1 工程概况

　　国家速滑馆屋面结构包括:(1)铝板单元式屋面17 000m²(共1 080个单元板块);(2)屋面玻璃天窗2 000m²;(3)直立锁边屋面(外层装饰板和光伏玻璃)5 800m²。屋面虹吸式雨水排水系统36个，虹吸式雨水斗92套，雨水口分布在屋面天沟内，外圈天沟为不锈钢天沟，其他天沟为EPDM防水卷材排水天沟。

　　虹吸式雨水排水系统安装主要包括雨水斗、悬吊系统、管道等安装，其中管道为高密度聚乙烯(HDPE)管材，管道连接采用热熔对焊连接或电熔连接。雨水斗为特殊设计的带防护罩和隔汽装置的雨水斗，斗体采用全金属不锈钢材料制造。

　　由于索网及屋面为柔性双曲结构，为保证屋面结构安全，便于虹吸效果迅速形成，屋面设置8道天沟，每道天沟的标高相近，保证雨水汇流整体效果，柔性屋面外侧设置雨水收集槽。屋面天沟汇水分区如图1所示。

　　

　　图1 汇水分区  

　　 

　　2 虹吸式雨水排水系统设计

　　2.1 管道主要技术参数

　　本工程虹吸式雨水排水系统主要设计参数如下。

　　设计重现期P=10年，雨水流量q₅=0.058 5L/(s·m²)，按虹吸启动时间≤60s计算，根据汇水水量计算天沟的深度为480mm。雨水斗直径65～100mm，稳定运行时保证雨水高10～15cm。在高处雨水斗设置挡水板，减轻屋面索网压力，保证尽快启动虹吸。

　　2.2 外圈钢桁架虹吸系统

　　在人字天窗位置设置2道天沟，天沟雨水斗位置设置36个虹吸雨水斗集水槽。由于此区域天沟支撑结构稳定，可设置大尺寸集水槽，达到虹吸目的。

　　3 索网变形分析及补偿

　　根据建筑设计资料对屋面3 000多种工况进行变形分析，虹吸式雨水排水系统路径最大变形折角为1/100。

　　在刚性屋面与柔性屋面连接处雨水管道安装金属软管。根据屋面索网变形云图，屋面索网的最大向上和向下竖向位移分别为470mm和474mm，相当于跨度的1/264和1/262,<1/250设计标准。即以索网生根点为圆心，偏移的角度<0.23°。在固定环形钢架和索网屋面的交接点(变形最大位置)选用500mm长金属软管，补偿偏离轴向1°的管道变形，以满足管线偏离轴向的移动角度变化。其他雨水管道途经索网变形位置采用自然补偿等方式。

　　3.1 虹吸式雨水排水系统路径确认方式

　　1)本工程屋面以下设置吸声膜结构，起到遮挡机电管线、消声、降低能耗、减少日光经天窗照射冰面等多种作用。膜结构吊挂点间隔4m，所有机电管线避让膜结构吊挂点，保证虹吸式雨水斗立管高度，同时避免和通风专业风管位置冲突。对部分虹吸立管进行复核，在中圈马道与通风管道交叉位置，立管高度改为70cm。

　　2)考虑大屋面变形方向有管道延伸纵向和其他不规则折角方向，虹吸式雨水排水系统管材选择纵向变形较大的HDPE管道。根据HDPE管道设置自由臂和自然补偿。直管段每隔15m设自然补偿弯，管段中间部位设固定支架。

　　根据上述方式最终确定虹吸式雨水排水系统路径，根据此路径上最大屋面变形折角，选择多种抗变形产品进行性能对比，如表1所示。最终选用金属波纹管作为补偿设施。

　　3.2 减震、抵消形变

　　悬吊管道固定于索网上，采用弹簧吊架，以抵消部分形变，同时减少对索网冲击。管道穿过马道时，固定于马道上，两端设置金属软管。管道在穿越索网屋面并固定时，应设置金属软管。悬吊管道上方的固定型钢在屋面板块搭接处断开。虹吸式雨水排水系统补偿与屋面形变量对比如表2所示。

　　4 悬吊节点

　　索网下水平悬吊管道安装时，因索网结构上不许焊接，只能采用圆钢(或扁钢)抱卡作为悬吊管道的生根点，根据现场各部位具体情况制定相应的固定形式，如图2所示。

　　

　　图2 管道固定形式   

　　 

　　4.1 钢索结构内水平悬吊管道固定形式

　　虹吸悬吊系统及管道固定于屋面索网结构上，以其为生根点安装虹吸管道，如图3所示。

　　  

　　表1 抗变形产品性能对比  

　　 

　　 

　　

　　表1 抗变形产品性能对比

　　  

　　表2 虹吸式雨水排水系统补偿与屋面形变量对比  

　　 

　　 

　　

　　表2 虹吸式雨水排水系统补偿与屋面形变量对比

　　

　　图3 钢索结构内水平悬吊管道固定形式   

　　 

　　4.2 悬吊管固定管卡间距

　　管道每隔5m设置锚固管卡，同时需满足CECS 183∶2015《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》中表5.4.7的要求。管道每隔4m增加1个抗震支架，如图4所示。

　　

　　图4 抗震支架  

　　 

　　4.3 悬吊系统材料受力计算

　　4.3.1[8受力分析

　　因雨水管道在槽钢下方间隔2.5m布设，索网间槽钢长4m，受力有如图5a,5b所示2种情况。验算槽钢能否满足受力要求。

　　

　　图5 槽钢受力分析  

　　 

　　满水管道质量根据18R417—2《装配式管道支吊架(含抗震支吊架)》图集可查知，125雨水管壁厚4.0mm，不保温管道质量28.4kg/m。

　　1)情况1

　　强度验算:

　　

　　 

　　强度满足受力要求。

　　横梁刚度验算:

　　

　　 

　　刚度满足受力要求。受弯梁的挠度≤L/200(L为受弯构件的跨度)。

　　横梁选用[8满足受力要求。

　　2)情况2

　　强度验算:

　　

　　 

　　强度满足受力要求。

　　横梁刚度验算:

　　

　　 

　　刚度满足受力要求。

　　横梁选用[8满足受力要求。

　　4.3.2 M10螺栓拉力验算

　　每个螺栓所受最大拉力=1.35×(28.4×9.8×0.001)×4+40×9.8×0.001=1.894kN。

　　4.8级M10螺栓最小拉力荷载24.4kN，满足要求。

　　4.3.3抱箍受力验算

　　每处抱箍所受最大拉力=1.35×(28.4×9.8×0.001)×4+40×9.8×0.001=1.894kN，抱箍根部最大拉应力=1 894/(50×5×2)=6.31MPa<215MPa。

　　满足受力要求。

　　索网悬吊系统材料满足虹吸式雨水排水系统管道支吊架要求。

　　5 结语

　　本文以国内最大双曲面柔性索网虹吸式雨水排水系统安装为工程实例，解决虹吸快速启动、管道变形控制难题，为后续施工提供参考。