可提高抗風揭性能金屬屋面結構設計與分析

石東婉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063）

1 新型抗風金屬屋面系統(tǒng)研究的目的和意義

金屬屋面與傳統(tǒng)的卷材屋面相比，具有輕質(zhì)高強、設計靈活、造型獨特等特點[1]，在屋面設計中廣泛應用。近幾年來，隨著鐵路建設的快速發(fā)展，建成了一大批新型鐵路客站，其站臺雨棚屋面多數(shù)采用了金屬屋面系統(tǒng)。站臺雨棚屋面結構平緩且四面開敞，當風荷載較大時，屋面承受較大的負風壓，屋面系統(tǒng)因抗風揭能力不夠，導致站臺雨棚屋面易被風揭落，從而影響列車的行車安全。

同時由于大跨度鋼結構對金屬屋面系統(tǒng)的需求，既有線施工環(huán)境受限需采用施工周期短的金屬屋面系統(tǒng)，部分雨棚金屬屋面系統(tǒng)即將進入大修或更換階段等原因，為了更好地應對上述問題，研究雨棚金屬屋面板系統(tǒng)的構造組成、計算理論及破壞機理，提高雨棚屋面板系統(tǒng)抗風揭能力，確保列車的行車安全，是亟待解決的問題。

2 常規(guī)金屬屋面系統(tǒng)的應用

2.1 鐵路站房金屬屋面系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

目前，鐵路旅客站房金屬屋面系統(tǒng)主要采用2 種形式：單層屋面板和雙層屋面板。單層屋面板主要采用壓型彩鋼板、夾芯壓型鋼板或鋁鎂錳板；雙層屋面板形式由上下2 層板組成，上層板采用鍍鋁鋅壓型鋼板或鋁鎂錳板，下層板采用金屬壓型板或鋁塑板。

2.2 屋面板板型及連接方式

圖1 搭接式屋面系統(tǒng)示意圖

2.2.1 搭接式連接屋面系統(tǒng)

搭接板縱向邊可相互搭接，板與板自然搭接后通過緊固構件與結構進行連接。搭接示意如圖1 所示。

2.2.2 咬合式連接屋面系統(tǒng)

成型板縱邊自然搭接后，利用專用機具沿長度方向卷邊咬合并利用固定支架連接到主體結構上。圖2 為部分卷邊咬合連接形式圖。

圖2 卷邊咬合連接屋面系統(tǒng)示意圖

2.2.3 360° 直立鎖邊

支座咬合式連接，指鋁鎂錳或鍍鋁鋅合金屋面板與直立的高強鋁合金固定座進行鎖邊連接（見圖3）。

圖3 直立鎖邊連接屋面系統(tǒng)示意圖

2.3 鐵路站房金屬屋面使用中存在的問題

2.3.1 抗風揭失效

金屬屋面系統(tǒng)通過板與板、板與支座間的相互咬合來連接，其抗彎和抗剪承載力通過相互間的摩擦來傳遞。當風荷載作用于屋面時，屋面同時承受下部強大的風壓力和上部強大的風吸力，使未經(jīng)嚴格設計的金屬屋面系統(tǒng)在惡劣的氣候條件下被掀開而破壞[2]。

2.3.2 滲漏

金屬屋面工程的滲漏問題，大多出現(xiàn)在天溝、細部節(jié)點以及排水系統(tǒng)等部位，主要是由于細部設計或施工過程中的技術缺陷所致[3]。

2.3.3 溫度作用引起的破壞

大跨度金屬屋面系統(tǒng)會承擔較大的溫度應力，由于收縮膨脹反復應力會導致屋面系統(tǒng)產(chǎn)生反復的伸縮變形，若采用自攻釘直接連接，可能導致金屬板疲勞破壞。

3 新型抗風金屬屋面系統(tǒng)

3.1 新型抗風金屬屋面系統(tǒng)構造組成

提高抗風揭性能的新型抗風雙層金屬屋面系統(tǒng)組成包括檁條、屋面底板、屋面頂板。屋面頂板包括頂部平板及內(nèi)涵支座龍骨和扣蓋的鎖緊裝置。相鄰的屋面頂板端部通過螺栓固定壓緊于支座龍骨與扣蓋之間。扣蓋上方設有蓋帽，其兩端設有2 個反向彎折的扣接部連接于扣蓋的兩端，并與屋面頂板端部扣接，螺栓與扣蓋均設于蓋帽內(nèi)[4]。

屋面底板包括底部平板和位于兩端的由其端部彎折延伸形成的2 個連接部，相鄰底板之間由安裝在相應檁條上的U 形龍骨連接，底板的2 個連接部與U 形龍骨通過緊固件從側面進行固定，屋面板支座的底部與U 形龍骨連接固定。其連接部組成包括豎肋、頂部水平延伸的水平段、由水平段斜向下延伸的下斜板、由底部平板的端部豎直向上延伸的下豎板以及連接下斜板與下豎板的連接板。連接板包括由下斜板的底部水平延伸的水平段、自水平段斜向上延伸的上斜板以及自上斜板的頂部水平延伸的水平段，并與下豎板的頂部連接。相鄰2 個連接部由內(nèi)側貼合[5]。

連接底板的U 形龍骨設有2 個側壁，分別與豎向肋和下豎板貼合。屋面板支座的底部設有倒U 形的連接座。圖4 和圖5展示了新型抗風金屬屋面的構造組成。

圖4 屋面構造軸側圖

這種新型抗風金屬屋面系統(tǒng)，在采用雙層屋面板結構形式的基礎上改進了屋面板間的連接形式，提高了屋面板系統(tǒng)的抗風揭能力。同時為提高其安裝結構的整體穩(wěn)定性，相鄰屋面頂板端部采用鎖緊裝置壓緊固定[6]。屋面底板采用緊固件側向連接固定，提高了構件連接的承載力，同時屋面底板采用放置在檁條上方的形式，使檢修維護方便。

圖5 屋面系統(tǒng)構造剖面圖

3.2 新型抗風金屬屋面系統(tǒng)材料選用

3.2.1 屋面板

屋面板采用鋁鎂錳板，其尺寸為：肋高65mm，寬度400mm，板厚1mm 或1.2mm。面板采用氟碳輥涂，需滿足以下設計要求：（1）漆膜厚度正面≥20μm；（2）延伸率≥7%；（3）漆膜需附著力強且咬合不開裂、起皮。

3.2.2 屋面龍骨

屋面龍骨采用熱鍍鋅矩形鋼管，需要滿足雙面鍍鋅量≥275g/m2。鋼龍骨材質(zhì)采用Q235，連接采用E43 系列焊接，焊縫為三級角焊縫。

3.2.3 屋面板支座、壓板及蓋板

屋面板支座、壓板均采用鋁合金材質(zhì)（6063-T6），表面處理應采用陽極氧化。

3.2.4 屋面系統(tǒng)連接件

屋面系統(tǒng)所有緊固連接件均采用奧氏體不銹鋼制品。用于檁條連接的角碼采用Q235 鋼板制作，表面采用熱鍍鋅處理，環(huán)氧富鋅漆修補[7,8]。

4 新型抗風金屬屋面系統(tǒng)有限元分析

4.1 整體模型有限元分析

新型金屬屋面系統(tǒng)的主要受力構件為金屬屋面板、通長龍骨、壓板、支座。由于其連接形式較復雜，在有限元分析時，容易造成不收斂，故建立整體模型時進行部分簡化，如圖6 所示。

整體模型采用的主要參數(shù)如下：

1）模型跨度。異型通長龍骨縱向取5 跨連續(xù)梁，跨度1 200mm；板寬方向沿橫向取2 跨，板寬400mm，厚1.2mm。

2）金屬屋面板、通長龍骨及支座均采用鋁合金材料，其材料參數(shù)如表1 所示。

圖6 整體模型

表1 材料參數(shù)

3）單元類型。屋面板采用完全積分的四邊形殼單元（S4），該單元能較準確地模擬具有平面彎曲的薄殼問題以及需要考慮薄膜作用的問題。通長龍骨及支座采用實體單元。

4）接觸和邊界條件。金屬屋面板和異型通長龍骨采用殼和實體耦合連接，板和T 形支座下邊緣、異型通長龍骨均定義法向硬接觸，切向無摩擦。支座底板采用完全固接的方式。

5）荷載。板面施加垂直于板的風吸荷載5.2kN/m2。同時在進行風吸力作用下的分析過程中，考慮大位移。定義荷載步時，考慮大變形。

4.2 有限元分析結果

4.2.1 屋面板

在5.2kPa 均布荷載作用下，板面豎向撓度分布如圖7 所示，板中位置的豎向撓度達到最大值，約為74mm。

圖7 板面豎向撓度分布

4.2.2 通長龍骨

通過圖8 可以看出，龍骨與支座接觸的部位出現(xiàn)應力集中，應力值達到180MPa，而跨中應力值只有約80MPa，和屋面板順板方向的應力水平大致相同，由于順板方向提供較大的剛度，通長龍骨剛度較跨中撓度值較小。

圖8 通長龍骨應力云圖

4.2.3 支座

支座應力最大值也出現(xiàn)在和龍骨連接的卡槽處，其他部位應力值均維持在較小的水平。如圖9 所示。

圖9 支座應力與位移云圖

通過以上模型分析可知，新型金屬屋面系統(tǒng)中對抗風承載力起控制作用的是金屬屋面板。金屬屋面板橫板向的應力先于順板方向達到屈服，橫板方向決定板的抗風承載力。

5 抗風揭實驗

目前比較準確的、能夠真實反映金屬屋面受風狀態(tài)的方法是整體金屬屋面系統(tǒng)抗風揭試驗[9]。試驗主體設備框架采用3.7m×7.3m，具體尺寸平面圖及設備實物詳圖如圖10 所示。

圖10 試驗設備詳圖

實驗結果表明：在10.1kPa 外力的作用下經(jīng)歷60s，無任何部件產(chǎn)生永久變形，無任何部件破壞或脫離。由于薄膜漏氣，風機進氣量已經(jīng)達到最大，無法再加載，故只能停止試驗。實驗結論為該新型抗風金屬屋面系統(tǒng)的抗風揭性能為不小于10.1kPa。