鐵路沿線彩鋼瓦類建筑抗風(fēng)及加固應(yīng)用研究

文｜中科藍(lán)卓（北京）信息科技有限公司 堯豐/國(guó)家鐵路局安全技術(shù)中心 崔有泉/中科藍(lán)卓（北京）信息科技有限公司 王軍鋒 呂大勇 劉子暢

1.研究背景

隨著中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)總里程的不斷增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)行安全問(wèn)題日益凸出，而大量分布于鐵路沿線的彩鋼瓦類建筑成為重大的風(fēng)險(xiǎn)源，這類建筑被廣泛用于廠房倉(cāng)庫(kù)、建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)性用房及農(nóng)牧漁用簡(jiǎn)易用房。由于彩鋼瓦類建筑搭建方便、容易安裝、成本較低，導(dǎo)致這類建筑出現(xiàn)大量的涉嫌違法建設(shè)和私搭亂建的不良現(xiàn)象，在大風(fēng)等惡劣天氣情況下極易被刮入鐵路線路，損壞鐵路設(shè)備設(shè)施，造成列車大面積停運(yùn)，影響行車安全，特別是與高速運(yùn)行的動(dòng)車組列車相撞極易造成嚴(yán)重的后果，給國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失和惡劣的社會(huì)影響。2018年8月12日23時(shí)04分，京滬高鐵G40 次列車行至廊坊至北京南路段時(shí)被大風(fēng)刮起的彩鋼板擊中，事故造成部分列車晚點(diǎn)6 小時(shí)以上，列車及線路接觸網(wǎng)彎臂、護(hù)欄、變壓器箱等多處設(shè)備損毀嚴(yán)重，并造成北京南站13日、14日兩天共計(jì)46 趟到發(fā)列車停運(yùn)，損失嚴(yán)重。

為加強(qiáng)鐵路沿線運(yùn)行安全管理，國(guó)家先后于2013年和2020年頒布并實(shí)施的《鐵路安全管理?xiàng)l例》和《高速鐵路安全防護(hù)管理辦法》均重點(diǎn)關(guān)注鐵路沿線彩鋼瓦類建筑的安全隱患問(wèn)題，但如何全面系統(tǒng)的推進(jìn)鐵路沿線彩鋼瓦類建筑的安全管控，前移安全關(guān)口，亟需針對(duì)沿線彩鋼瓦類建筑的特點(diǎn)和風(fēng)力風(fēng)壓情況，進(jìn)一步開展抗風(fēng)機(jī)理及加固應(yīng)用研究。

2.彩鋼瓦類建筑抗風(fēng)研究

經(jīng)調(diào)研，鐵路沿線主型彩鋼瓦類建筑形式一般分為四種：簡(jiǎn)易式、桁架式、整體式和混凝土墻（磚墻）彩鋼瓦建筑，彩鋼瓦材質(zhì)分為單板和彩鋼復(fù)合板，連接方式為焊接、自攻螺釘或者鉚釘方式，建筑結(jié)構(gòu)分為無(wú)骨架彩鋼瓦房和有骨架彩鋼瓦房。為便于進(jìn)行彩鋼瓦類建筑抗風(fēng)研究，本文構(gòu)建彩鋼瓦類建筑三維典型模型，從彩鋼瓦類建筑主要受力構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、整體傾覆性能及屋面抗風(fēng)性能進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 風(fēng)荷載分析

根據(jù)鐵路沿線調(diào)研資料，為計(jì)算方便，安全驗(yàn)算選取彩鋼瓦房立柱間距橫向?yàn)?.75 m，縱向間距為3.45 m，高度為3.0m，并在頂部沿橫向設(shè)置1 道檁條，根據(jù)建筑建模特點(diǎn)和有限元理論原理，進(jìn)行彩鋼瓦類建筑有限元分析(見圖1)。

圖1 有限元單元

根據(jù)公開的風(fēng)力換算表及現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10002 確定有限元單元風(fēng)荷載的大小。

根據(jù)規(guī)范第4.4.1 條規(guī)定，作用于結(jié)構(gòu)物上的風(fēng)荷載強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

W=K1K2K3W0

式中W—風(fēng)荷載強(qiáng)度（Pa）；W0—基本風(fēng)壓值（Pa），，K1—風(fēng)載體形系數(shù)，K2—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，K3—地形、地理?xiàng)l件系數(shù)。針對(duì)鐵路沿線彩鋼瓦房的實(shí)際特點(diǎn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行取值，為方便舉例，不妨取K1=1.3，K2=1.0，K3=1.3。根據(jù)風(fēng)力換算表可知風(fēng)力12 級(jí)的風(fēng)速為36.9m/s，經(jīng)計(jì)算，其荷載強(qiáng)度為4.96kN/m。

2.2 彩鋼瓦房有限元模型建立

根據(jù)有限元原理，結(jié)合彩鋼瓦類建筑的自身重力，利用有限元計(jì)算方法進(jìn)行核算。構(gòu)建彩鋼瓦類建筑模型支撐結(jié)構(gòu)、橫撐及檁條以及屋面板的有限元模型。立柱采用工字鋼，型號(hào)為HW 125x125x6.5/9，如圖2，立柱間橫撐及檁條采用槽鋼，型號(hào)為C 126x53x5.5/9，如圖3。有限元模型見圖4。

2.3 風(fēng)荷載12 級(jí)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)驗(yàn)算

(1)立柱及橫撐的強(qiáng)度驗(yàn)算

經(jīng)模擬仿真驗(yàn)算，在風(fēng)力12 級(jí)時(shí)，彩鋼瓦類建筑模型在結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載雙重作用下，其結(jié)構(gòu)的受力分析見圖5。

圖2 工字鋼面圖8

圖3 槽鋼型號(hào)剖面圖

圖4 整體有限元模型

從圖5可知，彩鋼瓦類建筑模型在模型底截面的受力最大，最大達(dá)55.4MPa。橫撐最大受力為36.2MPa，均小于現(xiàn)行鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10091 第3.2.1 條關(guān)于Q235 鋼的彎曲基本容許應(yīng)力要求（規(guī)范中規(guī)定Q235 鋼的彎曲基本容許應(yīng)力為140MPa），故在12 級(jí)風(fēng)及其結(jié)構(gòu)自重狀態(tài)下，立柱及橫撐的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（2）立柱穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10091 要求，在受彎條件下計(jì)算立柱構(gòu)件的換算長(zhǎng)細(xì)比：

經(jīng)計(jì)算，彩鋼瓦類建筑支撐結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力折減系數(shù)為0.898，所以考慮穩(wěn)定影響后的結(jié)構(gòu)受壓容許應(yīng)力為0.898x168=150.9MPa>55.4MPa。橫撐容許應(yīng)力折減系數(shù)為0.753，所以考慮穩(wěn)定影響后的結(jié)構(gòu)受壓容許應(yīng)力為0.753x168=126.5MPa>36.2MPa。因此，可得出立柱及橫撐的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

（3）整體傾覆驗(yàn)算

根據(jù)彩鋼瓦類建筑建模仿真及受力結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算，有限元單元的整體傾覆滿足有關(guān)要求。

（4）屋面抗風(fēng)性能驗(yàn)算

屋面通過(guò)“燕尾自攻螺絲(M4.8*75)+橡膠防水墊片”的方式加固在檁條和橫撐上，自攻螺絲間距不小于35cm，每道檁條或橫撐上均勻設(shè)置10 個(gè)自攻螺絲，如圖6所示。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB 50018 第6.1.7 條規(guī)定，每個(gè)自攻螺釘所受的拉力應(yīng)不大于913N。

當(dāng)彩鋼瓦房貫通時(shí)屋面最有可能破壞，在12 級(jí)風(fēng)作用下理論上屋面承受的最大風(fēng)力為28530.3N，而每個(gè)自攻螺絲受到的拉力為951N>913N，大于每個(gè)自攻螺釘所受的最大拉力，因此，屋面抗風(fēng)性能不滿足要求。

2.4 抗風(fēng)驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)上述建模仿真驗(yàn)算結(jié)果可知，在12 級(jí)風(fēng)荷載作用下，彩鋼瓦類建筑結(jié)構(gòu)主體受力構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及整體傾覆性能可滿足規(guī)范相關(guān)要求，而屋面的抗風(fēng)性能不滿足要求，為保障鐵路沿線的安全，須對(duì)彩鋼瓦房進(jìn)行加固處理。

圖5 12 級(jí)風(fēng)力情況下結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力圖（單位:MPa）

圖6 自攻螺絲布置圖（每列10 個(gè)）

3.彩鋼瓦房加固方案

3.1 加固方案

針對(duì)不同類型的彩鋼瓦房，采取不同的加固方式：

（1）扁鐵加固：使用鍍鋅扁鐵，型號(hào)40×3.5。

（2）鋼絲繩加固：使用直徑11.0/0.7mm（GB/T8918-1996 鋼絲繩）型號(hào)及以上鋼絲繩，需要于檁條加固的，應(yīng)采取中間放置墊片的方式。（3）螺栓加固：使用國(guó)標(biāo)自攻螺栓。

（4）鐵絲加固：使用8 號(hào)鐵絲加固，連接處15-20 匝牢固固定。

其中，使用角鐵、方鋼、槽鋼、扁鐵等金屬構(gòu)件及膨脹螺栓進(jìn)行加固時(shí)，按規(guī)范作用金屬構(gòu)件。

3.2 加固后抗風(fēng)檢算

本文以“壓條+直拉式”的形式（如圖7所示）進(jìn)行加固后抗風(fēng)檢算，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《一般用途鋼絲繩》GBT 20118規(guī)定，鋼絲繩最小破斷拉力為33.14kN。

前文已求出，在12 級(jí)風(fēng)況下理論上屋面承受的最大風(fēng)力28530.3N，每根公稱直徑7.7mm 鋼絲繩的最大拉應(yīng)力為14.27kN<33.14kN，小于鋼絲繩的最小破斷拉力。

由此可知，單元彩鋼瓦房采用“壓條+直拉式”的壓條間隔3.45m 可抵抗12 級(jí)風(fēng)力作用，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.結(jié)論

鐵路沿線彩鋼瓦類建筑的風(fēng)揭事故是鐵路運(yùn)行的重大安全隱患之一，通過(guò)對(duì)沿線彩鋼瓦房建筑主力和風(fēng)荷載的建模仿真和受力綜合分析，了解建筑的受力情況以及受力作用下的位移量等參數(shù)，從而提出建筑加固措施，并形成鐵路沿線彩鋼瓦類建筑加固的建議。研究成果可為鐵路沿線彩鋼房建設(shè)及加固提供參考依據(jù)，為鐵路沿線環(huán)境綜合整治和鐵路運(yùn)行安全管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖7 “壓條+直拉式”示意圖