高鐵站無柱雨棚屋面板加固方案的優(yōu)化

摘 要：高鐵站無柱雨棚金屬屋面板經(jīng)常發(fā)生被風(fēng)掀起、脫落事故，現(xiàn)分析引起事故的各類原因，找出關(guān)鍵影響因素，如風(fēng)荷載取值、結(jié)構(gòu)布置及加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等，改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)措施，提高站房無柱雨棚屋面抗風(fēng)性能，為既有雨棚加固和新建雨棚設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高鐵站無柱雨棚屋面板加固；影響因素；改進(jìn)措施

隨著新建高鐵的開通，大跨度的鋼結(jié)構(gòu)雨棚取代了鋼筋混凝土雨棚，采用與鋼結(jié)構(gòu)配套的金屬材料屋面。這種雨棚經(jīng)常受到列車運(yùn)行的振動、強(qiáng)氣流及室外風(fēng)雨雪等自然環(huán)境的影響，加之設(shè)計(jì)、施工等多方面的因素，存在諸多的安全隱患，致使無柱雨棚屋面板出現(xiàn)了松動、脫落影響列車事故。現(xiàn)以事故為例，系統(tǒng)分析各方面原因，找出關(guān)鍵影響因素，如風(fēng)荷載取值、結(jié)構(gòu)布置、金屬板型、固定和搭接方式及加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等，改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)措施，提高站房無柱雨棚屋面抗風(fēng)性能，確保鐵路運(yùn)營安全。

1 高鐵站無柱雨棚金屬屋面墜落事故原因分析

金屬屋面板被大風(fēng)掀起破壞主要有兩種形式：一是固定支座發(fā)生嚴(yán)重變形、破壞，與屋面板脫開或連同屋面板與檁條脫開，如2012年3月23日，京滬高鐵天津南站雨棚屋面板墜落。二是固定支座與屋面板脫開，支座僅輕微變形但未被破壞，如2012年4月12日，武廣客專郴洲西站雨棚屋面板墜落。分析其原因，第一種破壞形式主要是固定支座自身強(qiáng)度不足、支座與檁條間的連接強(qiáng)度不足、支座數(shù)量不足造成單個(gè)支座受力過大引起破壞；第二種破壞形式主要是由于屋面板直立鎖邊不到位、板與支座間咬合力不足造成的。另外，雨棚金屬屋面破壞大都從檐口、屋脊或變形縫處開始，進(jìn)而發(fā)展到整塊屋面板被掀起、墜落。

2012年4月，鐵總工程設(shè)計(jì)鑒定中心曾抽取京滬高鐵、武廣客專等85座客站雨棚作為樣本，對其設(shè)計(jì)情況進(jìn)行梳理、分析，主要存在以下問題：

（1）雨棚金屬屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型缺乏針對性。

（2）雨棚屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全冗余度不足。

（3）設(shè)計(jì)施工圖對制作安裝詳圖的結(jié)構(gòu)計(jì)算要求不明確。

（4）設(shè)計(jì)施工圖缺少對屋面系統(tǒng)主要材質(zhì)、施工工藝、工法的要求。

（5）對制作安裝詳圖設(shè)計(jì)的管理薄弱。

因此，在設(shè)計(jì)階段高度重視雨棚屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能問題，有針對性的采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，是確保高鐵運(yùn)營安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 提高無柱雨棚風(fēng)荷載取值的準(zhǔn)確性

在屋面設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載是首先要考慮的。屋面常因風(fēng)力的作用，被刮起而破壞。無站臺柱雨棚屬于大跨度且周邊不封閉鋼結(jié)構(gòu)，距離地面高度多大于10米，所以雨棚上下表面均不同程度受到較大風(fēng)荷載，由于追求外觀形狀，因此不容易確定風(fēng)荷載系數(shù)，況且風(fēng)荷載分布非常復(fù)雜，當(dāng)今尚無較成熟的理論計(jì)算方式，因此采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法確定比較可靠。

2.1 無柱雨棚風(fēng)洞試驗(yàn)分析

2.1.1 為確定無站臺柱雨棚的風(fēng)荷載系數(shù)，我國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已多次進(jìn)行風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 對雨棚風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：

（1）雨棚的邊緣部分壓力隨風(fēng)向變化最大。

（2）雨棚的平均壓力系數(shù)隨著橫斷面形狀發(fā)生變化，斷面越平坦的相對越小。

2.2 風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值

對于已作風(fēng)洞試驗(yàn)的雨棚，可得到較為準(zhǔn)確的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值。對于未進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的雨棚來說，需要根據(jù)已有雨棚風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)計(jì)分析方法，獲取較為準(zhǔn)確的風(fēng)荷載體型系數(shù)。國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)給出了無站臺柱雨棚的風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值。

雨棚屋面傾斜角度≤10度和30度正風(fēng)壓體型系數(shù)分別為0.3和1.4，雨棚屋面區(qū)域懸挑端及其他，負(fù)風(fēng)壓體型系數(shù)分別為-2.0和-1.0，傾斜角度10度～30度之間以線性插值計(jì)。

3 雨棚屋面結(jié)構(gòu)的合理布置

在風(fēng)荷載作用下，風(fēng)致振動及各區(qū)域體型系數(shù)大小不一，雨棚在各區(qū)域的反應(yīng)強(qiáng)弱也不一樣。因此雨棚屋面結(jié)構(gòu)應(yīng)做出合理布置。

3.1 雨棚檁條及支撐布置

雨棚檁條根據(jù)風(fēng)荷載的作用進(jìn)行疏密布置，雨棚邊緣或外圍一周需增加支撐，使屋面牢固可靠，提高雨棚局部抗風(fēng)性能。

3.2 雨棚懸挑端結(jié)構(gòu)布置

第一種增加雨棚自重，第二種在雨棚懸挑端上方設(shè)拉壓桿。由于第一種方法不太經(jīng)濟(jì)，一般采用第二種方法。

4 金屬壓型板的優(yōu)選

金屬壓型板在屋面維護(hù)系統(tǒng)中占有重要的位置，它不僅承受各種外部荷載還傳遞內(nèi)部結(jié)構(gòu)荷載，各種板型因受力不同，選擇也不同，對于建筑物整體效果、屋面維護(hù)的使用功能及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有很大影響。目前，國內(nèi)金屬壓型板的板型較多，主要有：傳統(tǒng)搭接式、咬合式兩種。

高鐵雨棚屋面板的選型實(shí)例：已開通的京廣高鐵自涿州東站至邯鄲東站共9個(gè)車站，均采用了無站臺柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚，屋面都選用了咬合式金屬壓型屋面板。其中，涿州東站至正定機(jī)場站5個(gè)車站雨棚屋面板采用的是緊密式咬合連接形式；石家莊站至邯鄲東站4個(gè)車站雨棚屋面板采用的是新型咬合式連接形式。

360度直立鎖邊連接板型，咬合緊密、連接強(qiáng)度高，并且采用滑動式連接支架與檁條系統(tǒng)連接，整體牢固可靠，是大跨度無柱雨棚優(yōu)選的金屬屋面板型。

5 加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

節(jié)點(diǎn)是應(yīng)力集中或發(fā)生突變的地方，屬于屋面系統(tǒng)中薄弱部位的補(bǔ)強(qiáng)加固，雨棚屋面在大風(fēng)下發(fā)生破壞通常是從節(jié)點(diǎn)破壞開始，進(jìn)而發(fā)展成大面積屋面板的連鎖破壞。對一些關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造性的加強(qiáng)，提高屋面整體抗風(fēng)能力，對保障屋面系統(tǒng)整體安全非常重要。

6 結(jié)束語

近年來不斷發(fā)生的高鐵站無柱雨棚金屬屋面板被大風(fēng)掀起、墜落事故，應(yīng)引起設(shè)計(jì)和施工人員的高度重視。文章從事故原因分析入手，在風(fēng)荷載取值、結(jié)構(gòu)布置、金屬板型以及加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造幾個(gè)方面，闡述了提高雨棚屋面抗風(fēng)性能的相關(guān)技術(shù)措施和建議，希望為既有雨棚的加固和新建雨棚設(shè)計(jì)提供參考。

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