Architectural and Siruclural Design Design and Analysis of Metal Roof Structure with Improved Wind Resistance
石东婉
(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)
SHI Dong-wan
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd., Wuhan 430063, China)
【摘要】随着铁路建设的快速发展，常规金属屋面系统无法满足铁路站房大跨度钢结构对金属屋面抗风揭性能的要求，影响列车 的行车安全。论文通过研究金属屋面板系统的构造组成、计算理论及破坏机理，提供了一种可提高抗风揭性能的金属屋面结构，并
通过有限元分析及抗风揭实验验证了该新型金属屋面系统的抗风揭性能。
【A b s tra c t】With fast development of railways, conventional metal roofing systems cannot meet the requirements of the large-span steel structure of railway station buildings for the wind resistance of metal roofs, which affects the safety of trains. In this paper, by studying the structural composition, calculation theory and failure mechanism of the metal roof panel system, a metal roof structure that can improve the performance of wind peeling is provided, and the new type of metal roof is verified through finite element analysis and wind peeling experiments.
【关键词】新型抗风金属屋面；提高抗风揭性能；金属屋面系统；有限元分析；抗风揭实验
[K e y w o rd s] new type of wind-resistant metal roof structure; improvement of wind-proof performance; metal roof system; finite element analysis; wind-proof e xperiment
【中图分类号】TU231;TU31 【文献标志码】A【文章编号】1007-9467 (2021)01-0001-04
【DOI】10.jsysj.2021.01.201
1新型抗风金属屋面系统研究的目的和意义金属屋面与传统的卷材屋面相比，具有轻质高强、设计 灵活、造型独特等特点A在屋面设计中广泛应用。近几年 来，随着铁路建设的快速发展，建成了一大批新型铁路客 站，其站台雨棚屋面多数采用了金属屋面系统。站台雨棚屋 面结构平缓且四面开敞，当 风荷载较大时，屋面承受较大的 负风压，屋面系统因抗风揭能力不够，导致站台雨棚屋面易 被风揭落，从而影响列车的行车安全。
同时由于大跨度钢结构对金属屋面系统的需求，既有 线施工环境受限需采用施工周期短的金属屋面系统，部分 雨棚金属屋面系统即将进人大修或更换阶段等原因，为了 更好地应对上述问题，研究雨棚金属屋面板系统的构造组【作者简介】石东婉（1989~)，女，河北辛集人，工程师，从事结构工程研究。成、计算理论及破坏机理，提高雨棚屋面板系统抗风揭能 力，确保列车的行车安全，是亟待解决的问题。
2常规金属屋面系统的应用
2.1铁路站房金属屋面系统应用现状
目前，铁路旅客站房金属屋面系统主要采用2种形式：单层屋面板和双层屋面板。单层屋面板主要采用压型彩钢 板、夹芯压型钢板或铝镁锰板；双层屋面板形式由上下2层 板组成，上层板采用镀铝锌压型钢板或铝镁锰板，下层板采 用金属压型板或铝塑板。android游戏引擎
2.2屋面板板型及连
接方式
搭接板纵向边可相互
搭接，板与板自然搭接后通
1
Construction & Design For Project
过紧固构件与结构进行连接。搭接示意如图1所示。
2.2.2咬合式连接屋面系统
成型板纵边自然搭接后，利用专用机具沿长度方向卷边 咬合并利用固定支架连接到主体结构上。图2为部分卷边咬 合连接形式图。
固定支架\瞧/180'咬口连接
z压型钢板3定茭架
导
4攻螺钉
180°咬合连接
180°咬口连接
型钢板滑动支架U^18(T咬口
静压实验
\自攻螺钌
b 360°咬合连接
图2卷边晈合连接屋面系统示意图
2.2.3 360°直立锁边
支座咬合式连接，指铝镁锰或镀铝锌合金屋面板与直立 的高强铝合金固定座进行锁边连接(见图3 )。
图3直立锁边连接屋面系统示意图
2.3铁路站房金属屋面使用中存在的问题
2.3.1抗风揭失效
金属屋面系统通过板与板、板与支座间的相互咬合来连 接，其抗弯和抗剪承载力通过相互间的摩擦来传递。当风荷载 作用于屋面时，屋面同时承受下部强大的风压力和上部强大 的风吸力，使未经严格设计的金属屋面系统在恶劣的气候条 件下被掀开而破坏|21。
微型超级电容器2.3.2渗漏
金属屋面工程的渗漏问题，大多出现在天沟、细部节点以 及排水系统等部位，主要是由于细部设计或施工过程中的技 术缺陷所致|31。
2.3.3温度作用引起的破坏
大跨度金属屋面系统会承担较大的温度应力，由于收缩 膨胀反复应力会导致屋面系统产生反复的伸缩变形，若采用 自攻钉直接连接，可能导致金属板疲劳破坏。3新型抗风金属屋面系统
3.1新型抗风金属屋面系统构造组成
提高抗风揭性能的新型抗风双层金属屋面系统组成包括 檩条、屋面底板、屋面顶板。屋面顶板包括顶部平板及内涵支座 龙骨和扣盖的锁紧装置。相邻的屋面顶板端部通过螺栓固定 压紧于支座龙骨与扣盖之间。扣盖上方设有盖帽，其两端设有 2个反向弯折的扣接部连接于扣盖的两端，并与屋面顶板端部 扣接，螺栓与扣盖均设于盖帽内'
屋面底板包括底部平板和位于两端的由其端部弯折延伸 形成的2个连接部，相邻底板之间由安装在相应檩条上的U形 龙骨连接，底板的2个连接部与U形龙骨通过紧固件从侧面进 行固定，屋面板支座的底部与U形龙骨连接固定。其连接部组 成包括竖肋、顶部水平延伸的水平段、由水平段斜向下延伸的 下斜板、由底部平板的端部竖直向上延伸的下竖板以及连接下 斜板与下竖板的连接板。连接板包括由
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顶部 水平延伸的水平段，并与下竖板的顶部连接。相邻2个连接部 由内伽贴合％
连接底板的U形龙骨设有2个侧壁，分别与竖向肋和下 竖板贴合。屋面板支座的底部设有倒U形的连接座。图4和图 5展示了新型抗风金属屋面的构造组成。
真空集热管图4屋面构造轴侧图
这种新型抗风金属屋面系统，在采用双层屋面板结构形式 的基础上改进了屋面板间的连接形式，提高了屋面板系统 的抗风揭能力。同时为提高其安装结构的整体稳定性，相邻 屋面顶板端部采用锁紧装置压紧固定屋面底板采用紧固件侧向连接固定，提高了构件连接的承载力，同时屋面底板 采用放置在檩条上方的形式，使检修维护方便。
2
图5屋面系统构造剖面图 3.2新型抗风金属屋面系统材料选用
3.2.1屋面板
屋面板采用铝镁锰板，其尺寸为：肋高65mm ，宽度 400mm ，板厚1mm 或1.2mm 。面板米用氟碳棍涂，需满足以 下设计要求：（1)漆膜厚度正面&20叫；（2)延伸率&7%; (3 )漆膜需附着力强且咬合不开裂、起皮。3.2.2屋面龙骨
免火再煮锅
屋面龙骨采用热镀锌矩形钢管，需要满足双面镀锌 量多275g /m 2。钢龙骨材质采用Q 235，连接采用E 43系列焊 接，焊缝为三级角焊缝。3.2.3屋面板支座、压板及盖板
屋面板支座、压板均采用招合金材质(6063-T 6)，表面 处理应采用阳极氧化。3.2.4屋面系统连接件
屋面系统所有紧固连接件均采用奥氏体不锈钢制品。 用于檩条连接的角码采用Q 235钢板制作，表面采用热镀锌 处理，环氧富锌漆修补IM|。
4新型抗风金属屋面系统有限元分析
4.1整体模型有限元分析
新型金属屋面系统的主要受力构件为金属屋面板、通 长龙骨、压板、支座。由于其连接形式较复杂，在有限元分 析时，容易造成不收敛，故建立整体模型时进行部分简化， 如图6所示。
整体模型采用的主要参数如下：1)
模型跨度。异型通长龙骨纵向取5跨连续梁，跨度
1 200mm ；板宽方向沿横向取2跨，板宽400mm ，厚丨.2mm 。
2) 金属屋面板、通长龙骨及支座均采用铝合金材料，
其材料参数如表1所示。
图6整体模型表1
材料参数
材料
密度Kt/mm3)
屈服强度/MPa 弹性模量/MPa 泊松比
铝镁锰屋面板 2.7x10-919070 0000.3支撑条、支座
2.7xl0'9
150
70 000
0.3
3) 单元类型。屋面板采用完全积分的四边形壳单元(S 4),
该单元能较准确地模拟具有平面弯曲的薄壳问题以及需要考 虑薄膜作用的问题。通长龙骨及支座采用实体单元。
4)
接触和边界条件。金属屋面板和异型通长龙骨采用壳
和实体耦合连接，板和T 形支座下边缘、异型通长龙骨均定义 法向硬接触向无摩擦。支座底板采用完全固接的方式。
5)荷载。板面施加垂直于板的风吸荷载5.2kN /m 2。同时在进行风吸力作用下的分析过程中，考虑大
位移。定义荷载步 时，考虑大变形。
4.2有限元分析结果
4.2.1屋面板
钛合金粉末冶金加工在5.2kPa 均布荷载作用下，板面竖向挠度分布如图7所 示，板中位置的竖向挠度达到最大值，约为74m m 。
b 顺板方向的应力
c 跨中挠度
图7
板面竖向挠度分布
Conslructum& Design For P roject
4.2.2通长龙骨
通过图8可以看出，龙骨与支座接触的部位出现应力集 中，应力值达到180MPa ，而跨中应力值只有约80MPa ，和屋面 板顺板方向的应力水平大致相同，由于顺板古向提供较大的 刚度，通长龙骨刚度较跨中挠度值较小。
b 跨中位移
图8
通长龙骨应力云图
4.2.3支座
支座应力最大值也出现在和龙骨连接的卡槽处，其他部 位应力值均维持在较小的水平。如图9所示。
应力b 位移
图9
支座应力与位移云图
通过以上模型分析可知，新型金属屋面系统中对抗风承 载力起控制作用的是金属屋面板。金属屋面板横板向的应力 先于顺板方向达到屈服，横板方向决定板的抗风承载力。
5抗风揭实验
目前比较准确的、能够真实反映金属屋面受风状态的方
法是整体金属屋面系统抗风揭试验f 91。试验主体设备框架采用 3.7mx 7.3m ，具体尺寸平面图及设备实物详图如图10所示0
b 设备实物图 图10试验设备详图
实验结果表明：在lO .lkP a 外力的作用下经历60s ，无任
何部件产生永久变形，无任何部件破坏或脱离。由于薄膜漏 气，风机进气量已经达到最大，无法再加载，故只能停止试验。 实验结论为该新型抗风金属屋面系统的抗风揭性能为不小于 lO .lkPa 。亦
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a 试验设备尺寸平面图
【收稿日期】
2020-08-26
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