铁路沿线彩钢瓦类建筑抗风及加固应用研究

文｜中科蓝卓（北京）信息科技有限公司 尧丰/国家铁路局安全技术中心 崔有泉/中科蓝卓（北京）信息科技有限公司 王军锋 吕大勇 刘子畅

1.研究背景

随着中国铁路营业总里程的不断增长，铁路运行安全问题日益凸出，而大量分布于铁路沿线的彩钢瓦类建筑成为重大的风险源，这类建筑被广泛用于厂房仓库、建设施工现场临时性用房及农牧渔用简易用房。由于彩钢瓦类建筑搭建方便、容易安装、成本较低，导致这类建筑出现大量的涉嫌违法建设和私搭乱建的不良现象，在大风等恶劣天气情况下极易被刮入铁路线路，损坏铁路设备设施，造成列车大面积停运，影响行车安全，特别是与高速运行的动车组列车相撞极易造成严重的后果，给国家和人民群众的生命财产带来巨大损失和恶劣的社会影响。2018年8月12日23时04分，京沪高铁G40 次列车行至廊坊至北京南路段时被大风刮起的彩钢板击中，事故造成部分列车晚点6 小时以上，列车及线路接触网弯臂、护栏、变压器箱等多处设备损毁严重，并造成北京南站13日、14日两天共计46 趟到发列车停运，损失严重。

为加强铁路沿线运行安全管理，国家先后于2013年和2020年颁布并实施的《铁路安全管理条例》和《高速铁路安全防护管理办法》均重点关注铁路沿线彩钢瓦类建筑的安全隐患问题，但如何全面系统的推进铁路沿线彩钢瓦类建筑的安全管控，前移安全关口，亟需针对沿线彩钢瓦类建筑的特点和风力风压情况，进一步开展抗风机理及加固应用研究。

2.彩钢瓦类建筑抗风研究

经调研，铁路沿线主型彩钢瓦类建筑形式一般分为四种：简易式、桁架式、整体式和混凝土墙（砖墙）彩钢瓦建筑，彩钢瓦材质分为单板和彩钢复合板，连接方式为焊接、自攻螺钉或者铆钉方式，建筑结构分为无骨架彩钢瓦房和有骨架彩钢瓦房。为便于进行彩钢瓦类建筑抗风研究，本文构建彩钢瓦类建筑三维典型模型，从彩钢瓦类建筑主要受力构件的强度、稳定性、整体倾覆性能及屋面抗风性能进行验算。

2.1 风荷载分析

根据铁路沿线调研资料，为计算方便，安全验算选取彩钢瓦房立柱间距横向为5.75 m，纵向间距为3.45 m，高度为3.0m，并在顶部沿横向设置1 道檩条，根据建筑建模特点和有限元理论原理，进行彩钢瓦类建筑有限元分析(见图1)。

图1 有限元单元

根据公开的风力换算表及现行行业标准《铁路桥涵设计规范》TB 10002 确定有限元单元风荷载的大小。

根据规范第4.4.1 条规定，作用于结构物上的风荷载强度可按下式计算：

W=K1K2K3W0

式中W—风荷载强度（Pa）；W0—基本风压值（Pa），，K1—风载体形系数，K2—风压高度变化系数，K3—地形、地理条件系数。针对铁路沿线彩钢瓦房的实际特点对参数进行取值，为方便举例，不妨取K1=1.3，K2=1.0，K3=1.3。根据风力换算表可知风力12 级的风速为36.9m/s，经计算，其荷载强度为4.96kN/m。

2.2 彩钢瓦房有限元模型建立

根据有限元原理，结合彩钢瓦类建筑的自身重力，利用有限元计算方法进行核算。构建彩钢瓦类建筑模型支撑结构、横撑及檩条以及屋面板的有限元模型。立柱采用工字钢，型号为HW 125x125x6.5/9，如图2，立柱间横撑及檩条采用槽钢，型号为C 126x53x5.5/9，如图3。有限元模型见图4。

2.3 风荷载12 级结构抗风验算

(1)立柱及横撑的强度验算

经模拟仿真验算，在风力12 级时，彩钢瓦类建筑模型在结构自重和风荷载双重作用下，其结构的受力分析见图5。

图2 工字钢面图8

图3 槽钢型号剖面图

图4 整体有限元模型

从图5可知，彩钢瓦类建筑模型在模型底截面的受力最大，最大达55.4MPa。横撑最大受力为36.2MPa，均小于现行铁路行业标准《铁路桥梁钢结构设计规范》TB 10091 第3.2.1 条关于Q235 钢的弯曲基本容许应力要求（规范中规定Q235 钢的弯曲基本容许应力为140MPa），故在12 级风及其结构自重状态下，立柱及横撑的强度满足规范要求。

（2）立柱稳定性验算

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》TB 10091 要求，在受弯条件下计算立柱构件的换算长细比：

经计算，彩钢瓦类建筑支撑结构的容许应力折减系数为0.898，所以考虑稳定影响后的结构受压容许应力为0.898x168=150.9MPa>55.4MPa。横撑容许应力折减系数为0.753，所以考虑稳定影响后的结构受压容许应力为0.753x168=126.5MPa>36.2MPa。因此，可得出立柱及横撑的稳定性满足规范要求。

（3）整体倾覆验算

根据彩钢瓦类建筑建模仿真及受力结构分析、计算，有限元单元的整体倾覆满足有关要求。

（4）屋面抗风性能验算

屋面通过“燕尾自攻螺丝(M4.8*75)+橡胶防水垫片”的方式加固在檩条和横撑上，自攻螺丝间距不小于35cm，每道檩条或横撑上均匀设置10 个自攻螺丝，如图6所示。

根据现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018 第6.1.7 条规定，每个自攻螺钉所受的拉力应不大于913N。

当彩钢瓦房贯通时屋面最有可能破坏，在12 级风作用下理论上屋面承受的最大风力为28530.3N，而每个自攻螺丝受到的拉力为951N>913N，大于每个自攻螺钉所受的最大拉力，因此，屋面抗风性能不满足要求。

2.4 抗风验算结果

通过上述建模仿真验算结果可知，在12 级风荷载作用下，彩钢瓦类建筑结构主体受力构件的强度、稳定性及整体倾覆性能可满足规范相关要求，而屋面的抗风性能不满足要求，为保障铁路沿线的安全，须对彩钢瓦房进行加固处理。

图5 12 级风力情况下结构自重应力图（单位:MPa）

图6 自攻螺丝布置图（每列10 个）

3.彩钢瓦房加固方案

3.1 加固方案

针对不同类型的彩钢瓦房，采取不同的加固方式：

（1）扁铁加固：使用镀锌扁铁，型号40×3.5。

（2）钢丝绳加固：使用直径11.0/0.7mm（GB/T8918-1996 钢丝绳）型号及以上钢丝绳，需要于檩条加固的，应采取中间放置垫片的方式。（3）螺栓加固：使用国标自攻螺栓。

（4）铁丝加固：使用8 号铁丝加固，连接处15-20 匝牢固固定。

其中，使用角铁、方钢、槽钢、扁铁等金属构件及膨胀螺栓进行加固时，按规范作用金属构件。

3.2 加固后抗风检算

本文以“压条+直拉式”的形式（如图7所示）进行加固后抗风检算，根据现行国家标准《一般用途钢丝绳》GBT 20118规定，钢丝绳最小破断拉力为33.14kN。

前文已求出，在12 级风况下理论上屋面承受的最大风力28530.3N，每根公称直径7.7mm 钢丝绳的最大拉应力为14.27kN<33.14kN，小于钢丝绳的最小破断拉力。

由此可知，单元彩钢瓦房采用“压条+直拉式”的压条间隔3.45m 可抵抗12 级风力作用，满足相关规范要求。

4.结论

铁路沿线彩钢瓦类建筑的风揭事故是铁路运行的重大安全隐患之一，通过对沿线彩钢瓦房建筑主力和风荷载的建模仿真和受力综合分析，了解建筑的受力情况以及受力作用下的位移量等参数，从而提出建筑加固措施，并形成铁路沿线彩钢瓦类建筑加固的建议。研究成果可为铁路沿线彩钢房建设及加固提供参考依据，为铁路沿线环境综合整治和铁路运行安全管理提供科学指导。

图7 “压条+直拉式”示意图