金屬屋面風揭設計探討

(1.武漢鐵路職業技術學院， 湖北武漢　430063； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

近幾年來，鐵路站臺雨棚大多采用壓型金屬屋面板系統。鐵路站臺雨棚四周開敞，屋面平緩，風吸力是其主要荷載。如何探索雨棚風荷載分布規律，揭秘金屬屋面板系統破壞機理，提高雨棚屋面板系統抗風揭能力，是急需解決的問題。

1　鐵路中小站站臺雨棚概況

鐵路中小車站最高聚集人數一般在600～3 000人之間，客運專線旅客車站高峰小時發送量在1 000～5 000人之間。基本上都采用線側式布置方式，站房位于雨棚側面。新建旅客車站往往位于城市郊區，周邊廣布農田或小山丘，臨近建筑稀少。部分車站雨棚采用基本站臺獨柱懸挑、中間站臺“Y”形雨棚，部分車站雨棚采用無站臺柱雨棚，如某車站雨棚建筑面積39 800 m2，跨越6股道3個站臺。

對2003年以來已建和在建的部分雨棚屋面系統進行統計，屋面板主要有3種卷邊形式，最為常見的是：(1)角馳Ⅱ YX-51-360(見圖1)、(2)角馳Ⅲ YX51-380-760(見圖2)、(3)直立鎖邊形式HV65/470(見圖3)。直立鎖邊形屋面板為彩鋼板，采用鋁制T形角碼與檁條連接。角馳形屋面板的角碼形式多種多樣：角碼直接用螺釘或螺栓和檁條連接的有19個站，通過附加龍骨連接的有9個站，附加龍骨最小壁厚為2 mm。

圖1　YX-51-360(角馳Ⅱ型)(單位：mm)

圖2　YX51-380-760(角馳Ⅲ)(單位：mm)

圖3　HV65/470(直立鎖邊形式)(單位：mm)

鐵路站臺雨棚屋面結構大多為“金屬屋面板—吸音棉—不銹鋼鋼絲網—結構檁條(或附加龍骨)—鋁合金扣板離縫吊頂。”

2　雨棚風洞試驗概況

鐵路中小型車站廣布于祖國的大江南北，各地的地理氣候文化特征各有不同，建筑形態也千變萬化，為了較好地了解風荷載對雨棚的影響，先后對14座車站雨棚進行了風洞試驗。經總結歸納，發現有如下特點：①風壓體型系數介于0.1～1.0之間，有11個站的最大風壓值不大于0.5，占78.6%，在0.5～1之間的有3個站；②風吸體型系數介于-0.3～-2.0之間，有9個站的最大風吸絕對值大于1，占64.3%，在-0.3～-1之間的有5個站，占35.7%；③風荷載體型系數一般在屋面的中間區域及非漏空區域較小，而在雨棚的端頭部位或漏空區域附近較大。圖4為雨棚風荷載體型系數分布示意。

圖4　風荷載體型系數分區域分布示意

3　構件承載力檢算

壓型金屬板屋面系統，應經抗風揭試驗驗證其系統整體抗風揭能力，對部分構件或部位也可以進行強度和變形計算。設計計算中，應根據其坡度來校核其撓度，當坡度小于1/20時，撓度與跨度之比的限值為1/250，當坡度大于1/20時，為1/200。壓型金屬屋面板在未設置加勁肋的情況下，受壓翼緣板件的寬厚比不宜超過200。

壓型鋼板同時承受彎矩和支座反力時，應按公式(1)、(2)、(3)計算

(2)

M/Mu+R/Rw≤1.25

(3)

壓型鋼板同時承受彎矩和剪力時，應按公式(4)計算

(M/Mu)2+(V/Vu)2≤1.0

(4)

壓型金屬板撓度在均布荷載作用下撓度可根據近似公式按簡支板或連續板計算。

屋面板連接件強度應按公式(5)計算

(5)

式中t1為其最小厚度，Ls為支托長度。

連接件的穩定計算可簡化為等截面柱模型，按公式(6)計算

(6)

式中φ為軸心受壓構件的穩定系數，應根據長細比、材料強度計算。

用于壓型金屬板之間或壓型金屬板與檁條，支撐構件之間緊密連接的螺栓、抽芯鉚釘、自攻螺釘及射釘的承載力設計值應由生產廠家通過試驗確定。其承載力設計值應大于其所承受的外力，承載力設計值按按公式(7)～公式(9)計算。

當承受含有風荷載的組合荷載時

(7)

式中t為緊挨釘頭側的壓型板厚度，應滿足0.5 mm≤t≤1.5 mm，f為被連接壓型鋼板的抗拉強度設計值。

當連接件位于壓型金屬板波谷的一個四分點時，起抗拉承載力設計值應乘以0.9的折減系數，當兩個四分點均設置連接件時，應乘以0.7的折減系數。

自攻螺釘的承載力設計值還應滿足公式(8)的要求

(8)

式中tc為鉆入基材中的深度，d為其直徑。

自攻螺釘的抗剪承載力設計值：

(9)

當自攻螺釘用于壓型板端時，其抗剪承載力應乘以折減系數0.8。

算例1：某屋面板角馳Ⅱ型0.8 mm厚的YX51-360(Q235B)，0.36 m寬的單塊板Mu=1.25 kN·m，RW=2.88 kN，檁條間距1.9 m，未采用附加龍骨，基本風壓1.05 kN/m2，基本雪壓0.0 kN/m2，不上人屋面活荷載0.5 kN/m2，單個連接件設置兩個自攻螺釘(ST5.5)與龍骨連接，螺釘穿透基材。計算結果見表2。

表2　某工程屋面系統計算結果

表2計算結果說明，該屋面板及連接自攻螺釘滿足要求。

4　設計建議

角馳Ⅲ形屋面板中間支座未與屋面板進行卷邊，僅用棱形錨頭彈性卡接，基本上不具備抗風揭能力，建議不要使用。

采用鋁制T形角碼的直立鎖邊鋁合金屋面板，目前有成熟的構造做法和配件，其形狀規格比較統一，一般能夠滿足設計要求。但目前部分雨棚是將鋁制T形角碼與彩鋼板進行直立鎖邊連接，這種做法是仿照國外鋁合金直立鎖邊金屬屋面板，將鋁合金板改為彩鋼板演變而來的，由于彩鋼板卷邊回彈，其鎖邊咬合力大打折扣，連接強度不足，建議不要使用。

金屬屋面板通過壓波彎折大大提高了其縱向剛度，而橫向由于板薄其剛度很小，故其橫向變形很難控制。當金屬屋面板單元橫向寬度在0.4 m以下和基本風壓小于0.5 kN/m2時，屋面板的強度和變形一般能夠滿足計算要求。

角馳形屋面板的連接角碼樣式較多，有固定形、活動形、L形、船形。連接角碼的強度應根據具體工程結合其材料特性、樣式、板厚等進行計算或實驗確定。

角碼與鋼龍骨大多采用兩個自攻釘連接，鋼龍骨壁厚最小為2 mm；根據計算，每個自攻釘承載力達1.7 kN，若鋼龍骨壁厚達到3 mm，基本能夠滿足計算要求。

壓型金屬板屋面系統中，許多部位是不能計算的，如屋面板與角碼的卷邊連接、活動角碼的承載力等，應通過抗風揭試驗驗證其系統整體抗風揭能力。

目前壓型鋼板按《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》及《金屬壓型板應用技術規范(征求意見稿)進行計算，采用的是取一個板單元按梁式受彎構件來計算壓型鋼板的強度及變形。實際上壓型鋼板經過彎折壓制卷邊，壓型鋼板波峰處的肋可以起到近似支撐邊的作用，但肋邊自身也在發生復雜的變形，其計算公式是否合適值得進一步探討。

由于風荷載在雨棚不同的區域其大小不同，因此在設計屋面板及其構件時，應根據其所在位置的不同分別計算。一般來說，在屋面的周圍區域、漏空區域、屋脊、檐口等處，其風吸較大，達到-2.0左右，設計中應重點考慮此處的抗風吸能力。

采用雙層壓型鋼板結構體系，上下層適當增加找平約束鋼帶，中間填充一定厚度的輕質巖棉，是一個值得推廣的鋼結構屋面設計方向。壓型鋼板的抗拉和抗壓區不僅僅是靠自身的截面強度，由于找平約束鋼帶的加強作用，正向荷載作用時，屋面支承體系整體發生形變，上層板成為受壓區，下層壓型鋼板成為受拉區；負風壓荷載作用時，下層板成為受壓區，上層板成為受拉區。這種立體構造的應用將使在中國傳統意義上的單層壓型金屬板的應用和受力躍升到一新的層面。

[1]GB50009—2001建筑結構荷載規范[S]

[2]GB50018—2002冷彎薄壁型鋼結構技術規范[S]

[3]GB50429—2007鋁合金結構設計規范[S]

[4]CIS-MRS-01-2010裝配式金屬屋面系統[S]

[5]蔣凡.車站無站臺柱雨棚風荷載設計探討[J].鐵道標準設計，2011(5)：94-96

[6]何連華,等.武漢火車站屋蓋與雨棚平均風荷載的數值模擬[J].建筑結構，2009，39(1):12-15

[7]姜瑞鈴.對鋼結構無站臺柱雨棚設計的幾點思考[J].鐵道勘察，2005(4)：25-28

[8]何連華,等.武漢火車站屋蓋與雨棚平均風荷載的數值模擬[J].建筑結構，2009,39(1):20-22