1.1 研究的必要性

金属屋面主要由冷弯薄壁金属板及保温、隔热、防潮、吸声等构造层组成，相较于传统屋面做法，具备质量轻、强度高、结构性能稳定而且外观实用性广、易于施工安装的特点。金属板材在建筑工程屋面应用历史悠久^[1]。在现存的建筑中有建于 15 世纪的耶路撒冷大教堂，其采用金属铜板作为屋面材料；修建于 19 世纪的法国 CHARE 教堂采用铜板作为屋面板。到了上世纪中叶，冶炼技术得到飞跃发展，金属屋面板的运用开始流行起来，修建于 1950 年日本的甲子园球场的大屋顶采用铝板屋面，1951 年日本各类住宅上采用压型铝板作为屋面板。上世纪 70 年代，伴随着冷弯成型技术的快速发展，金属屋面的工程应用进入高速发展阶段，板厚较薄的金属板在屋面系统中的应用逐渐广泛，从金属材料到金属薄板形式更加丰富。现在金属屋面板广泛应用于大跨大空间结构中，我国近年建设的大多数火车站、机场、体育馆等公共建筑都采用金属板作为屋面围护结构的材料, 如广州白云机场、武汉天河机场、厦门理工学院体育馆、河南体育馆、武汉火车站等。

金属屋面系统安全涉及到系统的防水、防火、抗冰雹、抗踩踏、抗风揭、耐久性等方面，其中屋面系统抗风性能关系到建筑屋面结构在大风条件下是否安全可靠，其对建筑的安全性、适用性影响重大，屋面系统破坏所造成的损失也较严重。因此国内外都很重视建筑的风荷载安全问题。然而近年来，沿海及较大风力地区都发生大量建筑屋面破坏的案例[2]。武汉天河机场二期主候机楼的屋面系统在 2007 年 7 月被突如其来的大风破坏；2010 年 9 月大风导致泉州火车站屋面漏雨，致使部分列车晚点乃至取消，同月其屋面板被风掀开；2010 年 9 月，厦门理工学院体育馆屋面压型钢板在台风作用下被掀开；2012年前后，河南体育馆屋面系统在九级大风作用下被掀，屋面中间位置屋面板及固定槽钢被风撕裂；2012 年 8 月，沪宁城际苏州园区站金属屋面系统在台风“海葵”作用下遭受严重破坏，致使 15 块 1.0mm 厚的直立锁边型铝镁锰合金金属屋面板被损坏；在 2010年、2011 年和 2013 年北京首都国际机场 T3 航站楼三次被风掀开，严重影响机场正常运营；2014 年，受 9 号台风“威马逊”影响，海口琼台师专体育馆金属屋面围护结构遭受严重破坏，致使体育馆内漏水严重。2015 年，台风“彩虹”登陆湛江造成宝钢工程屋面围护结构损坏严重。此类风灾事故严重影响人民的生命财产安全，为推进我国金属屋面工程健康发展，仍需要进行大量研究来规范金属板屋面系统的工程应用。

本文旨在对自攻螺钉型金属屋面板在风荷载作用下其结构构造的工作状态进行深入探讨，以完善对屋面板的抗风性能的研究。

1.2国内外研究现状

为减少大量风灾事故对屋面板的工作情况的不利影响，国内外在这方面进行了广泛的研究。针对作用在屋面上的复杂的风场、以及各种风致破坏的原因，人们已进行了大量的相关研究。如程志军[3]等研究了屋面形状、女儿墙及周边建筑对屋面风荷载的影响，总结了屋面风致破坏原因主要为：流动分离、内外压力协同、动力效应。

但相比之下，针对金属屋面抗风性能和设计方法的研究则显更具有工程意义和实用价值。

谢杰华，别雪梦[4]研究了大跨屋盖结构承受风荷载作用的特点，分析了大跨屋盖结构的风致破坏机理和破坏类型，并以体育场馆中最常用的网架结构屋盖为例讨论了大跨屋盖结构加固措施。

陈玉[5]结合目前国内外关于直立锁边金属屋面系统抗风性能研宄方法，建立系统抗风分析有限元模型，通过对影响该结构类型抗风性能的各类因素（屋面板厚度、擦条间距、屋面板宽度及金属卷边处摩擦系数、支座梅花头宽度、大耳边直径个参量）进行分析，提出直立锁边金属屋面抗风性能的改进措施。分析了对极限抗风承载力的影响，研宄发现：①增大屋面板厚度、减小屋面板宽度、增大卷边与支座间的摩擦系数、增大支座梅花头尺寸、减小咬合后大耳边直径均能有效提升屋面抗风承载力，其中减小板宽和增大卷边处的摩擦作用对于极限抗风承载力提升效果最为明显。②增大卷边与支座间摩擦系数、增大梅花头宽度、减小咬合后卷边直径这些措施，在提升承载力的同时，还能提高系统的材料利用率。③在实际工程中，可以通过减小板面宽度、增大支座梅花头宽度来提升抗风承载力；对卷边位置进行局部处理，例如进行金属键层等手段增大其与支座间的摩擦作用；加强对屋面连接组件施工质量的监管和检验，使施工后金属大耳边几何尺寸不超过，以保证卷边处和支座间的咬合力。

石景[6]等建立了直立锁边型屋面板的三维有限元模型，在有限元模型将板与板之间的连接情形简化为直接相连，利用弹簧单元处理支座与板之间的接触，有限元结果与试验结果对比，数据较吻合，验证简易有限元模型分析直立锁边屋面板的抗风性能的可靠性。