(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北武漢　430063； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

近幾年來，鐵路站臺(tái)雨棚大多采用壓型金屬屋面板系統(tǒng)。鐵路站臺(tái)雨棚四周開敞，屋面平緩，風(fēng)吸力是其主要荷載。如何探索雨棚風(fēng)荷載分布規(guī)律，揭秘金屬屋面板系統(tǒng)破壞機(jī)理，提高雨棚屋面板系統(tǒng)抗風(fēng)揭能力，是急需解決的問題。

1　鐵路中小站站臺(tái)雨棚概況

鐵路中小車站最高聚集人數(shù)一般在600～3 000人之間，客運(yùn)專線旅客車站高峰小時(shí)發(fā)送量在1 000～5 000人之間。基本上都采用線側(cè)式布置方式，站房位于雨棚側(cè)面。新建旅客車站往往位于城市郊區(qū)，周邊廣布農(nóng)田或小山丘，臨近建筑稀少。部分車站雨棚采用基本站臺(tái)獨(dú)柱懸挑、中間站臺(tái)“Y”形雨棚，部分車站雨棚采用無站臺(tái)柱雨棚，如某車站雨棚建筑面積39 800 m2，跨越6股道3個(gè)站臺(tái)。

對(duì)2003年以來已建和在建的部分雨棚屋面系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，屋面板主要有3種卷邊形式，最為常見的是：(1)角馳Ⅱ YX-51-360(見圖1)、(2)角馳Ⅲ YX51-380-760(見圖2)、(3)直立鎖邊形式HV65/470(見圖3)。直立鎖邊形屋面板為彩鋼板，采用鋁制T形角碼與檁條連接。角馳形屋面板的角碼形式多種多樣：角碼直接用螺釘或螺栓和檁條連接的有19個(gè)站，通過附加龍骨連接的有9個(gè)站，附加龍骨最小壁厚為2 mm。

圖1　YX-51-360(角馳Ⅱ型)(單位：mm)

圖2　YX51-380-760(角馳Ⅲ)(單位：mm)

圖3　HV65/470(直立鎖邊形式)(單位：mm)

鐵路站臺(tái)雨棚屋面結(jié)構(gòu)大多為“金屬屋面板—吸音棉—不銹鋼鋼絲網(wǎng)—結(jié)構(gòu)檁條(或附加龍骨)—鋁合金扣板離縫吊頂。”

2　雨棚風(fēng)洞試驗(yàn)概況

鐵路中小型車站廣布于祖國的大江南北，各地的地理氣候文化特征各有不同，建筑形態(tài)也千變?nèi)f化，為了較好地了解風(fēng)荷載對(duì)雨棚的影響，先后對(duì)14座車站雨棚進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。經(jīng)總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)有如下特點(diǎn)：①風(fēng)壓體型系數(shù)介于0.1～1.0之間，有11個(gè)站的最大風(fēng)壓值不大于0.5，占78.6%，在0.5～1之間的有3個(gè)站；②風(fēng)吸體型系數(shù)介于-0.3～-2.0之間，有9個(gè)站的最大風(fēng)吸絕對(duì)值大于1，占64.3%，在-0.3～-1之間的有5個(gè)站，占35.7%；③風(fēng)荷載體型系數(shù)一般在屋面的中間區(qū)域及非漏空區(qū)域較小，而在雨棚的端頭部位或漏空區(qū)域附近較大。圖4為雨棚風(fēng)荷載體型系數(shù)分布示意。

圖4　風(fēng)荷載體型系數(shù)分區(qū)域分布示意

3　構(gòu)件承載力檢算

壓型金屬板屋面系統(tǒng)，應(yīng)經(jīng)抗風(fēng)揭試驗(yàn)驗(yàn)證其系統(tǒng)整體抗風(fēng)揭能力，對(duì)部分構(gòu)件或部位也可以進(jìn)行強(qiáng)度和變形計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)其坡度來校核其撓度，當(dāng)坡度小于1/20時(shí)，撓度與跨度之比的限值為1/250，當(dāng)坡度大于1/20時(shí)，為1/200。壓型金屬屋面板在未設(shè)置加勁肋的情況下，受壓翼緣板件的寬厚比不宜超過200。

壓型鋼板同時(shí)承受彎矩和支座反力時(shí)，應(yīng)按公式(1)、(2)、(3)計(jì)算

(2)

M/Mu+R/Rw≤1.25

(3)

壓型鋼板同時(shí)承受彎矩和剪力時(shí)，應(yīng)按公式(4)計(jì)算

(M/Mu)2+(V/Vu)2≤1.0

(4)

壓型金屬板撓度在均布荷載作用下?lián)隙瓤筛鶕?jù)近似公式按簡(jiǎn)支板或連續(xù)板計(jì)算。

屋面板連接件強(qiáng)度應(yīng)按公式(5)計(jì)算

(5)

式中t1為其最小厚度，Ls為支托長(zhǎng)度。

連接件的穩(wěn)定計(jì)算可簡(jiǎn)化為等截面柱模型，按公式(6)計(jì)算

(6)

式中φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比、材料強(qiáng)度計(jì)算。

用于壓型金屬板之間或壓型金屬板與檁條，支撐構(gòu)件之間緊密連接的螺栓、抽芯鉚釘、自攻螺釘及射釘?shù)某休d力設(shè)計(jì)值應(yīng)由生產(chǎn)廠家通過試驗(yàn)確定。其承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)大于其所承受的外力，承載力設(shè)計(jì)值按按公式(7)～公式(9)計(jì)算。

當(dāng)承受含有風(fēng)荷載的組合荷載時(shí)

(7)

式中t為緊挨釘頭側(cè)的壓型板厚度，應(yīng)滿足0.5 mm≤t≤1.5 mm，f為被連接壓型鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

當(dāng)連接件位于壓型金屬板波谷的一個(gè)四分點(diǎn)時(shí)，起抗拉承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以0.9的折減系數(shù)，當(dāng)兩個(gè)四分點(diǎn)均設(shè)置連接件時(shí)，應(yīng)乘以0.7的折減系數(shù)。

自攻螺釘?shù)某休d力設(shè)計(jì)值還應(yīng)滿足公式(8)的要求

(8)

式中tc為鉆入基材中的深度，d為其直徑。

自攻螺釘?shù)目辜舫休d力設(shè)計(jì)值：

(9)

當(dāng)自攻螺釘用于壓型板端時(shí)，其抗剪承載力應(yīng)乘以折減系數(shù)0.8。

算例1：某屋面板角馳Ⅱ型0.8 mm厚的YX51-360(Q235B)，0.36 m寬的單塊板Mu=1.25 kN·m，RW=2.88 kN，檁條間距1.9 m，未采用附加龍骨，基本風(fēng)壓1.05 kN/m2，基本雪壓0.0 kN/m2，不上人屋面活荷載0.5 kN/m2，單個(gè)連接件設(shè)置兩個(gè)自攻螺釘(ST5.5)與龍骨連接，螺釘穿透基材。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　某工程屋面系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

表2計(jì)算結(jié)果說明，該屋面板及連接自攻螺釘滿足要求。

4　設(shè)計(jì)建議

角馳Ⅲ形屋面板中間支座未與屋面板進(jìn)行卷邊，僅用棱形錨頭彈性卡接，基本上不具備抗風(fēng)揭能力，建議不要使用。

采用鋁制T形角碼的直立鎖邊鋁合金屋面板，目前有成熟的構(gòu)造做法和配件，其形狀規(guī)格比較統(tǒng)一，一般能夠滿足設(shè)計(jì)要求。但目前部分雨棚是將鋁制T形角碼與彩鋼板進(jìn)行直立鎖邊連接，這種做法是仿照國外鋁合金直立鎖邊金屬屋面板，將鋁合金板改為彩鋼板演變而來的，由于彩鋼板卷邊回彈，其鎖邊咬合力大打折扣，連接強(qiáng)度不足，建議不要使用。

金屬屋面板通過壓波彎折大大提高了其縱向剛度，而橫向由于板薄其剛度很小，故其橫向變形很難控制。當(dāng)金屬屋面板單元橫向?qū)挾仍?.4 m以下和基本風(fēng)壓小于0.5 kN/m2時(shí)，屋面板的強(qiáng)度和變形一般能夠滿足計(jì)算要求。

角馳形屋面板的連接角碼樣式較多，有固定形、活動(dòng)形、L形、船形。連接角碼的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)具體工程結(jié)合其材料特性、樣式、板厚等進(jìn)行計(jì)算或?qū)嶒?yàn)確定。

角碼與鋼龍骨大多采用兩個(gè)自攻釘連接，鋼龍骨壁厚最小為2 mm；根據(jù)計(jì)算，每個(gè)自攻釘承載力達(dá)1.7 kN，若鋼龍骨壁厚達(dá)到3 mm，基本能夠滿足計(jì)算要求。

壓型金屬板屋面系統(tǒng)中，許多部位是不能計(jì)算的，如屋面板與角碼的卷邊連接、活動(dòng)角碼的承載力等，應(yīng)通過抗風(fēng)揭試驗(yàn)驗(yàn)證其系統(tǒng)整體抗風(fēng)揭能力。

目前壓型鋼板按《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》及《金屬壓型板應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(征求意見稿)進(jìn)行計(jì)算，采用的是取一個(gè)板單元按梁式受彎構(gòu)件來計(jì)算壓型鋼板的強(qiáng)度及變形。實(shí)際上壓型鋼板經(jīng)過彎折壓制卷邊，壓型鋼板波峰處的肋可以起到近似支撐邊的作用，但肋邊自身也在發(fā)生復(fù)雜的變形，其計(jì)算公式是否合適值得進(jìn)一步探討。

由于風(fēng)荷載在雨棚不同的區(qū)域其大小不同，因此在設(shè)計(jì)屋面板及其構(gòu)件時(shí)，應(yīng)根據(jù)其所在位置的不同分別計(jì)算。一般來說，在屋面的周圍區(qū)域、漏空區(qū)域、屋脊、檐口等處，其風(fēng)吸較大，達(dá)到-2.0左右，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮此處的抗風(fēng)吸能力。

采用雙層壓型鋼板結(jié)構(gòu)體系，上下層適當(dāng)增加找平約束鋼帶，中間填充一定厚度的輕質(zhì)巖棉，是一個(gè)值得推廣的鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)方向。壓型鋼板的抗拉和抗壓區(qū)不僅僅是靠自身的截面強(qiáng)度，由于找平約束鋼帶的加強(qiáng)作用，正向荷載作用時(shí)，屋面支承體系整體發(fā)生形變，上層板成為受壓區(qū)，下層壓型鋼板成為受拉區(qū)；負(fù)風(fēng)壓荷載作用時(shí)，下層板成為受壓區(qū)，上層板成為受拉區(qū)。這種立體構(gòu)造的應(yīng)用將使在中國傳統(tǒng)意義上的單層壓型金屬板的應(yīng)用和受力躍升到一新的層面。

[1]GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]

[2]GB50018—2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S]

[3]GB50429—2007鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]CIS-MRS-01-2010裝配式金屬屋面系統(tǒng)[S]

[5]蔣凡.車站無站臺(tái)柱雨棚風(fēng)荷載設(shè)計(jì)探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(5)：94-96

[6]何連華,等.武漢火車站屋蓋與雨棚平均風(fēng)荷載的數(shù)值模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(1):12-15

[7]姜瑞鈴.對(duì)鋼結(jié)構(gòu)無站臺(tái)柱雨棚設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考[J].鐵道勘察，2005(4)：25-28

[8]何連華,等.武漢火車站屋蓋與雨棚平均風(fēng)荷載的數(shù)值模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009,39(1):20-22