鐵路沿線彩鋼瓦類建筑抗風及加固應用研究

文｜中科藍卓（北京）信息科技有限公司 堯豐/國家鐵路局安全技術中心 崔有泉/中科藍卓（北京）信息科技有限公司 王軍鋒 呂大勇 劉子暢

1.研究背景

隨著中國鐵路營業總里程的不斷增長，鐵路運行安全問題日益凸出，而大量分布于鐵路沿線的彩鋼瓦類建筑成為重大的風險源，這類建筑被廣泛用于廠房倉庫、建設施工現場臨時性用房及農牧漁用簡易用房。由于彩鋼瓦類建筑搭建方便、容易安裝、成本較低，導致這類建筑出現大量的涉嫌違法建設和私搭亂建的不良現象，在大風等惡劣天氣情況下極易被刮入鐵路線路，損壞鐵路設備設施，造成列車大面積停運，影響行車安全，特別是與高速運行的動車組列車相撞極易造成嚴重的后果，給國家和人民群眾的生命財產帶來巨大損失和惡劣的社會影響。2018年8月12日23時04分，京滬高鐵G40 次列車行至廊坊至北京南路段時被大風刮起的彩鋼板擊中，事故造成部分列車晚點6 小時以上，列車及線路接觸網彎臂、護欄、變壓器箱等多處設備損毀嚴重，并造成北京南站13日、14日兩天共計46 趟到發列車停運，損失嚴重。

為加強鐵路沿線運行安全管理，國家先后于2013年和2020年頒布并實施的《鐵路安全管理條例》和《高速鐵路安全防護管理辦法》均重點關注鐵路沿線彩鋼瓦類建筑的安全隱患問題，但如何全面系統的推進鐵路沿線彩鋼瓦類建筑的安全管控，前移安全關口，亟需針對沿線彩鋼瓦類建筑的特點和風力風壓情況，進一步開展抗風機理及加固應用研究。

2.彩鋼瓦類建筑抗風研究

經調研，鐵路沿線主型彩鋼瓦類建筑形式一般分為四種：簡易式、桁架式、整體式和混凝土墻（磚墻）彩鋼瓦建筑，彩鋼瓦材質分為單板和彩鋼復合板，連接方式為焊接、自攻螺釘或者鉚釘方式，建筑結構分為無骨架彩鋼瓦房和有骨架彩鋼瓦房。為便于進行彩鋼瓦類建筑抗風研究，本文構建彩鋼瓦類建筑三維典型模型，從彩鋼瓦類建筑主要受力構件的強度、穩定性、整體傾覆性能及屋面抗風性能進行驗算。

2.1 風荷載分析

根據鐵路沿線調研資料，為計算方便，安全驗算選取彩鋼瓦房立柱間距橫向為5.75 m，縱向間距為3.45 m，高度為3.0m，并在頂部沿橫向設置1 道檁條，根據建筑建模特點和有限元理論原理，進行彩鋼瓦類建筑有限元分析(見圖1)。

圖1 有限元單元

根據公開的風力換算表及現行行業標準《鐵路橋涵設計規范》TB 10002 確定有限元單元風荷載的大小。

根據規范第4.4.1 條規定，作用于結構物上的風荷載強度可按下式計算：

W=K1K2K3W0

式中W—風荷載強度（Pa）；W0—基本風壓值（Pa），，K1—風載體形系數，K2—風壓高度變化系數，K3—地形、地理條件系數。針對鐵路沿線彩鋼瓦房的實際特點對參數進行取值，為方便舉例，不妨取K1=1.3，K2=1.0，K3=1.3。根據風力換算表可知風力12 級的風速為36.9m/s，經計算，其荷載強度為4.96kN/m。

2.2 彩鋼瓦房有限元模型建立

根據有限元原理，結合彩鋼瓦類建筑的自身重力，利用有限元計算方法進行核算。構建彩鋼瓦類建筑模型支撐結構、橫撐及檁條以及屋面板的有限元模型。立柱采用工字鋼，型號為HW 125x125x6.5/9，如圖2，立柱間橫撐及檁條采用槽鋼，型號為C 126x53x5.5/9，如圖3。有限元模型見圖4。

2.3 風荷載12 級結構抗風驗算

(1)立柱及橫撐的強度驗算

經模擬仿真驗算，在風力12 級時，彩鋼瓦類建筑模型在結構自重和風荷載雙重作用下，其結構的受力分析見圖5。

圖2 工字鋼面圖8

圖3 槽鋼型號剖面圖

圖4 整體有限元模型

從圖5可知，彩鋼瓦類建筑模型在模型底截面的受力最大，最大達55.4MPa。橫撐最大受力為36.2MPa，均小于現行鐵路行業標準《鐵路橋梁鋼結構設計規范》TB 10091 第3.2.1 條關于Q235 鋼的彎曲基本容許應力要求（規范中規定Q235 鋼的彎曲基本容許應力為140MPa），故在12 級風及其結構自重狀態下，立柱及橫撐的強度滿足規范要求。

（2）立柱穩定性驗算

根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》TB 10091 要求，在受彎條件下計算立柱構件的換算長細比：

經計算，彩鋼瓦類建筑支撐結構的容許應力折減系數為0.898，所以考慮穩定影響后的結構受壓容許應力為0.898x168=150.9MPa>55.4MPa。橫撐容許應力折減系數為0.753，所以考慮穩定影響后的結構受壓容許應力為0.753x168=126.5MPa>36.2MPa。因此，可得出立柱及橫撐的穩定性滿足規范要求。

（3）整體傾覆驗算

根據彩鋼瓦類建筑建模仿真及受力結構分析、計算，有限元單元的整體傾覆滿足有關要求。

（4）屋面抗風性能驗算

屋面通過“燕尾自攻螺絲(M4.8*75)+橡膠防水墊片”的方式加固在檁條和橫撐上，自攻螺絲間距不小于35cm，每道檁條或橫撐上均勻設置10 個自攻螺絲，如圖6所示。

根據現行國家標準《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB 50018 第6.1.7 條規定，每個自攻螺釘所受的拉力應不大于913N。

當彩鋼瓦房貫通時屋面最有可能破壞，在12 級風作用下理論上屋面承受的最大風力為28530.3N，而每個自攻螺絲受到的拉力為951N>913N，大于每個自攻螺釘所受的最大拉力，因此，屋面抗風性能不滿足要求。

2.4 抗風驗算結果

通過上述建模仿真驗算結果可知，在12 級風荷載作用下，彩鋼瓦類建筑結構主體受力構件的強度、穩定性及整體傾覆性能可滿足規范相關要求，而屋面的抗風性能不滿足要求，為保障鐵路沿線的安全，須對彩鋼瓦房進行加固處理。

圖5 12 級風力情況下結構自重應力圖（單位:MPa）

圖6 自攻螺絲布置圖（每列10 個）

3.彩鋼瓦房加固方案

3.1 加固方案

針對不同類型的彩鋼瓦房，采取不同的加固方式：

（1）扁鐵加固：使用鍍鋅扁鐵，型號40×3.5。

（2）鋼絲繩加固：使用直徑11.0/0.7mm（GB/T8918-1996 鋼絲繩）型號及以上鋼絲繩，需要于檁條加固的，應采取中間放置墊片的方式。（3）螺栓加固：使用國標自攻螺栓。

（4）鐵絲加固：使用8 號鐵絲加固，連接處15-20 匝牢固固定。

其中，使用角鐵、方鋼、槽鋼、扁鐵等金屬構件及膨脹螺栓進行加固時，按規范作用金屬構件。

3.2 加固后抗風檢算

本文以“壓條+直拉式”的形式（如圖7所示）進行加固后抗風檢算，根據現行國家標準《一般用途鋼絲繩》GBT 20118規定，鋼絲繩最小破斷拉力為33.14kN。

前文已求出，在12 級風況下理論上屋面承受的最大風力28530.3N，每根公稱直徑7.7mm 鋼絲繩的最大拉應力為14.27kN<33.14kN，小于鋼絲繩的最小破斷拉力。

由此可知，單元彩鋼瓦房采用“壓條+直拉式”的壓條間隔3.45m 可抵抗12 級風力作用，滿足相關規范要求。

4.結論

鐵路沿線彩鋼瓦類建筑的風揭事故是鐵路運行的重大安全隱患之一，通過對沿線彩鋼瓦房建筑主力和風荷載的建模仿真和受力綜合分析，了解建筑的受力情況以及受力作用下的位移量等參數，從而提出建筑加固措施，并形成鐵路沿線彩鋼瓦類建筑加固的建議。研究成果可為鐵路沿線彩鋼房建設及加固提供參考依據，為鐵路沿線環境綜合整治和鐵路運行安全管理提供科學指導。

圖7 “壓條+直拉式”示意圖