1.研究背景
进入二十世纪九十年代，随着国民经济的高速发展，压型金属板在工业与民用建筑中的应用越来越广泛，特别是屋面系统，但压型金属板的设计应用及施工验收标准却相对滞后，特别是对金属屋面影响最大的抗风吸力问题没有得到很好的解决。
在屋盖的设计过程中，风荷载极其重要。在风的作用下，屋面常会受到很大的吸力，如果自重等荷载的作用不足以抵抗这种吸力，屋面将会被掀起、造成破坏。近年来，全国各地许多钢结构建筑的金属屋面由于设计不合理或施工问题导致被局部或全部掀起，造成较大经济损失的同时，也存在着一定的安全隐患。见图1-1。
2.金属屋面连接设计
压型金属板屋面的跨度通常超过6m，屋面钢板的厚度一般小于0.8mm，结构自重轻，因此对屋面压型金属板进行风荷载作用下的连接受力性能研究是十分必要的。
压型板屋面有两种典型的连接方式：紧固件连接与咬边连接。见图2-1、图2-2。
紧固件连接：紧固件外露式连接中，板和板之间通过自攻螺钉相连，连接性能可靠，能较好地发挥板材的强度，同时较好的承受屋面平面内的剪应力。
紧固件连接的板型存在一些问题：
首先，连接件暴露在外面，容易生锈，影响美观与使用。
其次，密封胶容易老化从而出现屋面漏水等严重问题。
咬边式连接：通过扣合或咬边连接的压型钢板，由于连接件是隐蔽的，从而可以较好地避免了此类问题的发生。因此，近年来应用隐藏式连接的金属屋面越来越多，在有条件的情况下,目前大多采用这种连接方式。
但由于设计规范相对滞后，以及应用单位与设计人员的认识程度不够等原因，国内外对金属板屋面系统的研究大多集中在保温、隔声、防水等领域，对力学性能的研究也多集中于外露式的搭接方法。咬边连接是压型板通过板与板、板与支架之间的相互咬合进行连接，其抗剪和抗弯承载力是通过相互之间的摩擦力来传递的，这种传力机制明显不同于紧固件连接的传力机制，其在风吸力作用下的传力机制，目前还没有成熟的理论可寻。
3.金属屋面抗风吸力试验研究
近年来，通过咬边连接的金属屋面板在风吸力作用下发生破坏的工程事故屡见不鲜，而在风吸力作用下的传力机制目前也还没有成熟的理论计算方式，因此对咬边连接的压型板屋面系统，其在风吸力作用下力学性能的研究采用试验方法比较可靠，有必要展开系统的研究。
基于上述原因，本课题选择了直立锁边压型钢板进行抗风吸力试验研究，探讨各种因素对咬边式连接体系承载能力的影响，为这种连接体系的应用提供实验数据，也为压型钢板技术规程及相关国家标准的修订提供依据和建议。
3.1板型选择
直立锁边压型钢板在国内应用以来，以巴特勒MR24板型为代表的板型颇受欢迎，因此本课题选择了这块板，其板型尺寸见图3-1，支架样式见图3-2，板边连接方式见图3-3；
3.2试验方法一：中冶院装置
在进行风吸力作用的模拟试验时，国内均为通过逐级反向加载沙袋或者砝码来实现，这种试验方法与真实情况的风荷载作用有一定差距，加载过程不连续，不能很好的模拟出风吸力对于金属屋面的荷载作用，所以中冶建筑研究总院有限公司组织相关专家和技术人员，通过对试验要求的模拟环境进行分析，同时结合国内外此类项目的试验方法和器具，制作了一套试验装置，对金属板屋面抗风吸力性能进行研究，本套试验装置已获得了国家相关专利。
3.2.1试验装置
试验装置的原理为将待检测屋面安装于试验底盘上，底盘内装有密闭气囊，通过对气囊充气使其膨胀，形成对屋面系统向上的推力，从而模拟风荷载作用时对屋面产生的吸力效果。
通过测试，得到气囊在不同气压下屋面板的位移数值及构件情况，直至屋面板连接处出现破坏。
试验装置底盘尺寸为3mx6m，支撑结构的边框架采用槽钢焊接，中间为热轧工字钢,见图3-4。
在底盘上引出一根无缝钢管，作为气压管使用，外接电子气压计，气压计设计与进出气阀在同一侧，方便控制气流输入输出的大小与读数。采用空气压缩机（见图3-5）作为试验仪器的进气设备，将屋面系统安装在试验平台上，并按照试验要求布置测量点，采用电子位移计测量位移，不同测点的位移数据通过数据采集仪传至电脑，用专业软件进行记录。（见图3-6-图3-8）
3.2.2试验原理及数据
试件：MR24屋面板 1.5m檩距 0.5 mm板厚支架厚度0.8mm
试验用空气压缩机将空气以预定好的标准速率打入密闭的气囊，空气进气量和速度依靠球阀进行控制，研究人员通过气压计读取当前气囊内的压力。当压力达到试验预设的第一个值后，将这个压力持续一分钟再读数并记录，之后继续增加压力，再持续一分钟进行读数并记录，如此反复，直到板材发生形变，最终直至破坏。
破环形态包括：板件局部屈曲、板件整体坍塌、板件变形超过规范要求、板件从支架中脱离、板件间咬口脱离以及支架处自攻螺钉的破坏。
在MR24板的试验中，一开始，试验位移计全部布置在板的中央，当逐级加载时，板中央挠度迅速增大，在0.5KPa时，位移就达到了50mm，而咬口处却完好无损，遂改为以咬口处为研究对象，将位移计布置在360°咬口的连接处，当加载到2.2KPa时，板肋处跨中挠度已明显超出规范要求，即已达到设定的破坏形态。（见图3-9-图3-10）
3.2.3试验方法二：美国FM认证试验
3．2.3.1关于美国FM认证试验
FM全球公司是世界上最大的工商业保险公司之一，通过其所属的FM认证（FM Approvals）机构向全球的工业及商业产品提供检测及认证服务。FM认证的证书在全球范围内被普遍承认，而且FM全球公司的保险客户也更倾向于使用通过了FM认证的产品，它向消费者表明该产品或服务已经通过美国和国际最高标准的检测。该标准不仅能够满足消费者对于产品品质的要求，而且能够提高产品在市场中的地位。工业及商业产品的“FM”证书及检测报告在全球范围内被普遍承认，“FM”的认可标志在消费者心目中也是最高品质标准的象征，其认可的标志在某种程度上超越了认证本身的价值。
FM的屋面系统认证在全球具有领导和垄断的地位。为了利用国外先进和成熟的屋面系统功能评价和系统认证技术，在中国建筑防水协会的帮助下，苏州防水研究院与FM认证公司经过多年筹备，成功建成了我国第一个符合FM认证公司技术要求的单层卷材屋面抗风揭实验室和金属屋面抗风揭试验室，并经FM认证公司授权，将正式开展对外的检测项目。
3.2.3.2巴特勒MR-24板型的FM试验过程
本次试验的地点是苏州防水研究院的金属屋面抗风揭实验室，检测标准为美国FM ANSI/FM4471:2010，FM 4471《1级 平板屋面认证标准》阐述了屋面系统在防火、抗风、抗冰雹、防漏等方面的试验标准，本次试验主要测试内容是巴特勒生产MR24屋面板的抗风吸能力。
试件及试件安装
屋面板选用巴特勒MR-24屋面板，0.6mm厚、屈服强度不小于345MPa。檩条为巴特勒（上海）有限公司生产的Z200预冲孔衬檩，1.95mm厚，屈服强度不小于345MPa，檩距1.5m。实验平台及金属板试件见图3-11。
固定件和锁片分别为Butler Scrubolt（r）自钻螺钉、ITW集团伊利诺建筑产品（苏州）有限公司生产的ITM Buildex 12-24xl-1/4” TEXS/5自钻螺钉、巴特勒产MR-24屋面板低型连接件-宽型锁片（见图3-12）。
首先将Z型衬檩通过ITW TEKS/5自钻螺钉固定至试验架主檩上，然后使用Butler Scrubolt（r）自攻螺钉将宽型锁片固定至Z型衬檩，在试验架上铺设MR24屋面板并用宽型锁片将其卡住，最后使用卷边机将MR24屋面板进行锁边咬合。试件平面布置图见3-13，试件实验过程及破坏见图3-14。
3.3数据统计及结果分析
升至4.3KPa（90PSF）过程中，MR-24屋面板低型连接件-宽型锁片从金属板锁缝中抽离，达到预定的破坏条件，经分析达到抗风揭等级3.6KPa（75PSF）。
4.结论
咬合型屋面板在风吸力作用下承载力与变形主要受以下因素影响：
4.1板型、支架类型及咬口方法
结合中冶院角驰Ⅲ板型抗风揭试验可以看出，采用机械咬口的MR24板型屋面板，其承载力和极限变形比采用手工咬口的角驰Ⅲ板型屋面板明显要高，其破坏形态为板局部屈曲。
支架的钢度及施工质量对咬边连接板型在风吸力作用下性能影响很大，其破坏形态主要发生在薄弱支架处。
4.2屋面板檩距
咬边连接屋面板在风吸力作用下的承载力和极限变形随着檩距的加大而逐渐变差。
4.3施工质量及周边固定措施。
板材与支架咬合部位施工质量较好的试件其极限承载力有明显提高；试件采取了周边固
定措施后，其极限承载力有明显提高。
4.4当风荷载较大时，屋面系统应进行试验验证
根据所有试件的荷载—平均位移图，当屋面板变形达到规范规定的L/250（L为檩条跨度）时，各个试件荷载大小基本上位于0.6KN/m2—1.2 KN/m2之间。
所以，针对试件所在条件下的几种情况，当标准风吸力小于0.6KN/m2时，不需要进行试验验证，当标准风吸力在0.6—1.2 KN/m2之间时，需要适情况而定，当标准风吸力大于1.2KN/m2时，则必须进行试验验证
参考文献：
[1] 羡永彪《单层屋面系统抗风荷载试验及其应用》
[2]《中冶集团建筑研究总院金属屋面抗风揭实验报告》
[3]《国家建筑材料工业建筑防水材料产品质量监督检验测试中心》检验报告NO.2010W08081
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