,δ/λ, 32 0.049 2/0.074, 08.658 mK/W。以选择合理柱距 ? 材料特性普通空气层内壁单面覆铝箔内壁双面覆铝箔下常用的冷弯薄壁 C 型钢 C160 作檩条为例,除 间层位置水平或倾斜垂直水平或倾斜垂直水平或倾斜垂直去两侧各 50 mm 厚的保温棉,空气间层厚度d,6 热流方向向上向下向上向下向上向下2cm,则空气间层实际传热R阻, 0.181 mK/W ?2 间层类型P1 P2 P3 D1 D2 D3 S1 S2 S3 (为与试验相对应,间层位置选择为垂直),故围 0.5 0.103 0.103 0.103 0.163 0.163 0.163 0.172 0.181 0.181 护系统各层材料实际总热 R阻,R+R+R,1.551 p1231.0 0.138 0.138 0.138 0.258 0.275 0.258 0.292 0.335 0.310 间 2m?K/W;围护系统实际传热系 K数,1/R,1/ 5 0 层 2.0 0.155 0.172 0.163 0.353 0.430 0.387 0.447 0.559 0.490 2厚 1.551,0.645 W(/ mK)。 ?3.0 0.163 0.181 0.172 0.400 0.507 0.439 0.516 0.714 0.593 度 采用相同保温材料,按图2 所 示屋面构造制 4.0 0.172 0.189 0.181 0.421 0.567 0.473 0.550 0.843 0.653 /cm 成的 1.5 m×1.5 m 的合成屋面试件,采用热箱法 5.0 0.172 0.198 0.181 0.421 0.602 0.490 0.559 0.937 0.688 2测得其传热系数 K,0.524 W(/ m?K)。 比较设6,6.0 0.172 0.198 0.181 0.430 0.636 0.499 0.567 1.015 0.705 计值 K、材料计算值 K与屋面构件实测 45 屋面板(带屋面支架?50) mm厚玻璃丝棉保 温层(容
3重 16 kg/m)?檩条?50 mm厚玻璃丝棉保温 (层容
32重 16 kg/m)?压型金属屋面底板( 2图)。 值 K,其相互关系为:K[0.524W (/ mK)],K[0.563 ?66 422W(/ mK)],K[0.645W (/ mK)]。这一结果表明,即 ??5 屋面面板 使实际保温材料性能与设计要求相比,存在一些功能 上的折损,但采用双侧保温层中间设置空气间层的构 造,保温效果仍能达到设计预期。 附加檩条
比较图 1 中屋面实测传热系 K数与图 2 中屋面 3 2实测传热系数 K,两者关系为:K[0.524W (/ m?K)], 66 50 厚玻璃丝棉保温层 2K[0.781W (/ mK)],即保温层材料与其厚度相同 ?底层压型钢板 3 屋面檩条时,将保温棉分置两层,利用空气导热性能差的特点, 图 2 改变保温层设置方法后的围护系统构造示意 无需增加材料成本(安装成本略有提高),就可以提高
屋面的保温性能,达到节能的目的。 在工程设计时,图2 中屋面构造的上 层保温棉 传3 保温材料表面覆铝箔提升保温性能 2热阻 R,δ/λ/α,0.05/0.058/1,.20.718 mK/W,下层保 ?1同样的保温材料,只要采取不同的安装方式(一 2温棉传热阻 R,δ/λ/α,0.05/0.058/1.,20.718 m?K/W。 3层保温棉变为两层保温棉),就可以提高整个围护系 由空气间层厚 度d,6 cm,查表 2 得到空气间层传热
统的保温性能。下文将继续对保温材料进行探究,以 2阻 R,0.181 mK/W(此围护系统为屋面,但由于试 ?2
近一步提高材料的利用效率。 验设备限制,构件为竖向放置,因此间层位置为垂
分析表 2 中的数据可以发现,如果在空气间层的 直),故保温层各层材料总热阻 R,R+R+R,1.617 p123
2材料表面覆上铝箔,使空气在接触保温层表面时的辐 mK/W,围护系统总热阻 R,R+R+R,0.115+1.617+ ?0npw
2射热有了反射作用,阻止热传导进入保温棉,便可提 0.043,1.775 mK/W;围护系统传热系 K数,1/R,1/ ?40
21.775,0.563 W(/ m?K)。 高空气热阻值。一般情况下,工程中应用的纤维状保
温棉都覆有一层有一定抗拉强度的膜材,起保护保温 按照图 2 所示屋面构造形式,采用实际采购的
棉、避免保温棉断裂或受潮而失去保温效果的作用。 “河北亨达”玻璃丝棉保温材料进行计算,得到该屋面
构造上层保温棉实际传热阻 R,δ/λ,0.049 2/0.074 ,8 1
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保温隔热屋面
因此,对有节能保温要求的围护系统,只需选择铝箔系统局部热阻变、小增加传热量、削弱围护系统保温作为覆膜,并将两侧铝箔的覆膜方向都朝向空气间 性能外,还会导致室内表面或围护结构内部产生冷凝 层,就会形成一个有热反射能力的空气间3层)(,图 水,设计中应充分考虑其对系统热阻削弱的影响。从 实现不增加任何成本的同时,增加空气间层的热阻、 金属板屋面红外成像测得的屋面温度分布图可以看 提高围护系统的保温性能。完善保温材料后的屋面构 出(图 4),屋面温度最高的部位也正是屋面檩条所在
造自上而下依次为:压型金属屋面板?50 mm厚玻 璃 的区域。在这些区域里,保温棉被挤压后失去了大部 3丝棉保温层 (容重 16 kg/m,铝箔覆膜朝室内)?檩 分热阻,导致屋面整体保温性能下降。 3条?50 mm 厚玻璃丝棉保温层(容16重 kg/ m,铝箔
覆膜朝室外)?压型金属屋面底板。 38.3 ? 38 在工程设计时,图3 中屋面构造的上 层保温棉传 Sp1 236热阻 R,δ/λ/α,0.05/0.058/1,.20.718 m?K/W,下层保 1 2Sp3 温棉传热阻 R,δ/λ/α,0.05/0.058/1,.20.718 m?K/W, 3 34Sp2 当空气间层厚度为 6 cm 时,由表 2 得知空气间层传 32 2热阻 R,0.705 mK/W,故保温层总热 阻R,R+R+ ?2p12 2R,2.141 m?K/W,围护系统总热 阻R,R+R+R, 30.0 30 n p w
20.115+2.141+0.04,2.2993 mK/W,围护系统传热系 ?
2数 K,1/R,1/2.299,0.435 W(/ mK)。 图 4 金属板屋面热桥 ?70
事实上,热桥是金属围护系统中大量存在且不可
避免的,并且也是不可忽视的削弱热桥效应较好的 。
办法是在檩条(或墙梁)靠室外一侧加设硬质隔热块 屋面面板 或柔性隔热带。隔热块需具有一定抗压强度,用防热 桥的自攻螺钉通过金属压条固定在檩条或墙梁上(图 5,通常用于保温要求高的建筑物);隔热带通常是具 附加檩条 有双面粘结能力的聚氨酯泡沫条,在安装外侧保温棉
前将隔热带粘贴在檩条(或墙梁)外侧,安装简便(图 50 厚玻璃丝棉保温层 铝箔 6,通常用于保温要求不是很高,或是通过计算其热损 底层压型钢板
屋面檩条 失后也符合节能要求的建筑)。需要注意的是,隔热块
图 3 保温材料表面覆铝箔后的围护系统构造示意
比较保温棉不带铝箔层的屋面传热系数设计值固定支架
专用钢片 上层压型钢板 K与保温棉带铝箔层的屋面传热系数设计 K,两值 4 7防水透气层 2者关系为:K[0.435W (/ m?K)],K[0.563 W(/ 7 4 玻璃棉保温层 2m? K)]。以上结果表明,保温层表面覆铝箔可以提
升围护 系统的保温性能而不增加工程造价。 4 热桥对保温性能的影响
轻型钢结构装配式外围护系统需要檩 (或条墙 隔气层 梁)作为装配式屋面板(或墙板)的支撑,支撑部位保
屋面檩条 温材料被挤压或被隔断都会导致局部导热系数突然 底层压型钢板 防热桥块增大,产生热桥效应。热桥效应的后果除了使外围 护 防热桥自攻螺钉
图 5 隔热垫块的设置
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保温隔热屋面
图 6 隔热带的设置
和隔热带通常 用B1级材料制作而成 ,在应用时应考
虑建筑构造的整体防火性能。 图 7 多层保温层构造 防止热桥也可以采用多层保温结构,连接固定点
错向铺设来实现,这种构造可最大程度缩小热传递路 料的厚度等。)
径面积(图 7)。 3)构造中设置有效空气间层,能提高金属围护系 5 结论 统的保温能力。同样厚度的保温棉,分成两层分别铺
1)保温材料物理性能应与设计值相符。若围护系 设在檩条(或墙梁)的两侧,削弱热桥效应,增加一层 统保温设计不存在问题,但保温材料的选择出现偏 空气间层,既不增加任何材料成本,又可以极大地减 差,也会影响整个屋面系统的保温性能;保温材料的 小整个系统的传热系数 。
容重、厚度对整个围护系统保温效果也有一定的影 4)在结构龙骨上增设隔热块或隔热带,可以有效 响,实际工程设计前应对保温材料性能进行检测,严 消除热桥效应,提升金属围护系统的保温隔热性能。 把质量关。 参考文献:
2)围护系统实际传热系K数 值比保温计 算传热 [1] 王宇清.供热工程[M].北京:机械工业出版社,2009. 系数 K 值大,设计中应留有余量(如适当增加保温材
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接 第 13 页) 第四次再被风掀开,其运营将步入新的安全时代。
参考文献: 6 结束语
[1] 顾明,黄鹏,日周亘毅,等.北京首都机 场3 号航站楼风荷载 北京首都机场 T3 航站楼是迄今为止世界上最大 和响应研究[J].土木工程学报,2012,38(1):40-44. 徐春的单体航站楼,承担着首都机60场% 的旅客吞吐量。 丽.某国际机场航站楼屋面板抗风承载能力试验研究 [J]. [2] 作为一个投资 270亿的超大项目,得到了各方的关 结构工程师,2011,27(3):107-113. 吴春华,张宪彬.浅注。其金属屋面两年三次被风揭掀顶,虽未对机场安 谈金属屋面系统抗风性能的增强[J].科 技与企业,2012全运行造成重大影响,但无疑是一个安全隐患,不能 [3] (7):335,337. 孙成疆.直立锁缝金属屋面系统在模拟极等到真的出现重大事故再来认真对待。我们有理由相 端暴风工况下抗 风揭能力测试和分析[J].建筑结构2011,,信,只要认真对待,科学整改,认真研究并提高金属屋 41(增刊1 ). [4]
面的抗风揭技术,首都机场T3 航站楼金属屋面不会 (续完)
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范文二:金属围护系统发展简述2014.12
金属围护系统
发展简述
■ 刘晓丹
(中国钢结构协会冷弯型钢分会金属围护产品委员会)
内容导读:金属围护系统是采用冷弯薄壁型钢及压型金属屋面板配以保温隔热、吸音隔声以及防水等材料,组装成的围护系统。它的起源,由人们利用金属材料作为屋顶覆盖物开始,其历史可以追溯到12世纪中期,当时的德国及北欧一些国家及地区的手工工匠利用简单的手工工具,把细小的金属铜片通过咬口接缝的形式安装于一些标志性建筑屋顶之上。然而,金属围护系统中以金属薄板作为建筑材料,被接受及大量应用于一般工业与民用建筑,其历史则只有约200年的时间。
金属围护系统从最初作为屋顶的单纯性金属装饰,至今在建筑上扮演着建筑结构、保温隔热、吸声降噪及防水等重要功能,正是由于其具有一般建筑材料不可比拟的优越性能而存在并逐步发展壮大。
18~19世纪,钢铁工业发展
带动金属面板在建筑上的应用
早在18世纪初,英国人已懂得制造镀锡薄钢板并用于建筑屋顶之上作为装饰之用。随至18世纪前半期的工业革命,带动工场手工业向机器大工业的过渡,由机器的制造使得钢铁工业迅速得到飞跃式的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础,反映在建筑中,表现为开始不断涌现了新材料、新设备和新技术,尤以由热镀锌工艺发展而来的热镀锌的发明为代表性,它生产出的热镀锌薄钢板并开始被生产并应用于各类工业及民用建筑,至今天我们所见到的各种表面处理钢板的原型就是此时期产生。钢铁金属材料进入建筑领域,为近代建筑开辟了广阔的前途,更使建筑在空间设计上开始有了新的突破与发展,成为金属围护系统发展的重要推动力。
19世纪初期,因材料成本较低,人们仍偏向以锡板作为建筑屋面常用金属材料,镀锡薄钢板在美国得到广泛普及。人们尝试用锡板配以新的加工和安装技术制作金属屋面板,其中发展出卷边平扣屋面板连接方式,同时采用松香和铅锡焊密封板间缝隙,卷边平扣屋面板连接及密封板缝技术的出现,是金属屋面系统运
用的开端。其后,伴随着钢铁加工工艺的发展,人们开始尝试用铁板等其它金属材料制作金属屋面系统,并开始应用到工业等其它领域,典型的有1829年,英国船坞公司的工程师亨利帕尔莫(HenryPalmer)设计一种瓦楞状的薄铁板被第一次工业化应用于英国船坞公司的货仓屋顶及墙面上,标志着压型金属板的正式应用。
第一代瓦楞板生产线
www.china-cri.org
S
PECIAL PLANNING
特别策划
至19世纪中,现代平炉和转炉镍管炼钢技术的出现,更使人类真正进入了钢铁时代,金属材料开始以多种合金状态形式出现,与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用,新冶炼技术的诞生,为人类生产了更多更大量的廉价金属选择,极大推动金属材料在建筑业上广泛的使用性及金属围护系统的发展。随着热浸镀技术的不断开发与应用,此时的金属围护系统开始以多种形式的金属薄板形式出现,并作为建筑围护面板被广泛应用于一般工业与民用建筑的屋、墙面中,如一些工厂、轮船、大型公共建筑等。
欧洲老式建筑20世纪,冷弯技术推动金属围护全面发展
进入20世纪,冶炼技术取得很大发展,产生出更多的金属材料用以建筑使用中,其中代表性的包括热镀锌薄钢板的革新;铝合金薄板的诞生,为金属围护系统在材料应用上提供很好的选择,促进金属围护在建筑上的应用及推广。
20世纪初期,人们在上世纪的热轧镀锌钢板基础上,设计出以连续的方式在作业线中进行热镀锌的冷轧成卷镀锌技术,使镀锌钢板成本大幅度降低,而生产效率及产品质量得到极大改善,镀锌钢板及压型钢板成为一种较经济实用的金属板材料开始批量生产,并逐渐替代铅、锡合金板材,被大量应用于农业和商业建筑中。同时,为配合钢板的加工和安装使用,人们发展出了压型板屋面系统,直接用螺钉与屋面结构固定连接,板面有肋,纵、横向可用搭接连接,可以说,压型板的应用是金属屋面系统发展的一个重要里程碑。另外,铝合金薄板也在这个时间被人 0
类发明,1906年,德国的冶金专家威尔姆在铝中加入少量的镁和铜,制成了硬度极高的铝合金,铝合金薄板以其重量轻,防腐性能强,加工性能好等优异物理性能,逐步被人们认可,至20世纪中期后逐渐发展成为主流金属建筑材料。
20世纪中叶开始,辊式冷弯成型技术开始逐步发展并广泛性应用,直接促进金属薄板在围护系统中的应用,更丰富的材料选择(如铜板、锌板、钛锌板、铝合金板、镀锌钢板等配以不同合金型号),更多的板型设计(卷边型、扣合型、折封型、熔焊型等),更详细的设计考虑(建筑设计考虑、结构设计考虑)成为这时期的金属围护系统发展特点。金属围护系统各种配件不断完善,屋面、屋檐、屋脊、天沟的节点处理逐步规范化,同时,屋面系统不再以为单纯的金属面板形式出现,而是以具有保温隔热、吸音隔声以及防水等材料,组装成的作为具有建筑结构性能的围护系统,并已成为建筑的一个重要组成部分,配套着建筑的使用,在欧洲地区已出台有关金属围护结构应用
的技术规范(如BS5427-1996),规范的出台,标准着金属围护系统技术走向标
准化。完善的设计考虑、优越的系统组合形式成为围护系统的跨越式进步,这世纪末,金属围护系统发展基本完善。
21世纪,新技术引领
金属围护达至成熟阶段
进入21世纪,金属围护在发展中国家仍然是飞速发展时期,这时期随着钢铁产量稳步上升,建筑业伴随着经济发展成为发展中国家的经济支柱之一,金属围护系统普遍应用于各类公共建筑、私人建筑中,涵盖基础设施、工业、商业、住宅等各类场所,随着建筑技术的发展,人们对建筑要求越来越高,建筑
造型
及结构等越来越复杂多变,可以说,金属围护建筑已成为现代化建筑的标志之一,而且随着全球应用的多元化及广泛性,针对金属围护的技术规范不断问世,在上世纪末英国制定的金属围护应用技术规范后,一些地区及国家的研究机构或行业协会所制定的行业手册或指导文件对金属围护结构的设计与应用同样具有重要的指导意义,较为有影响的行业标准有欧洲地区的金属外围护结构制造商协会(MCRMA)的系列技术文件及北美地区金属建筑制造商协会(MBMA)的金属建筑系统手册(2006 Metal Building Systems Manual),整个行业技术不断完善中,金属围护系统发展至成熟阶段。
在材料应用上,设计师不断追求新的设计灵感,配合不同建筑特色,一方面,人们给各种材料赋予更多大胆的色彩选择,为各类建筑增添亮色;其次,新材料不断推陈出新,如各种新型的复合材料不断问世,在不降低使用效果(防腐性能、机械强度等)的前提下达到节约资源、降低成本的效果,以及研发一些超强性能的建筑材料,如耐候钢材等,配合极限建筑的需要;另一方面,人们也同时趋于原始金属质感的追求,运用原始金属打造出现代化建筑。
在工艺控制上,随着更成熟、更稳定的辊弯成型生产工艺发展,为金属围护系统在工艺上提供着出色的表现,冷弯设备能将材料一次性完成多项塑性加工工艺,如复杂异型金属板及围护构建等进行一次成型,满足了更多的建筑需求,同时,新技术使得产品质量控制更加精准,能一次性稳定的生产大量产品,缩短产品开发的周期、极大提高生产效率。
在产品选择上,建筑需求直接带动行业发展,行业厂家不断发展壮大,行业不断研发出更多的面板板型及系统搭配,并
欧洲围护系统竞技大赛现场
逐渐以地域性、气候性分区不同而形成了不同的金属围护系统类型,产品设计更加细化,产品选择更加多元化。其中欧洲地区在板型选择方面,人们却似乎更偏向以带有历史传承的双折封系统作为主流板型,再结合现代建筑要求搭配完善的系统组合,并以此作为主要工艺水平之评定(见下图为欧洲围护系统竞技大赛现场)。
在技术考虑上,在行业发展进程衍生的工程质量问题中,人们越来越重视技术设计上的考虑,并视设计是质量保证的前提条件,为保证金属围护系统质量,开始从设计原理上进行控制,以建筑要求和结构要求为两个基本要素进行金属围护系统的设计,并在以金属围护系统可持续发展的基础上,提出了金属围护系统的系统设计及应用考虑的十几个基本因素,并在这些因素基础上开展金属围护系统的设计,包括:(1)可持续性;(2)耐久性;(3)外观;(4)防水性能;(5)结构性能;(6)热工性能;(7)冷凝水的控制;(8)声学性能;(9)屋面防火;(10)防雷措施;(11)热位移效应;(12)细部设计;(13)附属装置;(14)自清洁;(15)系统的日常维护。完善的设计考虑基础,将是引领金属围护系统健康、长足发展的重要保证。
结 语
建筑作为人类的发展重要标志之一,不但承载人类繁衍生息居所功能,而且是人类精神文明和物质文明的产物,代表了不同时期、不同国家的文化和思想。金属围护系统作为一个由古老手工发展至现代新兴的产业,伴随在人们不断发展的文明变迁不断演变、进步,每一个演变都是人类进步的象征,见证人类的生活文化需求。将来,金属围护系统将继续伴随着人类进步不断超越自我,为更多的建筑提供美观实用的“盔甲”。
参考文献
[1]《金属屋面板系统的发展与应用》 黄唯 周怀伟 ;
[2]《金属屋面围护材料的历史》http://info.51sole.com/cd11/578841.htm;[3]《屋顶设计百科》 武者英二 吉田尚英(马俊 里妍 译)。
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范文三:浅谈港澳地区金属围护系统发展概况
浅谈港澳地区金属围护系统发展概况
澳门金属结构协会、香港建筑金属结构协会
中国钢结构协会冷弯型钢分会金属围护产品委员会
(刘晓丹)
金属屋面系统是以具有自保性防腐能力、轻质、高强、耐久的钛锌、铜、钛、镀铝锌彩板等金属薄板及铝合金、不锈钢薄板作为面材,配以保温隔热、吸音隔声以及防水等材料,组装成的建筑屋面系统。金属围护系统作为近代建筑业较为新兴的行业及技术,使用至今不过200多年历史,而真正发展起来是自19世纪热浸镀锌技术的开发应用,使压型薄钢板屋面的应用才日渐普遍化。
由于历史及地域的特殊性,港澳地区对国外新技术引用又相对较早、接受程度相对较高,对金属围护系统的应用基本自19世纪六七十年代便开始,至二十世纪末本世纪出初即发展成熟。整体有着起步早、发展快、技术成熟的特点,在行业发展道路上有着独特的轨迹。
一、港澳金属围护行业发展史
(1)两地历史共通性:香港与澳门两地在地域语言、历史文化背景等多方面的相似性,使得两地一直以来在经济发展、人才应用等方面均有密切的联系与合作,反应在建筑行业上,表现为两地工程在项目经理人、建筑师、工程师、测量师、承建商、建筑材料供应商、第三方监理和检测机构等实现资源共享与相补,为地区工程建筑行业提供巨大的贡献。
(2)行业发展史:而港澳的金属围护系统行业发展,均系自上世纪五六十年代开始,此时期的澳门,由发展博彩业带动建筑发展进而开始引入金属薄板材料进行建设,香港则是依靠当时发展蓬勃的造船业带动演变而来。至八九十年代,随着经济的稳定发展,钢结构建筑的逐步普及,港澳地区已有较为成熟的金属围护系统应用经验及技术管理,同时由于地域的特殊性,两地吸引许多世界一流的海外工程技术与管理人才,如大批的海外设计、建筑、管理公司为港澳建筑业带来海外最先进应用技术及经验,引用海外标准(欧标或英标)投放至建筑上做为示范。
二、回归前后金属围护行业迎来蓬勃发展
两地回归前后,港澳政府为迎接回归祖国均投入较大资金拟建一批公共建筑,直接促进了金属围护系统的应用,其后,澳门自2002正式开放赌权起,博彩旅游业的规模更进一步放大,带动了其他产业发展的延伸,同时极大刺激澳门地区经济,大型公共建筑及娱乐设施迅速崛起。另外,为配合“澳门东亚运动会”
及“澳门第二届亚洲室内运动会”的召开,澳门政府此时期建造了一批以金属屋面系统为主的体育场馆,作为各项重大体育赛事活动的中心场所及举办大型文艺演出、庆典和集会之用。港澳地区尤其是澳门地区同期迎来第一个高速发展时期,此期间大型项目包括:澳门回归庆典会场、澳门综艺馆、东亚运场馆(即澳门蛋)、奥林匹克游泳馆、关闸新边检大楼、凼仔运动场重建项目等等。而香港地区,随着“世界金融中心”地位日益巩固,港府投入了大部分基础建设项目,包括:香港会展中心一期、香港国际机场、香港大球场、香港亚洲博览馆等等。而此时,港澳地区设计师,多数引用欧洲传统屋面系统及一些新兴材料作金属屋面使用,成为工程典范。
澳门综艺馆(铝合金双折封系统)
关闸新边检大楼(镀铝锌屋面)
三、2005-2008年,金属围护行业发展成熟
(1)需求继续增大:回归后几年,港澳经济持续稳定增长,两地政府在完成了第一轮基础建设投入后,均迎来第二轮建筑业高速发展时期。在澳门地区,随着“世界第一赌城”为澳门创造更多可观收入,政府投入大量资金至钢结构的基础建筑中,金属围护系统进得到更大面积大范围的普及性应用,这时期的建筑主要有:新北安码头、莲花关边检大楼、澳门机场物流中心等。香港地区同期包括有:香港会展中心2期、亚洲博览馆等。
(2)技术成熟:此时期港澳地区金属围护行业经过数十年的发展,具有相对成熟的技术,并培养出大批本土技术人才,逐步在工程领域中担当重要角色,此时期的工程应用,更注重技术的提升及工艺革新上,不断运用及更新国际上最新工法,融合后创造出针对港澳地域性的技术考虑因素,如材料的抗腐蚀性及系统的抗风性的考虑。其中,澳门北安码头(一期)率先采用耐候与结构性能优越的316L 不锈钢系列作为金属屋面板使用,屋面面积逾2万平方米,成为当时东南亚地区最大的不锈钢项目之一。
(3)质量反思、成立行业协会:另一方面,对于上几年建造的金属围护系统工程因是完全引用外标及外国产品,部分工程因未能对港澳地区的地域特殊性(沿海地带属台风多发地区,防风防潮要求较高)作全面考虑,亦陆续出现一些工程质量问题,严重如被台风掀翻,轻则出现漏水生锈等问题,且在事故发生后,其质量责任不清晰,漏水情况仍未得到妥善解决,引发业界高度重视。有见及此,来自港澳地区业界的专业人士均自发分别成立港澳地区行业协会,以推动行业理性发展,并为规范行业技术开展一系列推进性工作。在行业协会指导下,此期间创造一批品质优异、技术精湛的工程项目,获得国家级的荣誉与认可,同时,此期间在高端的金属围护材料已进入成熟及全面推广阶段中。
澳门新北安码头(一期)
莲花关边检大楼
四、2009至今,金属围护行业的理性、高端发展
(1)经济格局调整:回归十余年,港澳政府为使两地经济结构能够更加合理,适时提出发展多元化经济模式,以为经济今后的更大发展,做好铺垫。在澳门地区,政府提出包括发展会展经济,三大服务平台等措施来加强市场环境的优化,努力扮好区域性服务中心的角色;香港地区,政府进一步巩固金融服务行业地位同时、拓展会展、物流、旅游、技术服务等多元化经济产业,使香港经济平稳增长。
(2)技术规范形成:在上述之经济模式下,金属围护系统行业发展进入一个理性发展时期,在技术引用上,此时期行业更注重技术的提升与工程质量的控制,两地行业协会(澳门金属结构协会、香港建筑金属结构协会)为推动行业发展的一系列工作均取得阶段性的成果,包括发布了联合国内外及两岸四地专家参与,以国标为主轴、外标为辅、以金属屋面系统质量保证为核心的建筑金属行业标准第一至五册(MCIS01~05),作为港澳第一套针对性的行业标准,为相关的学术与应用科学补白,亦为金属屋面系统设计、施工、质量控制与可溯性等提供指导性作用,发布即引起业界的高度重视,更获得澳门政府科技进步奖以示肯定。目前,该标准已在港澳地区工程广泛应用中,引导地区市场规范化发展;
(3)更高端的材料选择:在材料选择上,设计师更注重适合本地区优质高端材料用于工程建设,如耐候性优越的不锈钢材料、耐候钢材、纯钛金属板等,以满足设计需要,保证建筑寿命。如澳门地区多为选择耐候性优越的不锈钢材料,如在建的“澳门北安码头(二期)”;香港地区高端项目则偏向于采用超强耐候性的纯钛金属板,如香港地铁“香港站”、“东涌站”。
(4)与国内联系更紧密:港澳与大陆之间的联系日益紧密,港澳本地优秀项目技术人才更多为国内大型建筑项目提供技术服务,而在港澳工程建设上,越来越多港澳工程选用国内大型建设单位作为项目总承包或项目分包,在材料引用上,亦越来越多工程使用国产优质材料为港澳建筑增添亮色。
(5)经典项目:这时期港澳地区诞生不少品质优良的工程项目典范,如澳门新北安码头二期、澳门轻轨、香港会展中心扩建等。其中,在建中的澳门新北安码头(二期)作为至今为止最大的金属围护系统应用项目,项目总建筑面积逾10万平方米,由国内大型建筑公司作为项目总承包,考虑到澳门地区台风多发性及沿海的防腐蚀要求,使用耐候性优越同时又不影响民航安全的亚光型316L 不锈钢材料,并采用结构性能与防水性能优越的180°锁合式屋面系统,材料采购则源于国产优质材料。
建筑金属行业标准(MCIS )01~05册
澳门轻轨站
香港会展中心扩建
五、小结
现今,中港澳三地无论在政治、经济、科技、文化各方面皆有着日益紧密的联系,对金属围护行业而言,中港澳三地的合作互助,可使三地在工程材料应用、人才交流、技术提升、标准推广、行业协会推进等方面进行更大融合,必定有利于行业更大发展。
(1)在工程材料应用上,随着国家钢铁产业的整体发展,国家在材料技术上已有着国际先进技术,港澳地区未来在材料应用上将以国家产钢材为主要来源,有效促进国产钢材的进一步推广。
(2)在工程技术人才方面,随着国内对金属围护系统的应用日益广泛,在金属围护系统应用技术及工程质量控制上已有很好的提升,相信能与港澳行业人才在技术交流方面产生一个良好互动及互助关系;在技术标准推广上,港澳协会撰编的“建筑金属行业标准”皆为连同国家协会、国内地区行业协会联合发布,并邀请国内外及两岸四地行业专业人士作为起草及审编,以国标为主轴、外标为辅、以辅助国标完整性为中心思想进行编制,具有广泛的权威性及适用性。并且,“建筑金属行业标准”产品检测及产品标准系列亦已开始撰编中,毫无疑问,未来将以更完善的技术规范为金属围护行业提供更专业,更全面的技术指引。
(3)在行业协会工作上,近年来港澳协会与国内行业协会、国家行业协会在行业推进工作中产生了良好及紧密的互动关系,三地行业协会联合共同主办了多场国际性学术活动,产生不少技术新成果,广泛应用在工程技术上,为业界作出不可估量的贡献!
范文四:建筑金属围护系统抗风性能检测方法
建筑金属围护系统抗风性能检测方法
彭耀光,唐建伟,鲁胜虎
(澳门金属结构协会 澳门)
摘要:金属屋面板属于薄板结构,具有质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低的特点,属于风敏感性结构,所以风荷载是金属屋面的主要荷载之一,由于建筑的特殊造型和金属围护产品的多样化,人们即使参照某些已有的资料也很难对金属围护系统构件的截面特性和实际抗风性能进行准确的评估。为正确评估金属围护系统的结构性能,需对金属围护系统做抗风承载力检测,采用科学的检测方法对金属围护系统进行检测,有助于对金属围护系统的实际性能做出合理的评估。本文通过分析,论述了金属围护系统的实验室静压箱检测法及对金属围护系统进行动态风荷载检测的必要性。
关键词:金属围护系统 抗风承载力 静态抗风压检测 动态抗风压检测 金属疲劳效应
1. 前言
20世纪70年代末我国也开始了对金属屋面的应用,经过30多年的发展,已广泛的应用于各种工业和民用建筑中。然而金属屋面在我国的使用状况并不太理想,许多金属屋面工程在使用中出现问题。如2007年一场突然大风造成某机场主候机楼金属屋面破坏,面板掀起约100平方米(图1),屋顶内部上部PC 板几乎吹落或掀起,面积约3000平方米,该候机楼屋顶按GB50009-2006年版50年一遇基本风压设计,原设计能抗12级大风,机场航站气象台记录当时风速为29m/s,相当于11级大风,屋面破坏时风压未超过设计风压,面板破坏处T 形支座、主次檩条连接均良好,是由于屋面板卷边扣合拉脱导致屋面破坏;另有2012因受台风影响某火车站园区站房金属屋面15块1.0mm 厚的铝镁锰合金直立锁边屋面板遭到破坏(图2),该火车站园区金属屋面按GB50009-2006年版设计应能抗12级台风,但在10级大风破损,原因是直立边锁扣抗负风压强度不够。
图1 某机场屋顶破坏照片 图2 某火车站园区站房金属屋面损坏照片
上述被风吹坏的金属屋面都是在未达到风荷载设计值出现破坏,出现这种情况的原因是金属屋面围护系统的应用在国外已有相当长的历史,其产品、设计、检测等相对完善,而我国早期的金属屋面主要是穿透式的,后来从国外大量引进扣合、咬合等隐藏式固定的压型金属板屋面系统,在压型金属屋面系统应用中的技术和标准等相对滞后,因此不能通过计算准确的评估金属屋面产品的承载力。金属屋面板属于薄板结构,具有质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低的特点,属于风敏感性结构,所以风荷载是大型金属屋面的控制荷载之一;尽管在设计阶段依据荷载规范对金属屋面的抗风承载力进行了计算,但都是对单一构件的结构承载力进行计算,再将最小破坏荷载作为金属屋面的极限承载力,这显然是不对的,因为在屋面系统的设计阶段还需要通过模拟风荷载作用的检测方法对屋面系统的结构性能进行评估。
2. 金属围护系统抗风性能检测方法的发展
对金属围护系统影响较大的荷载为以(负)风荷载为主的均布荷载,因此对金属围护系统的试验检测应采用的理想加载方式为均布荷载而非集中荷载。金属围护系统发展早期,受当时技术条件的限制,对金属屋面进行检测是采用沙袋或水袋来进行加载,但随后人们发现采用沙袋或水袋进行加载的均匀性较差且沙袋和水袋只能提供正向的压力,要模拟风荷载的负压作用则需要将屋面板反向安装,这样在检测系统时就无法对金属屋面做出评估;此外,该方法只能对单板金属屋面系统进行检测,无法对有金属底板的屋面系统进行检测。对图3所示的金属屋面系统上施加正向荷载时只对上部的金属面板和檩条结构产生作用,如果将此金属屋面系统反向安装进行加载时,则只有屋面系统的金属底板受力,金属面板则不会受力,所以采用沙袋或水袋进行加载的检测方法不理想。随着技术的进步就出现了当下采用较多的气囊(薄膜)加载(图4)测试方法。从金属屋面的检测方法发展上来看,尽管施加荷载的均匀性有所改进,但与实际风荷载对金属屋面的作用效果仍有一定的差距,仍不能很好的反映出风荷载对金属围护结构的影响。
图3 采用沙包对金属屋面系统进行加载
图4 气囊加载
以采用气囊(薄膜)的加载方式对直立锁边金属屋面加载为例,气囊加载的原理是利用往气囊中充入空气时气囊膨胀对金属屋面产生向上的推力。为保证气囊气密性良好就要求气囊连续不能有穿孔,从金属屋面受力上看,采用气囊加载与采用水袋加载对屋面的效果几乎相同,只是测试时无需将金属屋面系统反向安装,同样不能真实反映风荷载对金属屋面的作用效应。具体表现在:a. 气囊膨胀时只有与气囊薄膜接触的金属板受到力的作用(图5),而实际上当金属屋面系统受负风荷载作用时整个屋面板是均匀受力的,除屋面板翼缘受力外进入卷边扣合处的空气对板肋也有力的作用(图6),该作用力会直接影响金属屋面的卷边扣合力;b. 采用气囊加载的方式,即使气囊膨胀到极限金属屋面板的变形也很有限,因为气囊薄膜阻止了空气进入固定支座与屋面板卷边结合的位置,限制了屋面板的变形;c. 采用气囊进行加载的方式容易出现气囊尺寸过小,气囊充满气体时屋面板系统达不到最大变形或极限承载力;d. 屋面板受力变形后屋面系统的气密性会发生改变,卷边的扣合力也会变小,进而对屋面的结构性能产生影响,采用气囊加载的方法忽略了屋面系统气密性对结构性能的影响,使测得的金属屋面系统的抗风极限承载力偏大不安全。
图5 气囊加载的单板金属屋面 图6 静态风荷载加载单板金属屋面 以上是对于单层板金属屋面进行的加载,对于有保温隔热和隔声等辅助层的金属屋面系统,采用薄膜加载的方式进行试验则更加的不合理,因为多层金属屋面系统有设置金属底板,采用气囊对多层金属屋面系统进行加载时只能使屋面系统的底板受力,上部金属屋面则不受力(图7)。事实上,当金属屋面受风荷载作用时主要受力的是最上面的金属屋面板,在负风压的作用下屋面板产生变形,卷边扣合处出现张开(图8),且由于室内外压力差的存在,屋面系统底板同时也受到力的作用,当达到屋面系统的极限承载力时屋面系统破坏。若只对上部的金属屋面板进行抗风承载力试验则与实际情况不符,所以采用薄膜加载的金属屋面承载力试验方法不合理。
要与实际情况相符合,最合理的测试方法应是除了在屋面系统试件周边进行密封外,试件其他部分不采用任何密封措施,通过使屋面系统两侧形成空气压力差来对屋面系统进行加载。在现有技术条件下,能模拟风荷载作用的金属屋面系统检测方法为实验室静压箱法,其可实现模拟真实的风荷载均匀的作用于屋面系统,产生静态和动态的检测过程。
图7 气囊加载屋面系统 图8 静态风荷载加载屋面系统
3. 屋面组装系统连接性能检测
我国当前的金属屋面产品质量良莠不齐,在实际工程项目中可能金属屋面的各组成部分产品来自不同的厂家,大部分产品厂家只是向买方对其产品质量保证,从而对于组装后的屋面系统抗风性能不能得到基本保证。因此,一个完整的金属围护系统检测不仅要对全套的金属围护系统进行检测,还包括组装系统连接构件的连接性能的检测,只有在保证连接构件连接性能的基础上再对全套系统进行检测才是科学的。
尽管金属屋面系统中各紧固件和连接件的材料强度可从材料的力学性能数据得知,但将屋面系统的各组成部分组装后总体性能实际情况则需通过检测才能确定。连接构件连接性能的检测仅是针对组装系统的各连接点的结构性能进行检测分析,是将组装系统按照荷载传递路径,自上而下按照系统组装顺序组装构件,作为一组试件进行循环荷载进行检测,排除系统内部隔汽层、保温隔热层和吸声层等辅助层,每个试件中包含屋面系统中的面板、紧固件及支撑构件,试件面积大小不超过300mm×300mm,每次试验准备五组试件,第一组试件用于进行设备调试;第二组试件测试时加载至试件破坏, 用于测试连接件的极限承载力;在取得试件的极限破坏荷载后,对第三组试件施加循环荷载,采用从零加载至最大荷载,最大荷载为极限承载力的50%;为确定组装系统的疲劳性能,对第四组试件进行15000次的动态加载测试,测试组装系统的疲劳性能;第五组试件作为备用试件。构件组装系统连接性能检测采用压力机进行。
金属围护系统的材料、构配件性能的检测结果是材料物理特性指标的真实反映,可作为金属屋面系统设计选材的依据,是保证围护系统满足设计与建筑使用功能要求的基础数据资料,通过检测结果能判定材料是否满足使用功能或设计要求。组装系统连接性能检测结果记录实测的最大破坏荷载最为测试报告内容,动态加载则以实际加载结果和是否完成加载次数等情况作为测试报告内容,构件组装系统连接性能检测以满足50%极限承载力的动态荷载作用下完成至少15000次循环无破坏为合格。当组装系统的连接性能检测合格后方可进行全套屋面系统的抗风压检测,对于全套屋面系统抗风性能的检测可采用实验室静压箱检测法
4. 实验室静压箱法检测
实验室静压箱法检测可分为静态风荷载检测试验和动态风荷载检测试验两种。静态风荷载检测试验是对围护系统试件施加均布静态风荷载,用以检测试件的变形、极限承载能力和连接能力确定系统发生功能性破坏的抗风性能指标,观测并记录测试试件的失效状态,评定系统的结构极限承载能力;动态风荷载检测是对围护系统试件施加动态荷载循环作用,以便更准确的检测围护系统的结构性能,分析金属围护系统的疲劳特性,评定系统的正常使用承载力。
4.1 静态风荷载试验法
静态风荷载检测是通过风箱对金属屋面试件进行分级加载直至试件破坏,其破坏特征为高压力状态下的承载力破坏。金属围护系统静态风荷载试验法是将金属屋面系统密封固定于风箱上,通过静压箱内产生均匀的风压力(正压、负压)作用在受检的金属围护系统上,通过记录其受力—变形曲线,观测屋面板及连接构件的失效状态,主要考察:
1)金属压型板的极限承载能力;
2)金属压型板的受力—变形曲线;
3)金属压型板失效后的残余变形情况;
4)金属压型板的扣合能力;
5)全套屋面系统连接构件的极限承载能力。
与采用气囊加载的检测方法相比,静态抗风压检测有以下特点:
a.只对金属屋面测试试件的周边进行密封,其他部位不采取任何密封措施,与实际运用
中的金属屋面所处状态完全相同;
b.由于没有薄膜的限制,测试过程中金属屋面板可在宽度方向上自由变形,变形后屋面系统的气密性发生改变,会对金属屋面系统的抗风性能产生影响,因此,采用静态抗风检测所得到的金属屋面系统的抗风承载力更准确;
c.对具有保温隔热或隔声功能的金属屋面系统,采用静态抗风压检测方法可对完整的屋面系统进行检测,综合考虑保温隔热或隔声层对金属屋面系统气密性的影响。
[1]4.1.1 加载方式与数据采集
静态风压检测的加载采用的分级加载的方式进行(表1示例),考虑金属屋面板自重的影响,当采用正压(屋面板受向下的压力)进行加载时,输入荷载值为零时屋面在自重作用下产生的变形量为试件变形的初始值;当采用负压(屋面板受向上的吸力)进行加载时,需预先施加相当于屋面自重4~10倍的压力值,此时屋面的变形量为试件变形的初始值。每到一级荷载,将压力维持在该压力的时间不少于60秒,待屋面板变形稳定即采集变形量;一般情况,第一级荷载增量为预估极限荷载的1/3;每一级荷载后,将压力差减少为零,在保持零荷载不超过5分钟的恢复期后,加荷载至压力参考零荷载点(如果使用的是参考零荷载,而不是零荷载)然后读数,确定第一个荷载增量下屋面板的残余变形。
表1:静态风荷载试验分级加载示例 加载等级 荷载值(Pa)
1
2
3
4
5
… 500 1000 1500 2000 2500 …
4.1.2 静态风荷载检测类别
与一般房屋结构的正常使用极限状态和承载能力极限状态相类似,对于金属围护结构,根据测试的目的的不同可将静态风荷载检测分为功能性检测和极限承载能力检测。
4.1.2.1 工程检测
工程检测是以检验测试试件在给定的风荷载目标值作用下,是否出现结构性损坏或影响系统正常使用功能的变形。测试的风荷载目标值根据项目所在地当地的建筑荷载标准以及建筑的设计要求确定,风荷载加压按分级加载的方式进行(表1),具体的荷载等级根据实际情况而定。当金属屋面系统试件达到目标荷载值后,对试件的各结构性能数据进行考察,若试件未出现结构性损坏或影响系统正常使用功能的变形则认为试件能满足要求;否则可认为金属屋面系统试件不能满足要求。
4.1.2.2 极限承载能力检测
有时不仅要确定金属屋面系统是否能满足特定的使用要求,还要确定金属屋面系统的极限承载能力,为工程设计人员提供参考和依据。当金属屋面系统满足工程检测要求,需要对金属屋面系统的极限承载能力进行考察时,只需将工程检测中用于测量屋面的各装置拆除,按照表1所示的加载程序,从工程检测中的荷载目标值下一级荷载值开始加载,当加载到某一级荷载值金属屋面系统出现破坏或功能性损坏时,则认为上一级荷载值为该金属屋面系统试件的极限承载力。
4.1.3 检测结果与评定
静态风荷载检测所采用的风荷载值为基本风压值考虑体型系数后的风荷载标准值Wk(考虑
风荷载局部体型系数、阵风系数、高度变化系数等),实际测试结果评定时,静态风荷载检测值不应小于风荷载设计值Q(Q=风荷载标准值×风荷载组合系数),即可判定金属围护系统抗风性能合格。
4.2 动态风荷载试验法
采用气囊对金属屋面系统进行加载试验,只是对金属屋面系统在静态荷载作用下的极限承载能力进行检测,然而国内一些重大的金属屋面工程尽管使用前经过了荷载计算和静态荷载作用下极限承载能力的检测甚至是通过了风洞模拟试验检测,但金属屋面工程被风破坏的事故依然发生,且多表现为低压高频的破坏特点,即金属屋面在远低于设计风荷载的情况下破坏。
事实上金属屋面系统受风荷载作用是一个复杂的过程,有些金属屋面系统在远低于设计荷载值的情况下依然被风吹坏,究其原因是因为金属屋面板产生疲劳所致。金属屋面板属薄壁结构具有自重轻、结构柔性大、本身机械阻尼小和结构自振周期与风的卓越周期接近的特点,因此对风荷载较敏感。金属屋面围护系统是建筑物与外界环境直接的部分,不可避免的要受自然环境的影响,金属屋面在循环热膨胀效应的作用下也会产生一定的形变和金属疲劳效应,以上这些都会对金属屋面造成疲劳损伤影响金属屋面的结构性能,所以,应对全套的金属围护系统进行动态风荷载检测。
动态风荷载检测是以模拟风荷载的作用形式,为仿真动态风荷载作用下金属屋面的抗风压性能而进行的检测,试件破坏形式表现为高频低压下的疲劳破坏。金属屋面系统在经过动态风荷载测试后,系统的气密性会发生改变,出现不同程度的渗漏,此时实际空气渗透量的大小直接影响系统的水密性能和热工性能,当实际空气渗透量越大时,金属屋面系统出现渗漏的风险越高,且保温隔热性能越差,反之越好,所以测试中应注意测试压力箱体内空气的渗透量。
实验室动态风荷载试验法是通过静压箱向试件施加动态循环荷载,测试建筑金属围护系统在长期循环荷载作用下的结构性能,用于分析金属围护系统的综合性能,相比较于采用气囊对金属屋面进行检测的方法,动态风荷载有以下优点:
1)金属围护系统内紧固件在风荷载作用下的真实受荷能力;
2)不同类型的金属压型板在风荷载作用下的受力情况分析;
3)金属围护系统各组成构件在风荷载作用下的疲劳特性;
4)构件的变形对金属围护系统结构性能的影响;
5)空气渗透对金属围护系统综合性能的影响;
6)动态风荷载作用下金属围护系统的康雨水渗透性能。
采用动态风荷载检测法通过施加在建筑金属围护系统上的动态反复循环风荷载作用,可以较为真实的模拟,金属围护系统组成构件在各种风荷载状态下的结构性能,通过对金属围护系统受损破坏情况的观察与分析,能进一步确定金属围护系统组成构件的风致破坏机理,从而为屋面系统构件的选型和材料的性能分析提供可靠的依据。
4.2.1 动态风荷载检测加载方式
实验室静压箱检测动态风荷载试验采用的检测指标根据工程所在地的实际风向、风力、阵风作用形式确定,风荷载则可根据国家规范及港澳规范或与之相关的风作用形式来确定,对于特殊的建筑则可采用风洞试验确定风荷载的分布。
动态风荷载检测是通过在金属屋面系统上施加动态反复循环风荷载作用,加载过程中压力从基准压力值上升到最大荷载的时间控制在3~5秒,测试的风荷载值持续时间应大于2秒,风荷载卸载至基准压力值的时间应不多于4秒,总的风荷载波动周期应不多于10秒。
动态风荷载循环加载示意图见图9。
图9 动态风荷载循环示意图
动态风压检测是测试试件的动态风荷载极限承载能力的试验,试验检测装置应满足构件设计受力条件和支撑方式的要求,测试程序可参照表2中的程序,测试分为5个阶段,每个阶段的最大风荷载值增加25%,如A 阶段的最大风荷载值为P,则B 阶段的最大风荷载值为
1.25P……依此类推,E阶段的最大风荷载值为2.0P。
测试时从阶段A 开始,按顺序完成各个阶段的测试,现以阶段A 的测试过程说明采用动态风压检测法对金属屋面进行检测:在第1级荷载中从基准压力值加载到最大荷载,最大荷载为测试风荷载值的25%,在该级荷载中金属屋面系统需完成400次的阵风循环荷载作用;第2级荷载的最大荷载值为测试风压值的50%,在该级荷载中金属屋面系统需完成700次的阵风循环荷载作用;第3级荷载和第4级荷载的最大荷载值依次类推,需完成的阵风循环作用次数如表所示;第5级荷载加载时的荷载起始值为测试风荷载值的25%,最大荷载为测试风荷载值的50%,该级荷载屋面系统试件需完成400次的阵风循环荷载作用;第6级荷载加载时的荷载起始值为测试风荷载值的25%,最大荷载为测试风荷载值的75%,该级荷载屋面系统试件需完成400次的阵风循环荷载作用;第7级和第8级的加载依表2所示。
动态负风荷载检测阶段及风荷载载入值见表2。
表2 动态负风压检测阶段及风荷载载入值 加载顺序 第1组
1 2 3 4
0~1005 25~506 第2组 7 8 测试风荷载0~25 0~50 0~75分级(%)
测试阶段
A
B
C
D
E 400 0 0 0 0 700 500 250 250 200 200 150 150 100 100 25~7525~100 50~100 风荷载循环次数(次) 50 50 50 50 50 400 0 0 0 0 400 350 300 50 0 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
注:测试的风荷载分级是按基本风荷载值或指定风荷载值的百分比表示
值得注意的是,按照上述加载程序进行的5000次波动风荷载检测只是模拟一次台风中
屋面所经历的风荷载周期数,如一次真实台风的持续时间为13~14小时,约50000秒,相当于5000次动态循环中每次的循环周期为10秒,而测试风荷载的分级实际上是模拟真实台风的变化,所以对于动态风荷载的检测应高于5000次的检测要求。
在实际操作中笔者认为,当项目的设计人员或业主对围护结构的动态风荷载检测有考虑时,可增加动态风荷载的加载次数,而对于金属围护结构产品的认证则应按至少5000次的要求进行检测。
4.2.2 检测结果与评定
动态风荷载检测因加载至第5阶段时加载值为最高风荷载检测值,故检测以基本风荷载值叠加体型系数作为检测的基准荷载,但加载至第5阶段的最高风荷载检测值不应大于风荷载设计值Q,且检测不小于5000次波动风压加载后的板面永久变形不超过板肋高度或未出现破坏及功能性损坏时即判定试件合格。
5. 实验室静压箱法检测在实际工程中的应用
2012年一场台风对我国沿海某工程项目金属屋面成较大的损坏,约有3000平方米的铝镁锰直立锁扣板被台风掀翻,且被掀翻的屋面板全部位于吸风区,以致屋面出现渗漏。从现场损坏的情况分析,除了铝镁锰直立锁扣板被破坏,其余构造层次及原设计主结构均完好无损。对未破坏的区域进行检查,发现该金属屋面已出现此类型屋面系统的通病——板肋锁扣部位不同程度的张开。
在提升金属屋面系统抗风承载力的研究过程中,为了能对补强方案和所采用屋面系统的性能做出合理的评估,针对不同的补强方法采用实验室静压箱法对不同补强方案的金属屋面试件进行了检测。现给出采用抗风夹具和改变檩条间距的部分屋面试件的检测结果,见表3。表格中的破坏时的静态风荷载值为金属屋面试件在静态风压下的极限承载力,表示在金属屋面破坏时金属面板表面风压达到该值,破坏时金属屋面在夹具夹持边缘出现撕裂破坏;破坏时动态风荷载值为金属屋面在动态风荷载作用下的极限承载力,表示在金属屋面破坏时金属屋面的瞬时风压达到该值,破坏时金属屋面在夹具夹持边缘出现撕裂破坏。屋面试件中设置的夹具只是增加了固定座处卷边板的扣合力,比较相同板跨金属屋面试件在不同形式风荷载作用下的极限承载力不难发现,动态风荷载作用下的金属屋面试件的极限承载力力远低于静态风荷载作用下的极限承载力,说明动态风荷载使金属屋面系统出现低压高频破坏。所以金属屋面系统除了应进行静态风承载力检测还应进行动态风荷载检测。
屋面系统试件屋面板均采用65-420型铝合金屋面板,屋面板厚度为0.9mm,为增强屋面板与T 型支座的连接力,在每个固定座位置均设置有抗风夹具,檩条间距分别为600mm 和1200mm,屋面系统试件构造见图10。
图10 屋面系统试件构造图
检测结果如下:
表3 静压箱法检测结果 检测方法
静态风荷
载试验法
动态风荷
载试验法 屋面板类型 65-420型铝合金屋面板65-420型铝合金屋面板65-420型铝合金屋面板65-420型铝合金屋面板檩条间距600mm 1200mm 600mm 1200mm 破坏时静态风荷载值 -6300Pa -6364Pa —— —— 破坏时动态风荷载值 —— —— -2756Pa -2000Pa
通过检测结果可以发现改变檩条间距对该屋面系统的抗风承载力提高不大,相同构造的直立锁边金属屋面系统在动态风荷载作用下的破坏荷载远低于静态风荷载作用下的破坏荷载,与遭到低风压破坏的金属屋面的情况相符,说明在周期性荷载作用下屋面系统的结构性能会发生改变,这也就能解释很多金属屋面在低于设计风荷载值的情况下遭到破坏。所以在金属屋面系统使用前的设计阶段有必要对其进行抗风承载力检测。
6. 小结
完整地金属屋面系统检测应包括系统连接性能检测、静态风荷载检测和动态风荷载检测。在金属屋面系统进行实验室抗风压检测前先进性系统的连接性能检测,经过15000次的连接动态性能检测,若承载力满足要求方可进行抗风压检测,对于全套的金属屋面系统试件通过5000次的动态风荷载检测合格后,再进行静态风荷载检测,综合以上检测结果评定金属屋面系统的结构性能。
动态风荷载检测以模拟实际风荷载的作用形式,采用仿真动态风荷载对金属屋面的抗风压性能而进行的检测,考察金属屋面在动态风荷载作用下的疲劳性能,可对金属屋面的综合性能做出更全面的评估。金属屋面系统的抗风压检测应以动态风荷载检测为基础,在试件经过动态风荷载检测无损坏后方可进行静态风荷载检测;当不能确定屋面系统的设计荷载时可先对金属屋面系统进行静态风荷载极限承载力测试,取静态极限承载力的1/2作为动态风荷载检测的基准值。
实验室静压箱法——动态风荷载检测结果与实际情况相符表明了其方法的科学性和合理性,科学技术发展到今天,在条件允许的情况下我们应采用更加科学和先进的方法替代旧的方法对金属屋面进行检测。同时与之相应的检测标准的制定也需要尽早落实,有利于我国金属建筑的发展和进步。
参考文献
1.《金属建筑行业标准》 MCIS-MBE-01~05:2013
范文五:冷弯金属围护系统及材料组成分析
冷弯金属围护系统及材料组成分析
中国钢结构协会冷弯型钢分会金属围护产品委员会
(彭耀光、刘晓丹)
在金属围护系统中,按建筑功能划分,是由金属薄板作为面材,配以保温隔热、吸音隔声以及防水等材料组装而成,其中,金属围护系统大部分产品及构件均由冷弯工艺加工而成,包括面板、固定件、内支撑、地板、檩条等,由此可看出,冷弯工艺的合格与否,直接影响着金属围护系统的产品质量基础。冷弯工艺是从上世纪70年代开始从国外引进至国内发展,尤其是对于金属围护系统行业而言,国内尚属比较新兴行业,专业上仍存在一些提升及完善空间,冷弯工艺下的金属围护系统中,每一个部分的组成均应有严格的技术考虑及使用标准,每个部分的合理选用,才能组成一个有独特艺术效果和经久耐用的完美屋面。同时,金属围护系统中组成构件的材质对于系统的性能有着紧密的关系,比如所选用的材料之间的兼容性、材料自身的耐久性、耐候性直接影响整个系统的使用寿命等等。所以在金属屋面系统设计中,对于组成构件的材质选用既要考虑到单一材料的特性,又要兼顾考虑构件材料对于整个组装系统的性能影响。
本文,我们尝试从材料及产品本身之生产加工工艺出发,向大家简述冷弯工艺下的金属围护系统及材料组成分析。
(一)压型面板
金属压型薄板是以具有自保性防腐能力、轻质、高强、耐久的钛锌、铜、钛镀铝锌彩钢板等金属薄板及铝合金、不锈钢薄板等经过辊压冷成型制成的具有一定截面形状的薄板,其中在考虑压型板因应材料物理性、系统荷载性能及经济性能等方面考虑,在厚度选择上应略有不同:材料
压型钢板
压型铝合金屋面板
不锈钢面板
锌板及钛锌板
铜屋面板
钛板厚度0.4mm~1.6mm0.4mm~3.0mm0.4mm~1.6mm0.7mm~1.5mm0.6mm~0.7mm0.4mm~1.2mm备注基材常采用热浸镀锌或热浸镀铝锌钢板建筑业用铜采用无磷脱氧还原铜法加工制造
其次,压型板的生产尺寸与生产厂家的生产工艺,生产设备、产品的运输、储存、安装等因素有关。就压型板的应用,特别是在大开间的屋面或墙面,使用长尺寸的压型板能有效地减少板长方向的搭接面的数量,降低屋面或墙面渗漏的风险。但同时也要充分考虑长尺寸的压型板(金属或其它热传导性好的材料)温度膨胀引起的变形问题。当金属屋面系统由两种或两种以上材料组成时,就应该考虑它们的整体强度、刚度及材料耐久性能是否一致,及相连材料的兼容性问题。
(二)固定件
金属围护系统常用固定件类型有:面板固定支座;螺栓及螺帽;钢制、铝制或塑料垫圈,自钻螺钉,自攻自钻螺钉,带螺帽的螺栓及屋面专用夹具,压型金属薄板专用夹具,各类铝制或钢制拉铆钉等。
紧固件按功能进行分类的话,可分为主要紧固件和次要紧固件两大类。(1)主要紧固件既要保证有足够的强度承受荷载作用,同时要考虑耐久性能是否能达到系统耐久性能的要求,在屋面系统中,碳钢材质的螺钉,表面必须采用镀层来提高其耐候性能,可以进行表面电镀镀层、热浸镀层等处理。但如果螺钉头部常裸露于外部,在环境腐蚀严重的条件下,为保证耐候性能,可采用不锈钢螺钉或不锈钢复合螺钉,以达到耐候性要求,保证屋面系统性能不会因单个零件的破坏而失效。(2)次要紧固件主要提供板的侧向搭接或泛水板等构件的连接作用,通常情况不考虑其结构性能。我们在屋面系统设计中选择紧固件时,其结构性能,环境条件,耐腐蚀性能,防风雨和易使用性等都必须考虑。
其中,系统最主要的紧固件是面板固定支座,它是根据需要将金属板制作成能与金属面板扣合的金属支撑架,在金属围护系统中主要起着传递荷载和保证屋面板与下部支撑结构(内支承系统、檩条、结构底板)有效、安全的连接,需具备一定的结构强度与结构稳定性能。首先,固定支座应该有足够的厚度来抵抗负风压,常用的固定支座材料为铝合金、镀锌钢、不锈钢等;其次,固定支座与下部支撑结构的连接采用螺钉紧固,而固定构件可采用原色或彩色涂层铝合金板材;除此以外,因金属面板材料一般具有较大的热膨胀悉数,在设计与建造金属屋面系统的过程中,应充分考虑金属屋面构件的热位移效应,为此,可以使用具有热位移功能的固定支座,可在满足结构荷载性能同时满足面板热位移效应,更有效保证系统性能(如图1)。
图1:滑动式固定支座
(二)内支撑系统
屋面系统作为外围护结构,因应节能要求的考虑,需依据规范要求满足传热系数的规定,当屋面内部保温材料厚度达到一定条件时,系统才能满足节能要求。而冷弯工艺制作的内支撑系统是装配式双层屋面系统中的一个重要组成部分,是创造屋面系统内部有效空间,更好地实现系统热工性能及声学性能的重要保证。
内支撑系统可以是单个构件构成,也可以由多个构件相互组合共同实现。内支撑系统是屋面荷载传递路径上的重要一环,是系统内部的一个重要结构单元。其组成构件自身除要具备一定的结构强度与结构稳定性外,还必须保证与之相联系的屋面板、下部支撑结构(檩条、结构底板)之间有效、安全的连接。常见的内支撑构件有板条式和支撑架式两种。其中,支撑架式内支撑系统能有效地提供足够的内部空间予以屋面系统,结构较为简便,安装便利,结构性能优良,构造采用横梁扣合在支撑上,在扣合点采用螺钉紧固,能大大提高结构性能及稳定性,另外,由于下部支撑点相对减少,结合相应的断热桥构件(橡胶或塑料隔热垫),可以有效地降低屋面系统内部热桥效应。
而在材料选择上,内支撑构件可采用强度较高的冷弯镀锌钢板,厚度通常可为1.0mm 、1.2mm 、1.5mm 等,需通过结构设计验算其强度及稳定性,且在设计中应考虑到其对热桥效应的影响,关于内支撑构件强度稳定性,可通过实验进行测试获得。
图2:支撑架式内支撑系统
(五)底板
底板是装配式金属屋面系统的一个有效组成部分,常用作于屋面底板、天花,可保护屋面保温层及为屋面内层提供光洁的表面。不同形式的底板都应具备一定的结构强度与刚度,以保证它能承受除自重荷载外,还应该能承受金属屋面系统内部其它组成构件的重力荷载。可用于屋面底板的材料很多,诸如压型金属薄板、纤维水泥板、石膏板材,通常,装配式的金属屋面系统的底板多为厚度一般为0.2~1.5mm 冷弯压型金属,材料选择上有镀锌、镀铝锌钢卷或铝合金卷,具有优良的耐大气腐蚀性能,同时又有良好的焊接性能和冷加工成型性能,为迎合建筑美观要求,底板的表面一般进行涂装处理,可配PVDF 氟碳聚脂、SMP 硅质强化聚脂树脂或PE 聚脂彩涂烤漆系统,为建筑外观设计提供多色彩的选择。在板型选择上,底板在一般为利用率较高的波纹式板型,外形简洁明快,具有可靠的结构功能及良好的经济性能(如图4)
图4:常用波纹式金属底板
另外,为提高底板的结构性能,可使用具有结构支撑性能的功能性底板,如新型的盘型结构性底板(如图5),采用高强度钢板压制,可供屋面板所需全支撑底板,省去檩条及内支撑构件,同时盘型结构性底板可以提供放置保温材料的空间,在相同系统性能条件下,可有效减小屋面系统厚度及缩短工期等优点,且安装后形成整体天花效果。
图4:盘型结构性底板
(六)檩条
檩条有主檩和次檩之分,主檩条连接安装在屋面及外墙结构柱梁上,次檩条用于把屋面板及外墙板连接在基础结构上,檩条是应用近代冷弯成型工艺,经精密加工冷轧而成。在金属围护中的檩条为次檩条,包括C 型和Z 型檩条,在屋面上,一般沿屋顶长度分布的水平部件,位于柱梁上,起到减小跨度和小型次梁的作用。檩条在规格及材料选择上,檩条高度一般为140-250mm ,厚度1.4-2.5mm ,冷弯薄壁型钢檩条一般选用Q235或Q345的镀锌钢板为主要材料(也可选择更高强度的镀锌钢板增强结构性能),大多数檩条表面涂层采用防锈底漆,也有采用镀铝或镀锌作为防腐措施。在建筑上,C 、Z
型檩
条由于可在结构连接点作反向搭接安装,除另连接点结构强度加大,有效减少型钢厚度,更有力缩短施工周期,增加整体效益。此类檩条可满足9米左右的跨距,且具有较好的经济性,当檩条跨距大于12米时,冷弯型钢C 、Z 型檩条无法通过计算,必须考虑采用桁架檩条或其它支撑结构。
而在结构应用上,C 型檩条与Z 型檩条又具有一定区别,关于这个,我国于1999年颁布实施了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》,有详细介绍冷弯薄壁型钢檩条的布置、计算和构造。首先,Z 型檩条和C 型檩条的角度是不一样的,C 型成90度,Z 型是小于90, 大致60至75度的, 所以一定坡度的屋面采用檩条时就要结合受力知识考虑檩条的角度问题, 坡度大采用Z 型可以充分利用其的抗弯性能;其次,C 型截面与Z 型截面相比,强弱轴的力学性能差异较大,设计时,需考虑是简支构件或是连续构件进行考虑。简单来讲,当在屋面坡度较小时,Z 型檩条抗弯截面模量稍大于C 型檩条,但差别不大,而当屋面坡度增大,Z 型檩条对称于竖直方向的抗弯截面模量利用率增大,所以Z 型檩条适用于坡度较大的屋面,如果檩条想做成连续构件,则最好Z 型檩条,因其搭接方便。
另外,C 型檩条还可以通过双拼组成C 型冷弯薄壁型钢刚架,直接实现结构性能的提升。将两根C 型冷弯薄壁型钢以“背靠背”的方式用螺栓将其腹板牢固连结在一起,从而组成梁、柱等基本受力构件的结构,梁-柱或梁-梁采用钢板和螺栓连接形成节点。且相比其他门式刚架,此类钢架具有质轻经济、性能优良、施工快速、美观耐用的优点,具有良好的经济效益和广阔的应用前景。
(七)附件
除以上冷弯构件外,一般在金属围护系统中还使用了大量的冷弯金属或非金属附件,如金属泛水板、屋脊盖板、屋脊压条、防水堵头、挡水板等,同时还包括了屋面防坠落装置及屋面安全人行通道等,这些冷弯构件与金属屋面一起共同形成了一个完整的屋面围护系统。在设计选用这些系统附件时,我们应该考虑一些基本的设计及使用因素,包括:a) 材料的物理性能;b) 结构强度;c) 连接方式及强度;d) 材料的兼容性;e) 材料的耐候性能;f) 安装节点的处理等。
(八)结束语
冷弯工艺决定产品质量的优劣,而产品质量由决定着工程质量,质量控制是行业最重要工作也是重要目标。在围护结构工程中,各个系统构件通过合理组装而形成一个完整的围护系统,为建筑承担着遮风挡雨、保温隔热、吸音降噪等功能,所以,在系统组装时,供应厂家除必须保证每个产品质量达标外,还应兼顾组装完成后的系统整体性能是否达到使用标准,以保证工程质量。
参考文献:
1、《屋面檩条的构造和计算》
2、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》
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