高铁站房直立锁边金属屋面抗风试验与施工技术应用

高铁站房直立锁边金属屋面抗风试验与施工技术应用

刘庆岭

鲁南高速铁路有限公司,山东 济南 250014

摘要:近年来，轻便、大跨、强度高、防水性能好的直立锁边金属屋面系统越来越多地应用于机场、火车站和体育场馆，但由于缺乏相应设计和施工标准，其抗风承载力不足的弊端也逐渐体现出来。本文通过对青岛西站站房进行1/200 缩尺比的刚性模型测压风洞试验，获得其屋盖上下表面的风压系数和极值压力。通过分析站房屋盖的风压特性，并结合青岛西站的特点，对传统“直立锁边金属屋面”施工工艺和方法进行了优化改进。

关键词:直立锁边；金属屋面系统；风洞试验；风压特性；施工技术

引言

近些年，由于直立锁边金属屋面系统不但防水性能优越，施工方便，抗变形能力强，并且其可以根据建筑物屋面形式的不同，采用多种弧线，甚至是扇形板面；就板长而言，也可以根据施工需要现场制作，从而大大地减少了运输成本。因此该屋面系统在国内外很多会议和会展中心，火车客运站台，市政和文化设施，博物馆，体育馆等大型建筑都获得了广泛的应用[1~2]。

然而，随着直立锁边金属屋面系统广泛使用，在恶劣风环境下，常发生金属屋面被风掀开的事件[3~6]。此类事故的不断发生，不仅严重威胁到人民的生命安全，也阻碍了金属面板在工程中的进一步应用。因此，针对提高金属屋面板的抗风揭性能的进一步研究以及对现有直立锁边金属屋面施工技术的改进显得尤为重要。通过分析事故原因，发现直立锁边金属屋面系统的抗风揭性能差异性主要与以下几方面有关：①设计方面，现行规范对金属屋面的抗风设计校核方法没有完全统一，且各承包单位计算校核依据也不尽相同；②施工方面，金属屋面板与支座连接受力复杂，各施工单位工艺存在差异；③材料方面，板材数量种类繁杂，不同板材的力学性能差异较大[7]。

由金属屋盖风揭事故以及对其的研究[8~11]可以证实直立锁边金属屋面系统由于结构跨度大、质量轻、板材薄、系统复杂等特点导致整个屋面系统刚度较低且板间直立锁边机械咬合强度难以保障。本文通过对青岛西站站房进行1/200 缩尺比的刚性模型测压风洞试验，获得其屋盖上下表面的风压系数和极值压力，找到屋面的最不利位置，优化现有的屋面构造做法及施工工艺，并成功应用于青岛西站站房屋面工程，很好地解决了屋面抗风揭不足、屋面板安装困难、屋面漏渗水等问题，可为今后工程设计与施工提供参考。

1 青岛西站概况

新建青连铁路青岛西站站房及相关工程位于青岛西海岸。青岛西站车场规模为4台11条线，同时预留车站6台14线发展条件。总面积122063.2m²，其中：站房53916m²，附属面积53736.79m²。站房自东向西呈“T”字形布置如图1所示，其中东站房南北总长176.4m，东西总宽36m；西站房南北总长120m，东西总宽36m；中央站房高架层南北总长142.5m，东西总宽103m。

2 风洞试验

本项目在模拟大气边界层和火车站周围建筑环境的条件下，进行青岛西站刚性模型风洞试验，测量站房屋盖在不同风向角下的表面压力分布；根据风洞试验所得的站房50年重现期极值压力，分析站房屋盖的表面风压分布特性，为金属屋面的设计与施工提供理论支持。

风洞模拟试验是风工程研究中最重要、应用最广泛、技术也相对比较成熟的研究手段。其既有现场测试方法的直观性，又在人力、物力和时间上比较节省，特别是由于进行风洞试验时，可以人为地控制、改变和重复试验条件，因此，在进行变参数影响的机理研究中和解决一些比较复杂的工程问题中有较大的优越性。其基本做法是，按一定的缩尺比将建筑结构制作成模型如图2所示，在风洞中模拟风对建筑作用，并对关键物理量进行测量。本次风洞试验在中国建筑科学研究院风洞实验室具体实施。

试验的目的是测量站房屋盖上下表面的平均压力系数和50年重现期极值压力的统计值。模型上总共布置了2681个测压孔，站房测点分布如图3所示。试验风向角采用每10°为间隔，共36个风向角。

站房平均压力系数最大值分布如图4所示，从图中可看出其上表面平均压力系数最大为1.3，主要集中分布在东西站房上表面大跨高拱度雨棚处及站台挑檐位置下表面处。站房屋盖的风荷载以负压为主，特别是在迎风面处屋盖边缘，出现较大的负压，这是由于在边缘处出现瞬时气流分离的缘故。再者，由于屋盖为波浪形结构，在风顺波浪方向吹过来时，屋盖上表面迎风斜面有出现正压的情况，站房屋盖边缘下表面在迎风时出现较大的正压。

站房50年重现期极值压力最大分布如图5所示，从图中可看出其上表面50年重现期极值压力最大为1.8，主要集中分布在东西站房上表面大跨高拱度雨棚处及站台挑檐位置下表面处。站房50年重现期极值风压的分布规律大致为：站房上表面风荷载以负压为主，特别是在迎风面处屋盖边缘，出现较大的负压，这是由于在边缘处出现瞬时气流分离的缘故；站房屋盖边缘下表面在迎风时出现较大的正压；对于站台雨棚，其上下表面的风压都以负压为主，而站台挑檐位置净压力则主要以负压为主。

3 屋面系统抗风揭加固方案

由风洞试验结果可知，由于屋面受风力作用影响较大，且本工程金属屋面同其他站房工程的金属屋面相比，金属屋面为双曲面造型，属于较高的金属屋面，且属于沿海空旷地面，屋面檐口周边风荷载较为集中，极易受到强风的破坏。因此为保证屋盖的安全施工及后续使用的安全可靠，对传统“直立锁边铝镁锰屋面”的构造做法及施工工艺进行了优化改进。

本工程金属屋面均采用1.0厚直立缝锁边铝锰镁合金板。金属屋面系统构造从上往下依次为：屋面板、防水层、保温层、隔汽层、次檩条、底板层。

3.1 屋面系统抗风揭加固措施

对屋面檐口区域钢骨架进行加大加厚处理，同时要对此部位屋面铝支座进行加密处理。天沟处的收口、咬合的薄弱点极易被强风撕裂。因此对此区域的屋面板要进行多次的收边咬合，确保此部位屋面板咬口紧密，且咬合完毕后，马上进行端部抗风件的固定，确保形成整体抗风。对于屋脊处屋面板的部位（由风洞试验可知该处风压较大），且屋面板到屋脊处为断开的，这些部位极易被强风撕裂，必须采取加固措施。采用板端部设置螺栓固定，确保此部位的抗风。

为了加强屋面整体的抗风性能，结合以往施工经验，在屋面板端部每个支座处安装一套防风夹如图6所示。

3.2 直立锁边屋面施工技术

（1）不锈钢天沟安装

天沟安装先要定位放线，然后焊接天沟龙骨，接着将支撑层和保温层安装完毕后，安装天沟不锈钢板，待天沟外包板安装完毕后，最后处理细部结构。

本工程天沟采用不锈钢天沟，根据设计要求，大约40米长，需设置一道天沟伸缩缝。天沟的制作在工厂内进行时，根据设计详图，确定屋面天沟的展开尺寸，然后在数控大型折弯机上进行成型，以4.5米一段的形式，统一包装，运至现场进行安装焊接。

（2）保温层安装

屋面的保温是否达到要求，全靠保温层，因此保温棉是施工的关健，保温棉吊装到屋面后，立即进行铺设。在进行膜隔气层铺设固定之前，应该完成压型钢板（上铺无纺布）基层的检查及凹槽部位保温岩棉的铺设工作。检查建筑物周边和屋面开口的周边，必须保证基层没有明显的突出物或凹陷处。如有碎片和异物，必须清除以保证膜隔气层铺设的平整性，防止保温板产生翘曲的现象。如有积水、积雪和冰，必须清除，以避免在完成的屋面系统中产生水汽。

（3）铝合金固定座（T码）的安装

面板固定座是屋面面板的支撑件，它是屋面荷载传递到檩条的受力构件，它的安装质量直接影响到屋面板的抗风性能；面板固定座安装误差还会影响到铝合金屋面板的纵向自由伸缩及屋面板的外观，尤其本工程外观为弧形扭曲屋面。

用经纬仪或全站仪将轴线引测到次檩条上，作为面板固定座安装的纵向控制线。第一列固定座位置要多次复核控制基准，然后根据基准线按照整十件板数尺寸进行依次放出控制线。直板放线如图7所示。

扇形板的控制线选择在各区域的中间部位，作为面板固定座安装的纵向控制线。然后根据扇形区域大小头尺寸进行板件数量及大小头尺寸计算确定，根据均分计算的大小头板宽尺寸由控制线向两侧扩展式进行。扇形板放线如图8所示。

本工程面板固定座采用自攻螺丝固定，采用此种固定支座连接如图9所示，不仅提高屋面板的抗风揭能力，而且还有另一显著的优点，即在温度变化下整个屋面板系统可自由滑动伸缩。该项功能避免了由于温度变化较大时，金属屋面板由于热胀冷缩引起的伸缩，使扣盖咬合缝发生错位，引起屋面渗漏的现象。

（4）铝镁锰屋面板的安装

在铝合金固定座安装质量得到严格控制的条件下，只需放设面板端定位线，一般以面板出天沟的距离为控制线，板伸入天沟的长度以略大于设计为宜，以便于安装及修剪，伸入天沟长度不小于150mm。热膨胀固定点的作用是为了不让屋面板板滑动，且能承受外挂装饰板的荷载；每块屋面板均应在固定点固定住，以防板滑动，固定点的安装方法在板的小胁上沿45°角穿过固定座的梅花头钻一小孔，然后用Φ4mm长11~12mm的铆钉将板与固定座固定在一起，铆钉的前端会被下一块板的大胁隐藏住，屋面板固定示意图如图10所示。

面板位置调整好后，然后进行咬边。要求咬过的边连续、平整，不能出现扭曲和裂口。在咬边机前进的过程中，其前方1m范围内必须用力使搭接边接合紧密。当天就位的面板必须完成咬边，保证夜晚来风时板不会被吹坏或刮走。机器咬边示意图如图11所示，铝镁锰金属屋面现场安装图如图12所示。

4 结论

（1）按照该施工工艺施工后，经检验发现，直立锁边金属屋面抗风揭性能优异，质量有保障，风洞试验对直立锁边金属屋面的抗风揭起到了关键作用。

（2）该屋面在后续使用过程中无质量事故，这样既减少了运维又增加了安全使用寿命。

（3）本工程铝镁锰金属屋面快速安装施工技术的成功应用，很好地解决了屋面板安装困难、屋面漏渗水、屋面风揭要求等问题，得到相关单位的一致好评，取得了很好的经济社会效益。

参考文献:

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