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摘要：直立锁边点支撑的金属屋面在铁路客站雨棚建设中得到了大量应用，本文针对易于发生面板脱落，防风性能不足的问题，对此类金属屋面工程进行了初步的分析，从设计依据、计算方法和施工管理等方面提出了建议措施。
关键词：屋面铝合金设计实验
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言：目前，铁路客站雨棚屋顶主体基本上采用钢结构，屋面基本采用的是直立锁边点支撑的金属屋面。从已经建成并开通客站实际运营效果看，客站雨棚金属屋面防水性能较好，但部分雨棚屋面防风性能较差，本文从设计、施工、主要构配件等方面对金屬屋面受力性能进行分析，就如何加强铁路客站雨棚直立锁边金属屋面工程质量控制，提出了加强金属屋面防风性能的建议措施。
1.直立锁边金属屋面主要构造形式
薄板（板厚≤1.2mm）金属屋面系统又称高级金属屋面系统，是以具有自保性防腐能力、轻质、高强、耐久的钛锌、铜、镀铝锌、以及铝镁锰等合金作为面材的建筑屋面系统。薄板金属屋面系统独特的个性，为建筑师带来丰富的幻想和创造力，合理选用材料及合理的系统设计，可以使屋面系统有独特的艺术效果和良好性能。金属屋面板具有自重轻、外观效果好、耐腐蚀、成本低、建成后不需要维护等优点，直立锁边点支撑的屋面结构形式又有防水性能好、自动释放温度应力等特点，因而此类形式的屋面系统近几年来在国内外广泛应用。
现在客站雨棚金属屋面应用最多的是直立锁边点支撑的金属屋面，其构造体系基本如下图所示：
图1
客站建设中，依据不同的车站类型、规模和投资等具体情况，构造措施略有不同：一般吸声层应用较少，板面材质、厚度、宽度等不同车站有差异，一些中小型客站最底层穿孔压型板底板给予简略。
直立锁边金属屋面的横向连接如下图所示：
图2
由图可以看出，屋面受风压正向荷载时，屋面板主要承受弯剪作用，支架、次檩、主檩主要是正向压力，支架作为抗弯剪的主要受力构件，成为屋面结构破坏点，对于整体受力体系，抗压能力较好。屋面受负风压反向荷载时，受力体系基本没有变化，但屋面板主要是承受拉力，支架、次檩、主檩本身强度能够满足受力要求，但板面和铝合金支座成为连接破坏点，自攻钉与次檩连接成为第二受力薄弱点。
2.存在的主要问题及原因
新时期铁路建设以来，站房及雨棚屋面绝大多数都是采用的本文所介绍的直立锁边金属屋面的构造形式，尤其是高速铁路客站的雨棚屋面，自然风和列车通过时风荷载叠加，屋面体系受力增大，在负风压区域，容易发生屋面板掀开、脱落，影响行车等事故。分析发生的问题，主要有以下几个方面的原因：
2.1.设计依据和计算不准确
2.1.1设计依据选择不准确
目前雨棚屋面设计采用的是GB50009-2001（2006)《建筑结构荷载规范》，风荷载设计采用的指标是 50 年一遇，风速采用的是10m高10min的平均年最大风速。未考虑高速动车通过时的荷载影响，但铁路客站雨棚金属屋面实际受荷载情况与设计依据出入较大，动车通过时，风荷载较大，对雨棚天沟、封檐板、与站房交接处等关键部位受拉力明显变强，基本风压值增加0.1KN/mm2左右。
2.1.2计算方法有偏差
虽然铝合金屋面板在国内得到了大量应用，但其破坏类型和特征的研究目前还不成熟，设计计算时大部分套用的是国内冷弯薄壁型钢规范，按照连续梁模型进行简化计算，容易产生较大误差。
按目前通行的屋面板简化理论，铝合金屋面板的强度计算取一个波距或单元长度的有效截面，按受弯构件计算，强度计算的核心环节是有效截面的计算。而铝合金面板属于挤压型材，材质本身内部应力、强度等物理指标具有不确定性，与有效截面计算理论发生较大偏差。按照同济大学实验结论，铝镁锰板面有效面积计算值与实验值相比有36%的误差，惯性矩误差达到54%。
实验数据表明，铝镁锰屋面板正向受风荷载正向加载破坏主要是弯剪共同作用的结果，套用冷弯薄壁型钢设计规范进行计算将产生50%的误差。反向加载的破坏形式是铝合金支座和板面的连接破坏，其承载力只有正向承载力的25%。而目前国内并没有针对支座和板面此类连接的计算方法，因此当雨棚在动车通过和大风天气叠加时，板面和支座连接处受负荷载增大，易于发生连接破坏，发生面板脱落等事故。
2.2施工质量控制不到位
客站雨棚金属屋面施工中工序较多，存在的主要问题：一是对直立锁边咬合程度、自攻钉紧固力矩等关键工序缺乏有效监测手段。二是施工图纸中一般明确铝合金支座抗压及抗拔承载力设计值，但施工现场并未进行抗压、抗拔承载力试验。三是施工质量控制不严格，如支座位置位于檩条连接处，由于缝隙过大，支座无法安装，仅能固定一个螺丝钉，受力不能满足要求等。
3.解决的措施
3.1提高设计参数选取值的准确性
由于客站雨棚发生脱落等事故，会直接影响到行车安全，直接影响到旅客的生命财产安全，因此必须提高设计指标，将基本风压值由50年一遇，调整为100年一遇。同时充分考虑高速动车通过时的风荷载效应，将基本风压值由当地选取的标准值增加0.1KN/mm2。
为加强雨棚金属屋面工程质量，提高雨棚屋面设计参数选取值的准确性，对大型铁路客站雨棚要由专业机构做风洞试验，用实验值与当地基本风压、风速、地面粗糙度等设计参数对比，选取最可靠的设计指标依据。
3.2提高设计方法准确性
由于按照冷弯薄壁型钢设计规范，对有效截面的计算偏差较大，建议在雨棚金属屋面板设计计算时采取欧洲铝合金设计规范，可以提高受压板件有效截面的计算准确性。
对于支座和板面的连接，受反向加载时的连接破坏没有有效的计算方法，因此在设计时，应针对选定的板材材质、支座强度、连接方式等做负向加载试验，以测算受拉时的设计承载力，保证设计取值的准确性。
3.3加强施工质量控制
一是对锁边工艺要进行现场试验，由已经进场的作业人员和锁边机对选定的材料直接施做，并做破坏试验，检验锁边质量是否满足设计要求，同时对屋面板锁边作业实行旁站监理，全过程监控。二是对支座和檩条连接进行试验，检验正向加载时支座强度和负向加载时的自攻钉连接强度。三是进场控制，对进场支座、面板、自攻钉等材料及构配件加强检测，复核检验报告；对进场作业人员必须经过培训，能够熟悉作业程序，施工工艺。四是加强施工细节控制，对檩条与檩条、天窗与面板、天沟与面板等连接处加强控制，保证自攻钉强度、个数、安装位置等符合要求。
参考文献：
1.董震、张其林、石景，《铝镁锰合金屋面板的实验研究及设计分析》，《建筑结构》，第38卷，第三期。
2.李川峰、戴宝、顾延静，《金属屋面板的受力计算》，《中国科技博览》，2012年第四期。
3.《建筑工程设计文件编制深度规定》(2008版)
关键词：屋面铝合金设计实验
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言：目前，铁路客站雨棚屋顶主体基本上采用钢结构，屋面基本采用的是直立锁边点支撑的金属屋面。从已经建成并开通客站实际运营效果看，客站雨棚金属屋面防水性能较好，但部分雨棚屋面防风性能较差，本文从设计、施工、主要构配件等方面对金屬屋面受力性能进行分析，就如何加强铁路客站雨棚直立锁边金属屋面工程质量控制，提出了加强金属屋面防风性能的建议措施。
1.直立锁边金属屋面主要构造形式
薄板（板厚≤1.2mm）金属屋面系统又称高级金属屋面系统，是以具有自保性防腐能力、轻质、高强、耐久的钛锌、铜、镀铝锌、以及铝镁锰等合金作为面材的建筑屋面系统。薄板金属屋面系统独特的个性，为建筑师带来丰富的幻想和创造力，合理选用材料及合理的系统设计，可以使屋面系统有独特的艺术效果和良好性能。金属屋面板具有自重轻、外观效果好、耐腐蚀、成本低、建成后不需要维护等优点，直立锁边点支撑的屋面结构形式又有防水性能好、自动释放温度应力等特点，因而此类形式的屋面系统近几年来在国内外广泛应用。
现在客站雨棚金属屋面应用最多的是直立锁边点支撑的金属屋面，其构造体系基本如下图所示：
图1
客站建设中，依据不同的车站类型、规模和投资等具体情况，构造措施略有不同：一般吸声层应用较少，板面材质、厚度、宽度等不同车站有差异，一些中小型客站最底层穿孔压型板底板给予简略。
直立锁边金属屋面的横向连接如下图所示：
图2
由图可以看出，屋面受风压正向荷载时，屋面板主要承受弯剪作用，支架、次檩、主檩主要是正向压力，支架作为抗弯剪的主要受力构件，成为屋面结构破坏点，对于整体受力体系，抗压能力较好。屋面受负风压反向荷载时，受力体系基本没有变化，但屋面板主要是承受拉力，支架、次檩、主檩本身强度能够满足受力要求，但板面和铝合金支座成为连接破坏点，自攻钉与次檩连接成为第二受力薄弱点。
2.存在的主要问题及原因
新时期铁路建设以来，站房及雨棚屋面绝大多数都是采用的本文所介绍的直立锁边金属屋面的构造形式，尤其是高速铁路客站的雨棚屋面，自然风和列车通过时风荷载叠加，屋面体系受力增大，在负风压区域，容易发生屋面板掀开、脱落，影响行车等事故。分析发生的问题，主要有以下几个方面的原因：
2.1.设计依据和计算不准确
2.1.1设计依据选择不准确
目前雨棚屋面设计采用的是GB50009-2001（2006)《建筑结构荷载规范》，风荷载设计采用的指标是 50 年一遇，风速采用的是10m高10min的平均年最大风速。未考虑高速动车通过时的荷载影响，但铁路客站雨棚金属屋面实际受荷载情况与设计依据出入较大，动车通过时，风荷载较大，对雨棚天沟、封檐板、与站房交接处等关键部位受拉力明显变强，基本风压值增加0.1KN/mm2左右。
2.1.2计算方法有偏差
虽然铝合金屋面板在国内得到了大量应用，但其破坏类型和特征的研究目前还不成熟，设计计算时大部分套用的是国内冷弯薄壁型钢规范，按照连续梁模型进行简化计算，容易产生较大误差。
按目前通行的屋面板简化理论，铝合金屋面板的强度计算取一个波距或单元长度的有效截面，按受弯构件计算，强度计算的核心环节是有效截面的计算。而铝合金面板属于挤压型材，材质本身内部应力、强度等物理指标具有不确定性，与有效截面计算理论发生较大偏差。按照同济大学实验结论，铝镁锰板面有效面积计算值与实验值相比有36%的误差，惯性矩误差达到54%。
实验数据表明，铝镁锰屋面板正向受风荷载正向加载破坏主要是弯剪共同作用的结果，套用冷弯薄壁型钢设计规范进行计算将产生50%的误差。反向加载的破坏形式是铝合金支座和板面的连接破坏，其承载力只有正向承载力的25%。而目前国内并没有针对支座和板面此类连接的计算方法，因此当雨棚在动车通过和大风天气叠加时，板面和支座连接处受负荷载增大，易于发生连接破坏，发生面板脱落等事故。
2.2施工质量控制不到位
客站雨棚金属屋面施工中工序较多，存在的主要问题：一是对直立锁边咬合程度、自攻钉紧固力矩等关键工序缺乏有效监测手段。二是施工图纸中一般明确铝合金支座抗压及抗拔承载力设计值，但施工现场并未进行抗压、抗拔承载力试验。三是施工质量控制不严格，如支座位置位于檩条连接处，由于缝隙过大，支座无法安装，仅能固定一个螺丝钉，受力不能满足要求等。
3.解决的措施
3.1提高设计参数选取值的准确性
由于客站雨棚发生脱落等事故，会直接影响到行车安全，直接影响到旅客的生命财产安全，因此必须提高设计指标，将基本风压值由50年一遇，调整为100年一遇。同时充分考虑高速动车通过时的风荷载效应，将基本风压值由当地选取的标准值增加0.1KN/mm2。
为加强雨棚金属屋面工程质量，提高雨棚屋面设计参数选取值的准确性，对大型铁路客站雨棚要由专业机构做风洞试验，用实验值与当地基本风压、风速、地面粗糙度等设计参数对比，选取最可靠的设计指标依据。
3.2提高设计方法准确性
由于按照冷弯薄壁型钢设计规范，对有效截面的计算偏差较大，建议在雨棚金属屋面板设计计算时采取欧洲铝合金设计规范，可以提高受压板件有效截面的计算准确性。
对于支座和板面的连接，受反向加载时的连接破坏没有有效的计算方法，因此在设计时，应针对选定的板材材质、支座强度、连接方式等做负向加载试验，以测算受拉时的设计承载力，保证设计取值的准确性。
3.3加强施工质量控制
一是对锁边工艺要进行现场试验，由已经进场的作业人员和锁边机对选定的材料直接施做，并做破坏试验，检验锁边质量是否满足设计要求，同时对屋面板锁边作业实行旁站监理，全过程监控。二是对支座和檩条连接进行试验，检验正向加载时支座强度和负向加载时的自攻钉连接强度。三是进场控制，对进场支座、面板、自攻钉等材料及构配件加强检测，复核检验报告；对进场作业人员必须经过培训，能够熟悉作业程序，施工工艺。四是加强施工细节控制，对檩条与檩条、天窗与面板、天沟与面板等连接处加强控制，保证自攻钉强度、个数、安装位置等符合要求。
参考文献：
1.董震、张其林、石景，《铝镁锰合金屋面板的实验研究及设计分析》，《建筑结构》，第38卷，第三期。
2.李川峰、戴宝、顾延静，《金属屋面板的受力计算》，《中国科技博览》，2012年第四期。
3.《建筑工程设计文件编制深度规定》(2008版)