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        金屬屋面風(fēng)揭設(shè)計(jì)探討

        2013-04-16 01:27:57
        鐵道勘察 2013年2期
        關(guān)鍵詞:鎖邊角碼壓型

         

        (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

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