金属屋面风揭设计探讨

　

(1.武汉铁路职业技术学院， 湖北武汉　430063； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

近几年来，铁路站台雨棚大多采用压型金属屋面板系统。铁路站台雨棚四周开敞，屋面平缓，风吸力是其主要荷载。如何探索雨棚风荷载分布规律，揭秘金属屋面板系统破坏机理，提高雨棚屋面板系统抗风揭能力，是急需解决的问题。

1　铁路中小站站台雨棚概况

铁路中小车站最高聚集人数一般在600～3 000人之间，客运专线旅客车站高峰小时发送量在1 000～5 000人之间。基本上都采用线侧式布置方式，站房位于雨棚侧面。新建旅客车站往往位于城市郊区，周边广布农田或小山丘，临近建筑稀少。部分车站雨棚采用基本站台独柱悬挑、中间站台“Y”形雨棚，部分车站雨棚采用无站台柱雨棚，如某车站雨棚建筑面积39 800 m2，跨越6股道3个站台。

对2003年以来已建和在建的部分雨棚屋面系统进行统计，屋面板主要有3种卷边形式，最为常见的是：(1)角驰Ⅱ YX-51-360(见图1)、(2)角驰Ⅲ YX51-380-760(见图2)、(3)直立锁边形式HV65/470(见图3)。直立锁边形屋面板为彩钢板，采用铝制T形角码与檩条连接。角驰形屋面板的角码形式多种多样：角码直接用螺钉或螺栓和檩条连接的有19个站，通过附加龙骨连接的有9个站，附加龙骨最小壁厚为2 mm。

图1　YX-51-360(角驰Ⅱ型)(单位：mm)

图2　YX51-380-760(角驰Ⅲ)(单位：mm)

图3　HV65/470(直立锁边形式)(单位：mm)

铁路站台雨棚屋面结构大多为“金属屋面板—吸音棉—不锈钢钢丝网—结构檩条(或附加龙骨)—铝合金扣板离缝吊顶。”

2　雨棚风洞试验概况

铁路中小型车站广布于祖国的大江南北，各地的地理气候文化特征各有不同，建筑形态也千变万化，为了较好地了解风荷载对雨棚的影响，先后对14座车站雨棚进行了风洞试验。经总结归纳，发现有如下特点：①风压体型系数介于0.1～1.0之间，有11个站的最大风压值不大于0.5，占78.6%，在0.5～1之间的有3个站；②风吸体型系数介于-0.3～-2.0之间，有9个站的最大风吸绝对值大于1，占64.3%，在-0.3～-1之间的有5个站，占35.7%；③风荷载体型系数一般在屋面的中间区域及非漏空区域较小，而在雨棚的端头部位或漏空区域附近较大。图4为雨棚风荷载体型系数分布示意。

图4　风荷载体型系数分区域分布示意

3　构件承载力检算

压型金属板屋面系统，应经抗风揭试验验证其系统整体抗风揭能力，对部分构件或部位也可以进行强度和变形计算。设计计算中，应根据其坡度来校核其挠度，当坡度小于1/20时，挠度与跨度之比的限值为1/250，当坡度大于1/20时，为1/200。压型金属屋面板在未设置加劲肋的情况下，受压翼缘板件的宽厚比不宜超过200。

压型钢板同时承受弯矩和支座反力时，应按公式(1)、(2)、(3)计算

(2)

M/Mu+R/Rw≤1.25

(3)

压型钢板同时承受弯矩和剪力时，应按公式(4)计算

(M/Mu)2+(V/Vu)2≤1.0

(4)

压型金属板挠度在均布荷载作用下挠度可根据近似公式按简支板或连续板计算。

屋面板连接件强度应按公式(5)计算

(5)

式中t1为其最小厚度，Ls为支托长度。

连接件的稳定计算可简化为等截面柱模型，按公式(6)计算

(6)

式中φ为轴心受压构件的稳定系数，应根据长细比、材料强度计算。

用于压型金属板之间或压型金属板与檩条，支撑构件之间紧密连接的螺栓、抽芯铆钉、自攻螺钉及射钉的承载力设计值应由生产厂家通过试验确定。其承载力设计值应大于其所承受的外力，承载力设计值按按公式(7)～公式(9)计算。

当承受含有风荷载的组合荷载时

(7)

式中t为紧挨钉头侧的压型板厚度，应满足0.5 mm≤t≤1.5 mm，f为被连接压型钢板的抗拉强度设计值。

当连接件位于压型金属板波谷的一个四分点时，起抗拉承载力设计值应乘以0.9的折减系数，当两个四分点均设置连接件时，应乘以0.7的折减系数。

自攻螺钉的承载力设计值还应满足公式(8)的要求

(8)

式中tc为钻入基材中的深度，d为其直径。

自攻螺钉的抗剪承载力设计值：

(9)

当自攻螺钉用于压型板端时，其抗剪承载力应乘以折减系数0.8。

算例1：某屋面板角驰Ⅱ型0.8 mm厚的YX51-360(Q235B)，0.36 m宽的单块板Mu=1.25 kN·m，RW=2.88 kN，檩条间距1.9 m，未采用附加龙骨，基本风压1.05 kN/m2，基本雪压0.0 kN/m2，不上人屋面活荷载0.5 kN/m2，单个连接件设置两个自攻螺钉(ST5.5)与龙骨连接，螺钉穿透基材。计算结果见表2。

表2　某工程屋面系统计算结果

表2计算结果说明，该屋面板及连接自攻螺钉满足要求。

4　设计建议

角驰Ⅲ形屋面板中间支座未与屋面板进行卷边，仅用棱形锚头弹性卡接，基本上不具备抗风揭能力，建议不要使用。

采用铝制T形角码的直立锁边铝合金屋面板，目前有成熟的构造做法和配件，其形状规格比较统一，一般能够满足设计要求。但目前部分雨棚是将铝制T形角码与彩钢板进行直立锁边连接，这种做法是仿照国外铝合金直立锁边金属屋面板，将铝合金板改为彩钢板演变而来的，由于彩钢板卷边回弹，其锁边咬合力大打折扣，连接强度不足，建议不要使用。

金属屋面板通过压波弯折大大提高了其纵向刚度，而横向由于板薄其刚度很小，故其横向变形很难控制。当金属屋面板单元横向宽度在0.4 m以下和基本风压小于0.5 kN/m2时，屋面板的强度和变形一般能够满足计算要求。

角驰形屋面板的连接角码样式较多，有固定形、活动形、L形、船形。连接角码的强度应根据具体工程结合其材料特性、样式、板厚等进行计算或实验确定。

角码与钢龙骨大多采用两个自攻钉连接，钢龙骨壁厚最小为2 mm；根据计算，每个自攻钉承载力达1.7 kN，若钢龙骨壁厚达到3 mm，基本能够满足计算要求。

压型金属板屋面系统中，许多部位是不能计算的，如屋面板与角码的卷边连接、活动角码的承载力等，应通过抗风揭试验验证其系统整体抗风揭能力。

目前压型钢板按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》及《金属压型板应用技术规范(征求意见稿)进行计算，采用的是取一个板单元按梁式受弯构件来计算压型钢板的强度及变形。实际上压型钢板经过弯折压制卷边，压型钢板波峰处的肋可以起到近似支撑边的作用，但肋边自身也在发生复杂的变形，其计算公式是否合适值得进一步探讨。

由于风荷载在雨棚不同的区域其大小不同，因此在设计屋面板及其构件时，应根据其所在位置的不同分别计算。一般来说，在屋面的周围区域、漏空区域、屋脊、檐口等处，其风吸较大，达到-2.0左右，设计中应重点考虑此处的抗风吸能力。

采用双层压型钢板结构体系，上下层适当增加找平约束钢带，中间填充一定厚度的轻质岩棉，是一个值得推广的钢结构屋面设计方向。压型钢板的抗拉和抗压区不仅仅是靠自身的截面强度，由于找平约束钢带的加强作用，正向荷载作用时，屋面支承体系整体发生形变，上层板成为受压区，下层压型钢板成为受拉区；负风压荷载作用时，下层板成为受压区，上层板成为受拉区。这种立体构造的应用将使在中国传统意义上的单层压型金属板的应用和受力跃升到一新的层面。

[1]GB50009—2001建筑结构荷载规范[S]

[2]GB50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[S]

[3]GB50429—2007铝合金结构设计规范[S]

[4]CIS-MRS-01-2010装配式金属屋面系统[S]

[5]蒋凡.车站无站台柱雨棚风荷载设计探讨[J].铁道标准设计，2011(5)：94-96

[6]何连华,等.武汉火车站屋盖与雨棚平均风荷载的数值模拟[J].建筑结构，2009，39(1):12-15

[7]姜瑞铃.对钢结构无站台柱雨棚设计的几点思考[J].铁道勘察，2005(4)：25-28

[8]何连华,等.武汉火车站屋盖与雨棚平均风荷载的数值模拟[J].建筑结构，2009,39(1):20-22