可提高抗风揭性能金属屋面结构设计与分析

石东婉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063）

1 新型抗风金属屋面系统研究的目的和意义

金属屋面与传统的卷材屋面相比，具有轻质高强、设计灵活、造型独特等特点[1]，在屋面设计中广泛应用。近几年来，随着铁路建设的快速发展，建成了一大批新型铁路客站，其站台雨棚屋面多数采用了金属屋面系统。站台雨棚屋面结构平缓且四面开敞，当风荷载较大时，屋面承受较大的负风压，屋面系统因抗风揭能力不够，导致站台雨棚屋面易被风揭落，从而影响列车的行车安全。

同时由于大跨度钢结构对金属屋面系统的需求，既有线施工环境受限需采用施工周期短的金属屋面系统，部分雨棚金属屋面系统即将进入大修或更换阶段等原因，为了更好地应对上述问题，研究雨棚金属屋面板系统的构造组成、计算理论及破坏机理，提高雨棚屋面板系统抗风揭能力，确保列车的行车安全，是亟待解决的问题。

2 常规金属屋面系统的应用

2.1 铁路站房金属屋面系统应用现状

目前，铁路旅客站房金属屋面系统主要采用2 种形式：单层屋面板和双层屋面板。单层屋面板主要采用压型彩钢板、夹芯压型钢板或铝镁锰板；双层屋面板形式由上下2 层板组成，上层板采用镀铝锌压型钢板或铝镁锰板，下层板采用金属压型板或铝塑板。

2.2 屋面板板型及连接方式

图1 搭接式屋面系统示意图

2.2.1 搭接式连接屋面系统

搭接板纵向边可相互搭接，板与板自然搭接后通过紧固构件与结构进行连接。搭接示意如图1 所示。

2.2.2 咬合式连接屋面系统

成型板纵边自然搭接后，利用专用机具沿长度方向卷边咬合并利用固定支架连接到主体结构上。图2 为部分卷边咬合连接形式图。

图2 卷边咬合连接屋面系统示意图

2.2.3 360° 直立锁边

支座咬合式连接，指铝镁锰或镀铝锌合金屋面板与直立的高强铝合金固定座进行锁边连接（见图3）。

图3 直立锁边连接屋面系统示意图

2.3 铁路站房金属屋面使用中存在的问题

2.3.1 抗风揭失效

金属屋面系统通过板与板、板与支座间的相互咬合来连接，其抗弯和抗剪承载力通过相互间的摩擦来传递。当风荷载作用于屋面时，屋面同时承受下部强大的风压力和上部强大的风吸力，使未经严格设计的金属屋面系统在恶劣的气候条件下被掀开而破坏[2]。

2.3.2 渗漏

金属屋面工程的渗漏问题，大多出现在天沟、细部节点以及排水系统等部位，主要是由于细部设计或施工过程中的技术缺陷所致[3]。

2.3.3 温度作用引起的破坏

大跨度金属屋面系统会承担较大的温度应力，由于收缩膨胀反复应力会导致屋面系统产生反复的伸缩变形，若采用自攻钉直接连接，可能导致金属板疲劳破坏。

3 新型抗风金属屋面系统

3.1 新型抗风金属屋面系统构造组成

提高抗风揭性能的新型抗风双层金属屋面系统组成包括檩条、屋面底板、屋面顶板。屋面顶板包括顶部平板及内涵支座龙骨和扣盖的锁紧装置。相邻的屋面顶板端部通过螺栓固定压紧于支座龙骨与扣盖之间。扣盖上方设有盖帽，其两端设有2 个反向弯折的扣接部连接于扣盖的两端，并与屋面顶板端部扣接，螺栓与扣盖均设于盖帽内[4]。

屋面底板包括底部平板和位于两端的由其端部弯折延伸形成的2 个连接部，相邻底板之间由安装在相应檩条上的U 形龙骨连接，底板的2 个连接部与U 形龙骨通过紧固件从侧面进行固定，屋面板支座的底部与U 形龙骨连接固定。其连接部组成包括竖肋、顶部水平延伸的水平段、由水平段斜向下延伸的下斜板、由底部平板的端部竖直向上延伸的下竖板以及连接下斜板与下竖板的连接板。连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顶部水平延伸的水平段，并与下竖板的顶部连接。相邻2 个连接部由内侧贴合[5]。

连接底板的U 形龙骨设有2 个侧壁，分别与竖向肋和下竖板贴合。屋面板支座的底部设有倒U 形的连接座。图4 和图5展示了新型抗风金属屋面的构造组成。

图4 屋面构造轴侧图

这种新型抗风金属屋面系统，在采用双层屋面板结构形式的基础上改进了屋面板间的连接形式，提高了屋面板系统的抗风揭能力。同时为提高其安装结构的整体稳定性，相邻屋面顶板端部采用锁紧装置压紧固定[6]。屋面底板采用紧固件侧向连接固定，提高了构件连接的承载力，同时屋面底板采用放置在檩条上方的形式，使检修维护方便。

图5 屋面系统构造剖面图

3.2 新型抗风金属屋面系统材料选用

3.2.1 屋面板

屋面板采用铝镁锰板，其尺寸为：肋高65mm，宽度400mm，板厚1mm 或1.2mm。面板采用氟碳辊涂，需满足以下设计要求：（1）漆膜厚度正面≥20μm；（2）延伸率≥7%；（3）漆膜需附着力强且咬合不开裂、起皮。

3.2.2 屋面龙骨

屋面龙骨采用热镀锌矩形钢管，需要满足双面镀锌量≥275g/m2。钢龙骨材质采用Q235，连接采用E43 系列焊接，焊缝为三级角焊缝。

3.2.3 屋面板支座、压板及盖板

屋面板支座、压板均采用铝合金材质（6063-T6），表面处理应采用阳极氧化。

3.2.4 屋面系统连接件

屋面系统所有紧固连接件均采用奥氏体不锈钢制品。用于檩条连接的角码采用Q235 钢板制作，表面采用热镀锌处理，环氧富锌漆修补[7,8]。

4 新型抗风金属屋面系统有限元分析

4.1 整体模型有限元分析

新型金属屋面系统的主要受力构件为金属屋面板、通长龙骨、压板、支座。由于其连接形式较复杂，在有限元分析时，容易造成不收敛，故建立整体模型时进行部分简化，如图6 所示。

整体模型采用的主要参数如下：

1）模型跨度。异型通长龙骨纵向取5 跨连续梁，跨度1 200mm；板宽方向沿横向取2 跨，板宽400mm，厚1.2mm。

2）金属屋面板、通长龙骨及支座均采用铝合金材料，其材料参数如表1 所示。

图6 整体模型

表1 材料参数

3）单元类型。屋面板采用完全积分的四边形壳单元（S4），该单元能较准确地模拟具有平面弯曲的薄壳问题以及需要考虑薄膜作用的问题。通长龙骨及支座采用实体单元。

4）接触和边界条件。金属屋面板和异型通长龙骨采用壳和实体耦合连接，板和T 形支座下边缘、异型通长龙骨均定义法向硬接触，切向无摩擦。支座底板采用完全固接的方式。

5）荷载。板面施加垂直于板的风吸荷载5.2kN/m2。同时在进行风吸力作用下的分析过程中，考虑大位移。定义荷载步时，考虑大变形。

4.2 有限元分析结果

4.2.1 屋面板

在5.2kPa 均布荷载作用下，板面竖向挠度分布如图7 所示，板中位置的竖向挠度达到最大值，约为74mm。

图7 板面竖向挠度分布

4.2.2 通长龙骨

通过图8 可以看出，龙骨与支座接触的部位出现应力集中，应力值达到180MPa，而跨中应力值只有约80MPa，和屋面板顺板方向的应力水平大致相同，由于顺板方向提供较大的刚度，通长龙骨刚度较跨中挠度值较小。

图8 通长龙骨应力云图

4.2.3 支座

支座应力最大值也出现在和龙骨连接的卡槽处，其他部位应力值均维持在较小的水平。如图9 所示。

图9 支座应力与位移云图

通过以上模型分析可知，新型金属屋面系统中对抗风承载力起控制作用的是金属屋面板。金属屋面板横板向的应力先于顺板方向达到屈服，横板方向决定板的抗风承载力。

5 抗风揭实验

目前比较准确的、能够真实反映金属屋面受风状态的方法是整体金属屋面系统抗风揭试验[9]。试验主体设备框架采用3.7m×7.3m，具体尺寸平面图及设备实物详图如图10 所示。

图10 试验设备详图

实验结果表明：在10.1kPa 外力的作用下经历60s，无任何部件产生永久变形，无任何部件破坏或脱离。由于薄膜漏气，风机进气量已经达到最大，无法再加载，故只能停止试验。实验结论为该新型抗风金属屋面系统的抗风揭性能为不小于10.1kPa。