金属屋面系统的新型防揭设计研究

裴彦军

中铁建工集团有限公司 北京 100160

1 新型金属屋面系统研究的目的和意义

铁路站房钢结构屋面主要采用直立锁边铝镁锰金属屋面，其设计寿命约30年，站台雨棚屋面的围护结构大部分为镀铝锌彩钢板结构，其设计寿命为20～25年。实际金属屋面的寿命与使用环境、施工质量、日常维护质量等关系密切。金属屋面系统一旦失效发生脱落，就会对铁路运营造成不可估量的影响。铁路客站，尤其是雨棚围护结构的翻修改造，不能简单地像其他公用建筑一样停业进行，故迫切需要研发一种快速、施工简洁的金属屋面系统，进行超前技术储备，以减少屋面维修对高铁运营的影响。

2 铁路客站金属屋面系统应用现状

目前，国内普遍采用的金属围护结构，是20世纪90年代从国外引进的新型金属围护系统，即扣合、咬合形式的隐藏式（暗钉）固定方式，是可适应环境温度变化的浮动金属屋面体系。金属屋面系统由屋面金属板、连接件、保温隔热层、衬檩、底板、结构檩条等组成，标准屋面系统如图1所示，各结构件存在不同寿命情况，任何一个环节的零部件寿命出现问题都会造成屋面失效的事故。2010年，我国陆续出现了几起高铁客站站台雨棚被大风吹落到线路上的事故，造成高铁短时停运的严重事故。2011年，全国开展了大范围的雨棚金属屋面加固改造施工，利用防风夹或屋面压梁2种方式虽然都提高了金属屋面抗风揭能力，避免了站台雨棚金属屋面被大风吹落的事故发生，但是此种屋面加固改造改变了原金属屋面设计原理，对原金属屋面造成了一些损伤，对原屋面的使用寿命造成了一定影响。

图1 金属屋面板系统标准构造

随着金属屋面系统各零部件经多年的老化、锈蚀，尤其是连接件锈蚀失效，国内有些早年建造的金属屋面已难以满足构筑物功能需要，面临着改造或拆除。通过对湖南、福建、广州等12省40座高铁客站的实地回访调研，发现铁路客站金属屋面的应用问题主要集中在以下几个方面：屋面漏水占45.0%，檐口板开胶、脱落、锈蚀占12.5%，屋面板锈蚀占15.0%，排水管堵塞、断裂、冻损占10.0%，吊顶板脱落、有异物占5.0%，屋面被吹翻占2.5%，防风夹加固未加在T码处占2.5%。

3 新型金属屋面系统构造与特点

3.1 新型金属屋面系统构造组成

新型金属屋面系统包括防水盖板、连接螺栓、屋面板上/下固定座、固定螺钉、压紧块、屋面板、防水透气膜、保温隔声棉及底板，结构如图2所示。

图2 新型金属屋面系统结构示意

3.2 新型金属屋面系统材料选用

1）屋面板采用铝镁锰板，其尺寸为：宽度400 mm，板厚1.0 mm或1.2 mm。屋面板外侧采用氟碳喷漆层并罩清漆，内侧采用树脂清漆涂层。

2）屋面板上/下固定座、压紧块及防水盖板均采用铝合金材质（6063-T6），表面处理应采用阳极氧化。

3）屋面系统所有紧固连接件均采用奥氏体不锈钢制品。

3.3 新型金属屋面系统结构设计

3.3.1 风荷载取值

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，垂直于金属屋面表面的风荷载标准值应按下式计算[1]：ωk＝βgzμslμzω0。

3.3.2 荷载组合

经计算，屋面向下最不利荷载组合设计值（风压）为0.998 kN/m2，屋面向上最不利荷载组合设计值（风吸）为6.109 kN/m2。

3.3.3 屋面系统设计计算

取金属屋面纵向为计算方向，初步设定屋面板跨度为1.5 m，屋面板宽400 mm，按五等跨等截面连续梁计算[2]。由于本结构屋面板与直立锁边铝镁锰屋面板65/400截面形状类似，特取65/400型压型铝板截面参数为计算设计值。

1）屋面板受向下荷载（风压）计算。屋面板所受向下荷载q为2.444 kN/m，跨中最大弯矩为0.472 kN·m＜1.88 kN·m，支座处最大弯矩为0.635 kN·m＜1.630 kN·m，支座处最大剪力值R为4.565 kN，计算得屋面板挠度为3.96 mm＜6.00 mm。

2）屋面板受向上荷载（风吸）计算。屋面板所受向上荷载q为0.399 kN/m，跨中最大弯矩为0.077 kN·m＜1.640 kN·m，支座处最大弯矩为0.104 kN·m＜2.070 kN·m，支座处最大剪力值R为0.745 kN，计算得屋面板挠度为0.647 mm＜6.000 mm。

3.3.4 屋面板下固定座计算

根据屋面板下固定座的连接方式，其受力方式为连续梁，按三等跨等截面连续梁进行计算。屋面板下固定座承受屋面结构全部荷载，下固定座受荷载宽度450 mm，跨度1.5 m，下固定座承担的屋面系统自重为0.22 kN/m2，风荷载按0.998 kN/m2计。

下固定座受向下荷载为2.308 kN/m2，跨中最大弯矩为0.206 kN·m，支座处最大剪力值为1.89 kN，对应最大正应力为6.33 N/mm2＜90 N/mm2，对应最大剪应力为1.39 N/mm2＜55 N/mm2，跨中最大挠度为0.29 mm＜10.00 mm。

3.3.5 抗风揭计算

关伟梁[3]对抗风夹对直立锁边系统抗风承载力的影响进行了研究，得出了直立锁边屋面板在增加抗风夹下屋面抗风承载力计算公式。本结构相当于在屋面板固定端配以通长的防风夹，因此屋面板脱口破坏的可能性非常小，其破坏主要为屋面板撕裂破坏。

屋面板撕裂破坏下抗风承载力：Q＝3 632.024l－0.26t1.024b－0.976fy0.237。其中：l为抗风夹间距，本系统上下固定座螺栓连接间距500 mm；t为板厚，取0.9 mm；b为板宽，取400 mm；fy为板材屈服强度，取240 MPa。则屋面板抗风承载力Q＝6.86 kN/m2。由3.3.2节荷载组合可知，屋面向上最不利荷载组合设计值（风吸）6.109 kN/m2＜6.860 kN/m2。

根据风速风压计算公式Wp＝v2/1 600，当屋面系统承受风压0.95 kN/m2，其对应风速为38.98 m/s，查风力等级表，38.98 m/s对应风速等级为13级。

根据上述计算结果可知，该屋面系统可以抵抗13级台风而无破坏，满足百年一遇的极限风速要求。

3.4 新型金属屋面系统的特点

3.4.1 抗风揭

改变了直立锁边屋面系统依靠屋面板与T码锁边咬合力来抵抗风吸力的抗风揭原理，采用屋面板固定端向上翘起，并连续折弯形成三角空腔，空腔内包裹铝合金压紧块与屋面板形成整体，然后嵌入屋面板通长固定座内，并用螺栓将上/下固定座连接为一体。其结构相当于在屋面板固定端配以通长的防风夹，其固定座兼具防风夹与T码功能。

此结构确保了屋面板在最不利的情况下也能保证不被掀落，同时也避免了T码被剪断的问题发生。此外，屋面板固定端三角空腔可以在通长固定座内进行自由滑动伸缩，不产生温度应力，保证了屋面板各项性能的可靠性。

3.4.2 防水

采用暗扣式盖板固定方式，避免了上/下固定座连接螺栓外露，使得整个屋面没有外露螺钉，整个屋面不仅美观，而且从根本上杜绝了螺钉造成的漏水隐患。同时，整个屋面板采用滚压成形的生产方式，屋面板纵向没有接头，大大减少了漏水的可能性。另外，屋面板上固定座稍宽于下固定座，形成滴水檐，避免了雨水渗透进固定座三角空腔内。

3.4.3 施工质量有保证

屋面板固定座为通长设计，支座间安装精度易于保证。屋面板施工不存在锁边工序，施工简单，质量易于保证。

3.4.4 维修方便

该系统屋面板板块之间相互独立，不存在“类似撕纸破坏连锁效应”，同时各屋面板板块维修保养方便，在某块屋面板需要更换维修时，只需松掉相应屋面板固定座连接螺栓，用新屋面板替换掉旧屋面板即可，施工简洁，不影响室内正常营业。

4 新型金属屋面系统施工要点

1）铝合金下固定座与次檩条连接部位安装隔热垫，同时铝合金下固定座断开点宜设置在与次檩条连接处。

2）屋面板固定座是新型金属屋面系统的核心部件，铝合金下固定座安装前要严格核验檩条安装的精度，檩条宜采用拉线控制其安装高度，同时控制铝合金下固定座间距与平行度，确保后期面板能够顺利卡扣在支座内。

3）防水盖板不宜断开，确需断开时应做搭接处理，搭接处打密封胶。

5 结语

本文提出了一种能解决传统金属屋面抗风揭性能差、易漏水等缺陷的新型金属屋面系统，总结以上研究，得出以下结论：

1）彻底解决金属屋面因抗风揭能力不足而被大风吹翻的难题，同时解决了需要对抗风揭能力不足屋面进行加固的问题。

2）彻底解决了屋面由于锁边质量不高造成屋面漏水的问题。

3）实现了对原金属屋面快速拆除维修改造，不影响室内施工和使用，具有更好的社会和经济效益。

4）屋面系统使用年限有望达到结构设计寿命50年的要求。