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1、站房与雨棚金属屋面系统风致破坏模式及原因分析摘要:既有沿海铁路客站站房与雨棚轻型金属屋面系统在台风作用下破坏频 繁，不仅危害铁路系统的运营安全，还有损客运服务声誉，因此有必要对屋面风 致破坏原因开展调研并采取抗台风加固措施。本文首先对既有站房和雨棚常用的 轻型金属屋面系统构造特点进行了介绍，然后就既有轻型金属屋面系统的典型风 致破坏模式进行调研和总结，最后对主要破坏原因展开了探讨。本文工作可为站 房与雨棚屋面日常检测维护和抗台风加固提供理论依据，提高维护及加固工作的 有效性、实用性和经济性。关键词：沿海铁路客站；站房与雨棚；轻型金属屋面系统；风致破坏1.引言目前我国高铁运营里程已经突破4万公里
2、，保障高铁动车的安全运行至关重 要。对于台风频发的沿海地区，铁路客站站房及雨棚（下文简称“站房与雨棚”） 所采用的轻型金属屋面系统（含室外吊顶）在台风作用下频繁破坏。这不仅对铁 路客运工作的正常开展和服务声誉有重要影响，屋面围护构件碎片如果散落于轨 道线路上，还会严重威胁到高铁列车的运行安全，易造成较大的生命财产损失。另一方面，我国基础设施建设自上世纪九十年代以来获得了高速发展，大量 铁路客站站房、雨棚和附属设施都有十至三十年的运营历史。早期技术标准的落 后、粗放施工的质量缺陷、构件锈蚀和材料老化都对围护结构带来严重的安全隐 患。鉴于沿海铁路建筑屋面围护系统存在较高的台风破坏风险，有必要对轻型
3、金 属屋面系统风致破坏情况展开调研，分析其典型破坏模式和主要原因，为日常检 测维护及抗台风加固工作提供科学指导。1.轻型金属屋面系统的构造特点轻型金属屋面系统，是指以钛锌、铜、钛、镀铝锌彩钢板、不锈钢、铝合金 等金属薄板（板厚W1.2mm）为面材，将结构层和防水层合二为一的屋盖形式。 它由金属面板与支承体系组成，是与主体结构连接但不分担主体结构所受作用且 与水平方向夹角小于75的建筑围护结构。根据构造形式的不同，轻型屋面系 统可分为古典式扣盖、自攻螺钉压型板、平锁扣式、立边咬合、直立锁边、平面 板条、单元板块式等类型。在工程实际应用当中，咬合式屋面形式因防水性和温 度适应性得到更为广泛的应用，
4、典型如直立锁边的铝镁锰板和立边咬合的角驰形 式压型彩钢板。1.1.直立锁边屋面系统直立锁边点支承屋面系统是通过专用设备或手工咬合工艺，依次将压型金属 面板的相邻立边和T形支托相对咬合，并连接到支承结构的屋面系统1（图1）。 这种系统主要适用于大跨度自支承式封闭结构体系，具有卓越的防水性能，且面 板和支座间的连接形式可有效释放温度横向变形。然而这种系统的抗风揭承载力较弱，易发生图2a所示的脱扣破坏，难以满 足沿海地区的抗台风要求，因此需要采取必要的抗台风加固措施，常用的方法是 在檩条上方的立边处设置抗风夹具（图2b）。当屋面板和角码连接件约束作用足 够强时，破坏模式还可能转化为屋面板本身强度不足
5、引起的撕裂破坏，此时还需 采用其他加固方式，如在风力过大的边缘区域增设抗风压条等。a）直立锁边屋面板连接构造b）直立锁边屋面板连接构造图1直立锁边屋面系统示意图a）脱扣破坏b）抗风夹具图2直立锁边连接主要破坏形式及加固方法1.1.角驰型立边咬合系统立边咬合系统是一种面支撑金属屋面系统，金属屋面板肋冠以机械锁扣折密; 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 到主体结构上折密后的屋面可实现高度防渗、防水。无论建筑形状如何，均 能完全咬合接缝，整个屋面没有钉孔，既可以使屋面在温度变化时自由伸缩，避 免温度应力，又杜绝了由系统螺钉固定方式所造成的漏水隐患。其特别的三维成
6、 孤加工处理，能适应于孤度大小不同的曲面屋顶。屋面咬合构造存在多种形式，如咬合边可以弯折180、270、360等； 根据立边及固定支座选型的不同可分为角驰II型、III型等。沿海铁路站房及雨棚 工程大多采用角驰II型（图3），常用规格为YX51（76）-360（820）（括号内外数 值分别为规格上下限范围）。立边咬合金属屋面板由于固定支座的腹板和屋面板共同卷边，其连接构造相 比直立锁边更为可靠。若固定支座组件之间以及和檩条系统的连接强度不足，其 破坏模式容易发展为图4所示的整体掀翻。因此有必要对屋面板-固定支座-檩条 系统之间的各个连接环节进行承载力分析验算，并采取相应的加固措施。a）角驰II
7、型屋面板b）立边咬合连接构造图3角驰II型立边咬合屋面系统示意图图4角驰II型立边咬合屋面破坏形式1.站房和雨棚屋面典型风致破坏模式铁路站房和站台雨棚的复合屋面系统包括上层的轻型金属屋面板系统，以及 雨棚屋盖下表面的吊顶板系统。上层屋面板系统最常见的破坏模式（图5）为屋 面板掀开、整体撕裂、以及屋脊盖板的掀飞；此外檐口板也存在脱落风险。a）屋面板掀开b）屋面板撕裂c）屋脊盖板被掀开图5轻型金属屋面板系统典型破坏形式站台雨棚的吊顶板系统破坏模式主要包括吊顶板自身的风揭破坏，以及小盖 板、封口板和伸缩缝盖板等附属部位的局部脱落（图6）。a）站台雨棚吊顶板脱落b）伸缩缝盖板脱落c）桁架上方小盖板脱落
8、图6站台雨棚室外吊顶典型破坏形式针对沿海铁路站房及站台雨棚屋面（含室外吊顶）易在台风多发季节遭受风 致破坏的情况，杭州房建公寓段于2021年对浙江沿海地区铁路客站（如苍南站、温州南站、雁荡山站和临海站等）进行了实地调研，总结了目前站房和雨棚屋面 安全隐患的考察要点，列于表1。目前部分站点已采取一些抗风加固措施，如温 州南站和苍南站对咬合式屋面系统设置了抗风夹具，平阳站和雁荡山站对吊顶板 设置了抗风钢拉条。这些措施的有效性还有待分析评估。表1站房与雨棚实地考察要点统 部 位系构造形式代 表性 站点安全隐患考察要点型 金 属 屋 面系 统直立锁边铝轻镁锰板温州南站站房与站台雨棚1）屋面板的 抗风揭
9、能力；2）固定支座 和檩条的连接可 靠性；3）天沟、檐口 处抗风构造；4）屋脊盖 板的抗风措施。立边咬合压型彩钢板（角驰II苍南站、乐清站、平阳站、临海1.风致破坏原因分析除了铁路站房和站台雨棚外，以直立锁边和立边咬合系统为例的轻型金属屋 面还广泛应用于其他交通枢纽、体育场馆、工业厂房等大跨度钢结构中，其风致 破坏也时有发生。通过对国内过往风致破坏典型案例进行调研，系统总结了轻型 金属屋面系统常见风致破坏模式的主要原因和代表性案例（表2），可为沿海铁 路站台与雨棚屋面检测加固提供参考。表2轻型金属屋面典型风致破坏模式及原因破 坏模 式构 造形 式主要原因代表性案例直锁武汉天河机场（2007）3
10、屋边咬天津南站面板立锁 边合强（2012）；被掀铝镁度及台州站开锰板疲劳问题（2019）；温州南站（2020）；风力超北京邮电出设大学体育馆计值（2008）（或厦门理工采用学院体育馆旧规（2010）范）立边咬立合压型彩钢板（角边锁扣强度及疲劳沪宁城际苏州园区站（2012）；驰连问题接）屋面板被掀开，直立锁边铝支架数量偏少或京沪高铁定远站（2011）固定镁锰自攻江苏电炉支座板螺钉炼钢厂房损坏强度（2012）或拔不足二nZ面整体性破坏风 力超 出设 计值（或 采用 旧规 范） ;内外 风压 共同 作用河南省体 育中心（2004）；琼台师范高等 专科学校体育 馆（2014）4根据已有的轻型金属屋面破
11、坏案例，主要原因可分为以下几类:1.1.荷载效应原因屋面系统抗风揭破坏的荷载效应原因主要体现在荷载设计值过小或局部风荷 载过大。2012年版和2006年版GB50009荷载规范丘对比，修改增大了阵风系数计算 公式与表格中的峰值因子g和基本湍流度七，明显提高了直接承受脉动风的屋面 围护结构风荷载。2012年以前建设的屋面系统按照旧规范选取风荷载，低估了风 振效应和局部放大效应，是导致此类屋面风揭破坏的主要原因。从以往的风灾调查可以发现，由于屋檐、屋面边缘和转角等几何外形突变而 引起的流动分离是导致屋面破坏的最普遍原因，这些区域的风压系数最值可能是 其他部位的两倍以上。此外荷载规范中对风荷载标准值
12、取值是基于设计基准期一 定保证率下平均风速确定的，且体型系数或风压系数的取值也是根据大量风洞或 实测数据的统计分析确定不同区域的平均值，因此实际局部瞬时风力可能超出风 荷载设计值，导致屋面系统破坏。封闭式结构的屋盖系统往往只考虑作用于屋面上方的负风压，但实际建筑可 能因门窗的开启或风致破坏而产生灌风通道，使得建筑内风压在台风来临时显著 增大，屋面系统易在内外风压同时作用下发生破坏。1.1.屋面系统抗力原因金属屋面板被大风掀起破坏主要有两种形式：一是固定支座发生严重变形、 破坏，与屋面板脱开或连同屋面板与檩条脱开（如2012年3月23日，京沪高铁 天津南站雨棚屋面板坠落）。二是固定支座与屋面板脱
13、开，支座仅轻微变形但未 被破坏（如2012年4月12日，武广客专郴洲西站雨棚屋面板坠落）。分析其原 因，第一种破坏形式主要是固定支座自身强度不足、支座与檩条间的连接强度不 足、支座数量不足造成单个支座受力过大引起破坏；第二种破坏形式主要是由于 屋面板直立锁边不到位、板与支座间咬合力不足造成的。另外，雨棚金属屋面破 坏大都从檐口、屋脊或变形缝处开始，进而发展到整块屋面板被掀起、坠落。强风作用下咬合式屋面易发生固定支座脱扣破坏现象，脱扣破坏时屋面板局 部被掀起，进而发生大面积屋面板脱落。归根结底是由于屋面系统的抗风揭承载 力不足，而屋面板间距、锁扣咬合强度、抗风夹加固措施与檩条系统的连接构造 等都
14、是主要影响因素。锁扣咬合强度不足、屋面板间距过宽、连接支座及抗风夹 布置过于稀疏都将降低屋面系统的抗风揭承载力。因此从抗力角度，风致破坏的 原因包括以下几点：1.屋面板布置不合理;2.立边咬合抗风揭承载力不足；3.屋面板与檩条系统连接支座的抗拔承载力不足；4.屋面系统抵御连续性破坏问题。1.1.施工缺陷原因1.立边锁定的现场施工质量问题施工过程中材料不合格、加工安装不规范等问题均会导致屋面系统的整体性 破坏。例如自攻螺钉屋面系统设置的螺钉数量不足，或钉帽下未设置垫片，在反 复风荷载作用下，孔洞将逐渐增大，最终将导致自攻螺钉脱开或屋面板破损；而 在咬合式屋面系统中，通常也存在锁边未咬合或局部锁边破损的现象，咬合质量 无法得到保证；大量研究表明，金属屋面板的风揭破坏模式大多是锁边处脱开， 其抗风揭承载力与立边锁定的现场施工质量直接相关。1.屋面板翘曲的局部缝隙导致内风压增大封闭式建筑屋面系统往往只考虑上部风压作用，然而由于屋面板平整度问题、 收边施工缺陷和局部破坏等因素，导致屋面板迎风面端部发生局部翘曲，形成屋 面系统进风通道，从而产生内风压。内外风压共同作用可能超过屋面板的抗风揭 承载力，从而引起风揭破坏。1.1.环境及维护原因金属屋面系统在长时间的
