金屬屋面系統(tǒng)的新型防揭設計研究

裴彥軍

中鐵建工集團有限公司 北京 100160

1 新型金屬屋面系統(tǒng)研究的目的和意義

鐵路站房鋼結構屋面主要采用直立鎖邊鋁鎂錳金屬屋面，其設計壽命約30年，站臺雨棚屋面的圍護結構大部分為鍍鋁鋅彩鋼板結構，其設計壽命為20～25年。實際金屬屋面的壽命與使用環(huán)境、施工質(zhì)量、日常維護質(zhì)量等關系密切。金屬屋面系統(tǒng)一旦失效發(fā)生脫落，就會對鐵路運營造成不可估量的影響。鐵路客站，尤其是雨棚圍護結構的翻修改造，不能簡單地像其他公用建筑一樣停業(yè)進行，故迫切需要研發(fā)一種快速、施工簡潔的金屬屋面系統(tǒng)，進行超前技術儲備，以減少屋面維修對高鐵運營的影響。

2 鐵路客站金屬屋面系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)普遍采用的金屬圍護結構，是20世紀90年代從國外引進的新型金屬圍護系統(tǒng)，即扣合、咬合形式的隱藏式（暗釘）固定方式，是可適應環(huán)境溫度變化的浮動金屬屋面體系。金屬屋面系統(tǒng)由屋面金屬板、連接件、保溫隔熱層、襯檁、底板、結構檁條等組成，標準屋面系統(tǒng)如圖1所示，各結構件存在不同壽命情況，任何一個環(huán)節(jié)的零部件壽命出現(xiàn)問題都會造成屋面失效的事故。2010年，我國陸續(xù)出現(xiàn)了幾起高鐵客站站臺雨棚被大風吹落到線路上的事故，造成高鐵短時停運的嚴重事故。2011年，全國開展了大范圍的雨棚金屬屋面加固改造施工，利用防風夾或屋面壓梁2種方式雖然都提高了金屬屋面抗風揭能力，避免了站臺雨棚金屬屋面被大風吹落的事故發(fā)生，但是此種屋面加固改造改變了原金屬屋面設計原理，對原金屬屋面造成了一些損傷，對原屋面的使用壽命造成了一定影響。

圖1 金屬屋面板系統(tǒng)標準構造

隨著金屬屋面系統(tǒng)各零部件經(jīng)多年的老化、銹蝕，尤其是連接件銹蝕失效，國內(nèi)有些早年建造的金屬屋面已難以滿足構筑物功能需要，面臨著改造或拆除。通過對湖南、福建、廣州等12省40座高鐵客站的實地回訪調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鐵路客站金屬屋面的應用問題主要集中在以下幾個方面：屋面漏水占45.0%，檐口板開膠、脫落、銹蝕占12.5%，屋面板銹蝕占15.0%，排水管堵塞、斷裂、凍損占10.0%，吊頂板脫落、有異物占5.0%，屋面被吹翻占2.5%，防風夾加固未加在T碼處占2.5%。

3 新型金屬屋面系統(tǒng)構造與特點

3.1 新型金屬屋面系統(tǒng)構造組成

新型金屬屋面系統(tǒng)包括防水蓋板、連接螺栓、屋面板上/下固定座、固定螺釘、壓緊塊、屋面板、防水透氣膜、保溫隔聲棉及底板，結構如圖2所示。

圖2 新型金屬屋面系統(tǒng)結構示意

3.2 新型金屬屋面系統(tǒng)材料選用

1）屋面板采用鋁鎂錳板，其尺寸為：寬度400 mm，板厚1.0 mm或1.2 mm。屋面板外側(cè)采用氟碳噴漆層并罩清漆，內(nèi)側(cè)采用樹脂清漆涂層。

2）屋面板上/下固定座、壓緊塊及防水蓋板均采用鋁合金材質(zhì)（6063-T6），表面處理應采用陽極氧化。

3）屋面系統(tǒng)所有緊固連接件均采用奧氏體不銹鋼制品。

3.3 新型金屬屋面系統(tǒng)結構設計

3.3.1 風荷載取值

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》，垂直于金屬屋面表面的風荷載標準值應按下式計算[1]：ωk＝βgzμslμzω0。

3.3.2 荷載組合

經(jīng)計算，屋面向下最不利荷載組合設計值（風壓）為0.998 kN/m2，屋面向上最不利荷載組合設計值（風吸）為6.109 kN/m2。

3.3.3 屋面系統(tǒng)設計計算

取金屬屋面縱向為計算方向，初步設定屋面板跨度為1.5 m，屋面板寬400 mm，按五等跨等截面連續(xù)梁計算[2]。由于本結構屋面板與直立鎖邊鋁鎂錳屋面板65/400截面形狀類似，特取65/400型壓型鋁板截面參數(shù)為計算設計值。

1）屋面板受向下荷載（風壓）計算。屋面板所受向下荷載q為2.444 kN/m，跨中最大彎矩為0.472 kN·m＜1.88 kN·m，支座處最大彎矩為0.635 kN·m＜1.630 kN·m，支座處最大剪力值R為4.565 kN，計算得屋面板撓度為3.96 mm＜6.00 mm。

2）屋面板受向上荷載（風吸）計算。屋面板所受向上荷載q為0.399 kN/m，跨中最大彎矩為0.077 kN·m＜1.640 kN·m，支座處最大彎矩為0.104 kN·m＜2.070 kN·m，支座處最大剪力值R為0.745 kN，計算得屋面板撓度為0.647 mm＜6.000 mm。

3.3.4 屋面板下固定座計算

根據(jù)屋面板下固定座的連接方式，其受力方式為連續(xù)梁，按三等跨等截面連續(xù)梁進行計算。屋面板下固定座承受屋面結構全部荷載，下固定座受荷載寬度450 mm，跨度1.5 m，下固定座承擔的屋面系統(tǒng)自重為0.22 kN/m2，風荷載按0.998 kN/m2計。

下固定座受向下荷載為2.308 kN/m2，跨中最大彎矩為0.206 kN·m，支座處最大剪力值為1.89 kN，對應最大正應力為6.33 N/mm2＜90 N/mm2，對應最大剪應力為1.39 N/mm2＜55 N/mm2，跨中最大撓度為0.29 mm＜10.00 mm。

3.3.5 抗風揭計算

關偉梁[3]對抗風夾對直立鎖邊系統(tǒng)抗風承載力的影響進行了研究，得出了直立鎖邊屋面板在增加抗風夾下屋面抗風承載力計算公式。本結構相當于在屋面板固定端配以通長的防風夾，因此屋面板脫口破壞的可能性非常小，其破壞主要為屋面板撕裂破壞。

屋面板撕裂破壞下抗風承載力：Q＝3 632.024l－0.26t1.024b－0.976fy0.237。其中：l為抗風夾間距，本系統(tǒng)上下固定座螺栓連接間距500 mm；t為板厚，取0.9 mm；b為板寬，取400 mm；fy為板材屈服強度，取240 MPa。則屋面板抗風承載力Q＝6.86 kN/m2。由3.3.2節(jié)荷載組合可知，屋面向上最不利荷載組合設計值（風吸）6.109 kN/m2＜6.860 kN/m2。

根據(jù)風速風壓計算公式Wp＝v2/1 600，當屋面系統(tǒng)承受風壓0.95 kN/m2，其對應風速為38.98 m/s，查風力等級表，38.98 m/s對應風速等級為13級。

根據(jù)上述計算結果可知，該屋面系統(tǒng)可以抵抗13級臺風而無破壞，滿足百年一遇的極限風速要求。

3.4 新型金屬屋面系統(tǒng)的特點

3.4.1 抗風揭

改變了直立鎖邊屋面系統(tǒng)依靠屋面板與T碼鎖邊咬合力來抵抗風吸力的抗風揭原理，采用屋面板固定端向上翹起，并連續(xù)折彎形成三角空腔，空腔內(nèi)包裹鋁合金壓緊塊與屋面板形成整體，然后嵌入屋面板通長固定座內(nèi)，并用螺栓將上/下固定座連接為一體。其結構相當于在屋面板固定端配以通長的防風夾，其固定座兼具防風夾與T碼功能。

此結構確保了屋面板在最不利的情況下也能保證不被掀落，同時也避免了T碼被剪斷的問題發(fā)生。此外，屋面板固定端三角空腔可以在通長固定座內(nèi)進行自由滑動伸縮，不產(chǎn)生溫度應力，保證了屋面板各項性能的可靠性。

3.4.2 防水

采用暗扣式蓋板固定方式，避免了上/下固定座連接螺栓外露，使得整個屋面沒有外露螺釘，整個屋面不僅美觀，而且從根本上杜絕了螺釘造成的漏水隱患。同時，整個屋面板采用滾壓成形的生產(chǎn)方式，屋面板縱向沒有接頭，大大減少了漏水的可能性。另外，屋面板上固定座稍寬于下固定座，形成滴水檐，避免了雨水滲透進固定座三角空腔內(nèi)。

3.4.3 施工質(zhì)量有保證

屋面板固定座為通長設計，支座間安裝精度易于保證。屋面板施工不存在鎖邊工序，施工簡單，質(zhì)量易于保證。

3.4.4 維修方便

該系統(tǒng)屋面板板塊之間相互獨立，不存在“類似撕紙破壞連鎖效應”，同時各屋面板板塊維修保養(yǎng)方便，在某塊屋面板需要更換維修時，只需松掉相應屋面板固定座連接螺栓，用新屋面板替換掉舊屋面板即可，施工簡潔，不影響室內(nèi)正常營業(yè)。

4 新型金屬屋面系統(tǒng)施工要點

1）鋁合金下固定座與次檁條連接部位安裝隔熱墊，同時鋁合金下固定座斷開點宜設置在與次檁條連接處。

2）屋面板固定座是新型金屬屋面系統(tǒng)的核心部件，鋁合金下固定座安裝前要嚴格核驗檁條安裝的精度，檁條宜采用拉線控制其安裝高度，同時控制鋁合金下固定座間距與平行度，確保后期面板能夠順利卡扣在支座內(nèi)。

3）防水蓋板不宜斷開，確需斷開時應做搭接處理，搭接處打密封膠。

5 結語

本文提出了一種能解決傳統(tǒng)金屬屋面抗風揭性能差、易漏水等缺陷的新型金屬屋面系統(tǒng)，總結以上研究，得出以下結論：

1）徹底解決金屬屋面因抗風揭能力不足而被大風吹翻的難題，同時解決了需要對抗風揭能力不足屋面進行加固的問題。

2）徹底解決了屋面由于鎖邊質(zhì)量不高造成屋面漏水的問題。

3）實現(xiàn)了對原金屬屋面快速拆除維修改造，不影響室內(nèi)施工和使用，具有更好的社會和經(jīng)濟效益。

4）屋面系統(tǒng)使用年限有望達到結構設計壽命50年的要求。