中美屋面系统抗风揭对比试验及结果分析.docx

中美屋面系统抗风揭对比试验及结果分析朱晓华，高敏杰（中国建筑材料科学研究院苏州防水研究院，江苏 苏州 215008）摘要：在美国 fm 实验室和中国苏州实验室分别进行了 epdm、pvc、tpo 三种单层卷材屋面系统和直立锁缝、暗扣板、复合平板三种金属屋面系统的抗风揭平行对比试验，结果显示中美两个实验室间的测试结果具有很好的相关性；文 中同时就测试结果与计算值之间的关系以及中美两国相关建筑规范中风速、风压的换算关系等问题进行了说明。 关键词：单层卷材屋面系统；金属屋面系统；抗风揭试验；对比试验文章编号：1007-497x（2011）-19-0006-08中图分类号：tu231文献标识码：awind uplift comparative testing between labs in china andthe us and result analysiszhu xiaohua，gao minjie（cbwma suzhou waterproof research institute, suzhou, jiangsu 215008, china）abstract: wind uplift comparative testing for three types of single ply roofs, i.e. epdm, pvc, and tpo and three types ofmetal roofs, i.e. standing seam, button board, and composite board were conducted in fm lab, us and lab in suzhou, china. the results obtained in the two labs show very good relativity. the article explains relation between test results and values calculated and conversion about wind speed and pressure used in building codes of the two countries.key words: single ply roof system; metal roof system; wind uplift; comparative testing1概述每年夏季台风和冬季大风都会使沿海和内陆的 工业、民用建筑遭受破坏，造成巨大的经济损失，其中 因屋面破坏而引起的受损案例所占比例很大。近些年 来，金属屋面和单层卷材屋面在机场、火车站、体育场 馆、会展中心、工业厂房、仓储等大型工程中大量运 用，满足了这类大跨度建筑对屋面系统的需求。但是，对这些大型工程屋面系统的抗风揭设计，目前国内尚无切实可行的试验方法进行实验室验证，包括对不同 安装方式、 材料和构造的屋面抗风揭试验。 gb500092001建筑结构荷载规范（2006 年版）虽为设计人员提供了建筑屋面风压计算方法，但未载明相 应的方法以供验证。在国外，目前有美国 ansi/fm 44742004用静 态正压和/或负压法评价屋面系统的模拟抗风揭和 欧洲 etag 006：2007 机械固定柔性屋面防水卷材 系统的欧洲技术认证指南两种试验方法，用于测定 屋面系统的抗风揭能力，前者已经得到北美、欧洲和 亚洲许多国家的认同。2009 年 4 月，中国建材科研总院苏州防水研究收稿日期：2011-06-29作者简介：朱晓华，男，工程师，1981 年生，就职于中国建筑材 料科学研究总院防水研究院国家建材工业建筑防水材料产品 质量监督检验测试中心。联系地址：215008 苏州市广济路 284 号，联系电话：051265579697，e-mail:。 06 cbw-roofing engineering 2011.19图 1 单层卷材屋面系统。图 2 将 b36 压型钢板机械 固定至试验架上。图 3 压型钢板上铺设聚 异氰脲酯保温板图 4 将 epdm 卷材沿长边 方向粘合在一起综述院（下称苏州防水院）与美国 fm 认证公司（下称 fm公司）在北京签署合作协议，引入美国 fm 公司的单 层卷材屋面系统测试方法。历时一年多时间的筹备、 培训和试验，苏州防水院于 2010 年 8 月正式获得美 国 fm 公司的认可并被授权正式开展检测业务。尔 后，双方又签署了开展金属屋面系统抗风揭试验的合 作协议。经过半年紧张筹备、装备制作和人员培训，对 比试验取得一致结果后，于 2011 年 3 月正式获得了 美国 fm 认证公司的认可和授权证书。两次授权标志 着苏州防水院建成了国内首个囊括单层卷材屋面系 统和金属屋面系统的抗风揭实验室。本文重点介绍单 层卷材屋面系统和金属屋面系统的抗风揭试验以及 中美实验室的对比试验情况。2单层卷材屋面系统抗风揭试验单层卷材屋面系统主要是指使用单层 epdm、 pvc、tpo 等防水卷材，用机械固定、满粘或空铺压顶 法施工的屋面系统，一般由单层防水卷材、保温材料、 隔汽材料、 压型钢板、系统配套件、机 械紧固件等组成。典 型的单层卷材屋面 系统，如图 1 所示。2.1试验概况1） 试验方法：ansi/fm 44742004 用静态正压和/或负压法评价 屋面系统的模拟抗风揭。2）试验装置：12 英尺24 英尺（3.7 m7.3 m）正 压装置。3）试验对象：单层卷材屋面系统对比试验共选取3 个具有代表性的屋面系统：三元乙丙（epdm）防水卷材满粘系统；聚氯乙烯（pvc）防水卷材机械固定、双道焊缝 系统；热塑性聚烯烃（tpo）防水卷材机械固定、单道 焊缝系统。4）试验前准备：在进行对比试验前，为将材料的影响因素降到最小，将收集到的完全相同的材料一分为二，分别寄到 fm 公司和苏州防水院各自的实验室 进行平行对比试验。5）测试加压方式：初始的压力等级为 1.4 kpa（30 psf），气压上升 速率为 0.070.05 kpa/s（1.51.0 psf/s），在该压力下保 持 60 s。通过引入更多的空气，压力等级再次增加 0.7 kpa（15 psf），按如上描述的速率进行，保持该压力等 级 60 s。接着如所述重复进行直至样品破坏、不能达 到或保持更高的压力等级，或依据测试人员的判断， 认为试验结束。2.2 epdm 防水卷材满粘系统屋面抗风揭试验1）试样制作过程： 将 b36 压 型 钢 板机械固定至试验架 上，紧固件相邻两排间 隔 1 830 mm，同一排紧 固件相邻间隔 152 mm 叠合缝使用钮扣钳，间 隔 610 mm 钳紧（图 2）在压型钢板上铺 设 规 格 为 2 400 mm 1 200 mm50 mm 聚异氰脲酯 （polyiso） 保温 板，每块保温板使用 16 个紧固件与圆形垫片配 合，即每 0.19 m2 使用 1 套固定件（图 3）。使用专用底漆和76 mm 宽 粘 胶 带 将 epdm 沿着卷材长边方 向粘合在一起，形成整 幅卷材（图 4）。先将粘结剂滚涂07201119 中国建筑防水屋面工程图 5 在卷材上滚涂粘结剂图 6 样品测试加压图 7 屋面系统破坏形式图 8 压型钢板上铺设聚 苯乙烯保温板图 9 将 pvc 卷材通过紧固件 固定在压型钢板上图 10 使用双道焊缝热风焊机 焊接 pvc 卷材图 11 样品测试加压图 12 屋面系统破坏形式综述在半幅 epdm 防水卷材和聚异氰脲酯保温板上（图 5），待表干后将卷材 慢慢铺在保温 板 上 ，辊 压，驱赶气泡，使卷材满 粘于保温板上；再将另半 幅以同样的方式施工，待 全部完成后，放在温度435 、相对湿度 35%（25%） 条件下养护 14 d。2）样品测试加压：见图 6。3）破坏形式：保温板 在垫片处破坏和保温板 面层从钉杆处剥离 （图7）。试验结果主要影响因 素：保温板自身强度和保 温板面层与主体复合强 度。4）测试结果：见表 1。表 1 epdm 防水卷材满粘系统屋面抗风揭对比试验结果在压型钢板上铺 设 规 格 为 2 400 mm 1 200 mm 50 mm 挤 塑 聚 苯 乙 烯（xps）保温板，每块保温板使用 4 个紧固件 与方形垫片配合固定 至 压 型 钢 板 上 （图8）。使用尼龙压条 将 pvc 防 水 卷 材 通 过紧固件固定至压型 钢板上，尼龙压条相 邻两排间隔 930 mm， 同一排尼龙条紧固件 相邻间隔 152 mm（图9）。使用双道焊缝 热 风 焊 机 对 pvc 卷 材进行焊接，外侧焊 接宽度为 40 mm，内 侧焊接宽度为 20 mm（图 10）。2） 样 品 测 试 加 压：见图 11。3） 破坏形式：沿 着中间金属屋面接缝 处，钢板从钉子头上 拔出（图 12）。试验结 果主要影响因素：钢 板强度和固定钢板紧 固件的数量。4） 测试结果：见 表 2。注：表中 psf 数据为试验破坏压力，后表同。2.3pvc 防水卷材机械固定双道焊缝系统抗风揭试验1）试样制作过程：将 b36 压型钢板机械固定至试验架上，紧固 件相邻两排间隔 1 830 mm，同一排紧固件相邻间隔152 mm。叠合缝使用钮扣钳间隔 305 mm 钳紧。tpo 防 水 卷 材2.4机械固定单道焊缝系统抗风揭试验1）试样制作过程： 08 cbw-roofing engineering 2011.19试验编号fm 实验室试验结果苏州实验室试验结果epdm-1上升至 165 psf 过程中，试 件破坏。达到 150 psf165 psf 保持 21 s，试件破 坏。达到 150 psfepdm-2150 psf 保持 33 s，试件破 坏。达到 135 psf刚升到 165 psf，试件破坏。达到 150 psfepdm-3150 psf 保持 44 s，试件破 坏。达到 135 psf165 psf 保持 1 s，试件破坏。达到 150 psf样品测试加压：综述表 2 pvc 防水卷材机械固定双道焊缝系统屋面抗风揭对比试验结果表 3 tpo 防水卷材机械固定单道焊缝系统屋面抗风揭试验对比试验结果达到 330 psf坏。达到 315 psf坏。达到 315 psf将 b36 压型钢板机械固定至试验架上，紧固件相邻两排间隔 1 830 mm，同一排紧固件相邻间隔152 mm。叠合缝使用钮 扣 钳 间 隔 610 mm 钳 紧。在压型钢板上空 铺 规 格 为 1 200 mm 600 mm50 mm 的岩棉保温板（图 13）。使用带棘圆形垫 片和紧固件将tpo 防水 卷材机械固定至压型钢 板上，相邻两排紧固件 间隔 2 900 mm，同一排 紧 固 件 相 邻 间 隔 152 mm；再使用热风焊机进 行焊接，焊缝宽度为 40 mm（图 14）。2） 见图 15。3）破坏形式：卷材 沿着搭接缝被钉杆撕裂 和在垫片处撕 裂 （图16）。试验结果主要影响 因素：卷材强度和紧固 件的间距。4）测试结果，见表3。2.5试验结果总结1）试验结果的相关性：从以上 3 组比对试验的结 果和试件的破坏形式来看，中美两个实验室间的测试 结果具有很好的相关性。在此基础上，fm 公司于2010 年 8 月正式授权苏州防水院承担中国区的单层 防水卷材屋面系统抗风揭测试业务。2）单层卷材屋面常见的几种过早破坏形式：聚酯内增强 pvc 卷材复合质量问题 （图 17- a）；金属垫片边缘过于锋利（图 17-b）；钉子抗拉拔力过小（图 17-c）；紧固件数量不够（图 17-d）。3金属屋面系统抗风揭试验常见的金属屋面主要有直立锁缝屋面系统、复合 平板屋面系统和叠合缝屋面系统等几大类型，它包括 但不局限于：檩条、屋面板、线性平板、隔汽层、阻气09201119 中国建筑防水屋面工程试验编号fm 实验室试验结果苏州实验室试验结果pvc-1330 psf 保持 4 s，试件破 坏。达到 315 psf345 psf 保持 1 s，试件破坏。pvc-2405 psf 保持 2 s，试件破 坏。达到 390 psf330 psf 保持 6 s ，试件破pvc-3330 psf 保持 31 s，试件破 坏。达到 315 psf330 psf 保持 12 s，试件破试验编号fm 实验室试验结果苏州实验室试验结果tpo-1105 psf 保持 5 s，试件破 坏。达到 90 psf上升到 120 psf 过程中, 试 件破坏。达到 105 psftpo-2105 psf 保持 11 s，试件破 坏。达到 90 psf105 psf 保持 3 s ，试件破 坏。达到 90 psftpo-3105 psf 保持 11 s，试件破 坏。达到 90 psf120 psf 保持 9 s，试件破坏。达到 105 psf综述层、保温、屋面覆盖物和所有关联的固定件。屋面系统的性能，由屋面系统中的所有部件和它们之间的相互 作用所决定。因此，当测试其抗风揭等级时，必须将屋 面系统作为一个整体进行评估。3.1 试验概况1）试验方法：fm 447120101 级 平板屋面认 证标准。2）试验装置：12 英尺24 英尺（3.7 m7.3 m）正 压装置。3）试验对象：对比试验选取了 3 个具有代表性的 屋面系统：直立锁缝屋面系统；暗扣板屋面系统；复合平板屋面系统。4）试验前准备：在进行对比试验前，为将材料的 影响因素降到最小，将收集到的完全相同的材料一分 为二，分别寄到 fm 公司和苏州防水院各自的实验室 进行平行对比试验。5）测试加压方式：初始的压力等级为 1.4 kpa（30 psf），气压上升 速率为 0.070.05 kpa/s（1.51.0 psf/s）。在该压力下保 持 60 s 后，排出空气直至没有上升力作用于屋面。通过引入更多的空气，压力等级再次增加 0.7 kpa（15 psf），并按上述的速率进行。保持该压力等级60 s 后，排出空气直至没有上升力作用于屋面。接着如所述重复进行直至样品破坏、不能达 到或保持更高的压力等级，或依据测试人员的判断， 认为试验结束。3.2 直立锁缝屋面系统抗风揭试验1）试样制作过程：将 z 型檩条间隔 900 mm 通过 ctek5 自钻螺 钉固定至试验架上（图 18）。在 z 型檩条上依次铺设直立缝锁边板及固定 座（图 19）。 使 用 cteks12-1430hwfs 自钻螺 钉，将直立缝锁边板及 固定座固定至 z 型檩条 上（图 20）。重复步骤、，至最后一片屋面板。使用卷边机将直立缝锁边板进行锁边咬合（图21），图 22 为安装完成后的直立锁缝屋面系统。2）样品测试加压：见图 23。3） 破坏形式：固定座不锈钢锁片从锁缝中松脱（图 24）。4）测试结果：见表 4。3.3暗扣板屋面系统抗风揭试验表 4 直立锁缝屋面系统抗风揭对比试验结果 10 cbw-roofing engineering 2011.19试验编号fm 实验室试验结果苏州实验室试验结果直立缝锁边板 -190 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 75 psf90 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 75 psf直立缝锁边板 -290 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 75 psf90 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 75 psf直立缝锁边板 -390 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 75 psf90 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 75 psf综述1）试样制作过程：将 z 型檩条间隔 750 mm 通过 ctek5 自钻螺 钉固定至试验架上（图 25）。在 z 型檩条上依次铺设暗扣固定座（图 26）。铺设暗扣板，并将暗扣锁紧（图 27）。重复步骤、，至最后一片屋面板，暗扣板屋 面系统安装完成（图 28）。2）样品测试加压：见图 29。3）破坏形式：暗扣屋面板从卡扣中松脱（图 30）。表 5 暗扣板屋面系统抗风揭对比试验结果定至檩条上。重复步骤、，直至安装完毕。 叠 合 缝 间 隔 300 mm 使 用 csp 10 -16 16hwfs 自钻螺钉固定，复合平板屋面系统安装完成（图 33）2） 试验破坏形式：平板从钉头处破坏或面层钉 子位置产生裂纹（图 34）。3）测试结果：见表 6。3.5试验结果总结从以上 3 组比对试验的结果和试件的破坏形式 来看，中美两个实验室间的测试结果具有很好的相关 性。因此，fm 公司于 2011 年 2 月正式授权苏州防水 院承担中国区的金属屋面系统抗风揭测试业务。4相关问题说明4.1测试结果与计算值间的关系4）测试结果：见表 5。3.4复合平板屋面系统抗风揭试验1）试样制作过程：将 z 型檩条间隔 1 200 mm 通过 ctek5 自钻 螺钉固定至试验架上（图 31）。在 z 型檩条上依次铺设复合平板（图 32）。使用 cteks14-20x135 自钻螺钉将复合板固11201119 中国建筑防水屋面工程试验编号fm 实验室试验结果苏州实验室试验结果暗扣板-1165 psf 保持 9 s，试件 破坏。达到 150 psf升至 180 psf 过程中,试 件破坏。达到 165 psf暗扣板-2180 psf 保持 40 s，试件 破坏。达到 165 psf165 psf 保持 29 s，试件 破坏。达到 150 psf暗扣板-3升至 180 psf 过程中, 试件破坏。达到 165 psf升至 165 psf 过程中, 试件破坏。达到 150 psf综述表 6 复合平板屋面系统抗风揭对比试验结果压 p（相当于中国的 k）的计算公式为：p=qgcp-q（i gcp）i（2）式中：q速度压力 （相当于中国的 z 0）；g压力系数 （相当于中国的 ）；c 阵风影响系数sp（相当于中国的 ）z ；qi速度压力 （内部压力测定）；c 阵风效应系数。pi美国的速度压力公式为：qz=0.00 256 kz kzl kd v2 i（lb/ft2）（3）按照 gb 500092001 建筑结构荷载规 范（2006 年版）计算出风荷载要求后，理论上可以采用 抗风揭试验进行验证，但是目前国内还没有建立相关 的关系。根据 fm 公司的经验，采用 ansi/fm 4474 和 fm4471 方法测得的抗风揭试验等级对设计风荷载 （美 标 asce705）的系数可以取 2，即设计风荷载（美 标）抗风揭试验等级/2。4.2 中美风速、风压的换算关系11）基本风压的定义中国现行 gb 500092001建筑结构荷载规范（2006 年版）2 定义的基本风压为：“根据全国各气象 台站历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要 求，将不同风仪高度和时次时局的年最大风速，统一 换算为离地 10 m 高、地面粗糙度为 b、自记 10 min 平均年最大风速（m/s）。根据该风速数据，经统计分析 确定重现期为50 年的最大风速，作为当地的基本风式中：qz高度 z 处的速度压力；kd风方向性因素系数；kzl地形因素系数；kz速度压力暴 露系数（相当于中国的 ）z ；v基本风速（相当于 中国的 v0）；i重要性系数。中国规范中采用的基本风压公式 ，是大多数国 家通用的。若美国规范中的速度压力公式不考虑压力 暴露系数kz、重要性系数 i 等，则有 qz=0.00 256 v2，其 中 qz 的单位为 lb/ft2 （磅/平方英尺），v 的单位为 mi/h（英里/小时），换算成与中国统一的计量单位后，所得到的公式与中国规范中的公式基本一致。所以，中国 和美国规范风荷载取值差异不在风速与风压之间的 关系，而是在风速的定义和取值上。比较中国和美国的基本风速定义可知，基本风速 定义中涉及离地高度、地面粗糙度、平均时距、重现期 等因素。中国和美国基本风速定义相同的部分，是离 地高度都为 10 m；重现期都为 50 年；而不同的部分， 是地面粗糙度、平均时距。2）基本风速的换算 由上面的分析得出：中国和美国规范中风荷载的取值差异，主要是由基本风速定义不同引起的。中国荷载规范中平均时距采用的是 10 min，美 国荷载规范中平均时距为 3 s。所以在同一气象台，使 用美国规范测得的风速要比使用中国规范测得的风 速要大得多。对于不同时局，可按美国规范列出的 durst 报告 的风速记录分析结果进行换算：v 中=0.7 v 美，再通过速 v0；再按贝努利公式 =0.5 v0 （ 为空气密度）确2定基本风压。”也可统一按公式 =v0 /1 600（kn/m）22计算。中国的风荷载标准值公式为：k=z s z 0（1）式中：k风荷载标准值 （kn/m2）；z高度 z 处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度 变化系数；0基本风压（kn/m2）。美国现行荷载规范（asce705）定义的基本 风速是“：距地 10 m 高、地面粗糙度为 c（相当于中国 的 b 类）、3 s 阵风风速，无飓风倾向地区重现期为 50 年，有飓风倾向地区重现期为 500 年。”美国设计风基本风压公式 =0.5 v0 ，可得出：2（下转 第 23 页） 12 cbw-roofing engineering 2011.19试验编号fm 实验室试验结果苏州实验室试验结果复合板-1升至 120 psf 过程中，试 件破坏。达到 105 psf105 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 90 psf复合板-2105 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 90 psf升至 120 psf 过程中，试 件破坏。达到 105 psf复合板-3105 psf 保持 60 s，试件 破坏。达到 90 psf120 psf 保 持 12 s，试 件破坏。达到 105 psf金属屋面面表层是高反射涂层，能反射太阳光热达 90%以上，夏天能降低屋面板温度 20 ，故又是一种在国外广 泛推崇的屋面节能产品。屋面维修施工前和施工后的效果图，见图 5。部位，额外铺设一次瑞芙特防水系统 rft-wp01 作为二次防水双重保险（钢结构自身构造防水为第 1 道 防水；瑞芙特防水系统 rft-wp01 为其提供第 2 道 防水），这样就提高了屋面防水等级，且造价不高。在上述局部防水完成后，再在屋面整体喷涂两遍 rft-wh