可提高抗風(fēng)揭性能金屬屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

石東婉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430063）

1 新型抗風(fēng)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(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活、造型獨(dú)特等特點(diǎn)[1]，在屋面設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。近幾年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，建成了一大批新型鐵路客站，其站臺(tái)雨棚屋面多數(shù)采用了金屬屋面系統(tǒng)。站臺(tái)雨棚屋面結(jié)構(gòu)平緩且四面開敞，當(dāng)風(fēng)荷載較大時(shí)，屋面承受較大的負(fù)風(fēng)壓，屋面系統(tǒng)因抗風(fēng)揭能力不夠，導(dǎo)致站臺(tái)雨棚屋面易被風(fēng)揭落，從而影響列車的行車安全。

同時(shí)由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)對(duì)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(jìn)入大修或更換階段等原因，為了更好地應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，研究雨棚金屬屋面板系統(tǒng)的構(gòu)造組成、計(jì)算理論及破壞機(jī)理，提高雨棚屋面板系統(tǒng)抗風(fēng)揭能力，確保列車的行車安全，是亟待解決的問(wèn)題。

2 常規(guī)金屬屋面系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 鐵路站房金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)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：?jiǎn)螌游菝姘搴碗p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(guò)緊固構(gòu)件與結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)具沿長(zhǎng)度方向卷邊咬合并利用固定支架連接到主體結(jié)構(gòu)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(qiáng)鋁合金固定座進(jìn)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(wèn)題

2.3.1 抗風(fēng)揭失效

金屬屋面系統(tǒng)通過(guò)板與板、板與支座間的相互咬合來(lái)連接，其抗彎和抗剪承載力通過(guò)相互間的摩擦來(lái)傳遞。當(dāng)風(fēng)荷載作用于屋面時(shí)，屋面同時(shí)承受下部強(qiáng)大的風(fēng)壓力和上部強(qiáng)大的風(fēng)吸力，使未經(jīng)嚴(yán)格設(shè)計(jì)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(wèn)題，大多出現(xiàn)在天溝、細(xì)部節(jié)點(diǎn)以及排水系統(tǒng)等部位，主要是由于細(xì)部設(shè)計(jì)或施工過(guò)程中的技術(shù)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(huì)承擔(dān)較大的溫度應(yīng)力，由于收縮膨脹反復(fù)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致屋面系統(tǒng)產(chǎn)生反復(fù)的伸縮變形，若采用自攻釘直接連接，可能導(dǎo)致金屬板疲勞破壞。

3 新型抗風(fēng)金屬屋面系統(tǒng)

3.1 新型抗風(fēng)金屬屋面系統(tǒng)構(gòu)造組成

提高抗風(fēng)揭性能的新型抗風(fēng)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(guò)螺栓固定壓緊于支座龍骨與扣蓋之間?？凵w上方設(shè)有蓋帽，其兩端設(shè)有2 個(gè)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(shè)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(gè)連接部，相鄰底板之間由安裝在相應(yīng)檁條上的U 形龍骨連接，底板的2 個(gè)連接部與U 形龍骨通過(guò)緊固件從側(cè)面進(jìn)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(gè)連接部由內(nèi)側(cè)貼合[5]。

連接底板的U 形龍骨設(shè)有2 個(gè)側(cè)壁，分別與豎向肋和下豎板貼合。屋面板支座的底部設(shè)有倒U 形的連接座。圖4 和圖5展示了新型抗風(fēng)金屬屋面的構(gòu)造組成。

圖4 屋面構(gòu)造軸側(cè)圖

這種新型抗風(fēng)金屬屋面系統(tǒng)，在采用雙層屋面板結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上改進(jìn)了屋面板間的連接形式，提高了屋面板系統(tǒng)的抗風(fēng)揭能力。同時(shí)為提高其安裝結(jié)構(gòu)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(cè)向連接固定，提高了構(gòu)件連接的承載力，同時(shí)屋面底板采用放置在檁條上方的形式，使檢修維護(hù)方便。

圖5 屋面系統(tǒng)構(gòu)造剖面圖

3.2 新型抗風(fēng)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(shè)計(jì)要求：（1）漆膜厚度正面≥20μm；（2）延伸率≥7%；（3）漆膜需附著力強(qiáng)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(jí)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(yīng)采用陽(yáng)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(bǔ)[7,8]。

4 新型抗風(fēng)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(gòu)件為金屬屋面板、通長(zhǎng)龍骨、壓板、支座。由于其連接形式較復(fù)雜，在有限元分析時(shí)，容易造成不收斂，故建立整體模型時(shí)進(jìn)行部分簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǔn)確地模擬具有平面彎曲的薄殼問(wèn)題以及需要考慮薄膜作用的問(wèn)題。通長(zhǎng)龍骨及支座采用實(shí)體單元。

4）接觸和邊界條件。金屬屋面板和異型通長(zhǎng)龍骨采用殼和實(shí)體耦合連接，板和T 形支座下邊緣、異型通長(zhǎng)龍骨均定義法向硬接觸，切向無(wú)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(fēng)吸荷載5.2kN/m2。同時(shí)在進(jìn)行風(fēng)吸力作用下的分析過(guò)程中，考慮大位移。定義荷載步時(shí)，考慮大變形。

4.2 有限元分析結(jié)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(dá)到最大值，約為74mm。

圖7 板面豎向撓度分布

4.2.2 通長(zhǎng)龍骨

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

圖8 通長(zhǎng)龍骨應(yīng)力云圖

4.2.3 支座

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

圖9 支座應(yīng)力與位移云圖

通過(guò)以上模型分析可知，新型金屬屋面系統(tǒng)中對(duì)抗風(fēng)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(yīng)力先于順板方向達(dá)到屈服，橫板方向決定板的抗風(fēng)承載力。

5 抗風(fēng)揭實(shí)驗(yàn)

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

圖10 試驗(yàn)設(shè)備詳圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在10.1kPa 外力的作用下經(jīng)歷60s，無(wú)任何部件產(chǎn)生永久變形，無(wú)任何部件破壞或脫離。由于薄膜漏氣，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量已經(jīng)達(dá)到最大，無(wú)法再加載，故只能停止試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為該新型抗風(fēng)金屬屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)揭性能為不小于10.1kPa。