大連北站無站臺(tái)柱雨棚設(shè)計(jì)

康亞強(qiáng),唐 虎

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 工程概況

大連北站位于大連市甘井子區(qū)南關(guān)嶺鎮(zhèn),距市中心約18 km。規(guī)劃的城市軌道交通2、4號(hào)線通過大連北站站區(qū)。新建的大連北站將建設(shè)成為以鐵路客運(yùn)為中心,集城市軌道交通、市區(qū)公交、出租車以及社會(huì)車輛等各種交通設(shè)施及交通方式的客運(yùn)綜合交通樞紐。車場(chǎng)規(guī)劃10個(gè)站臺(tái)面20條線,最外側(cè)站臺(tái)邊緣之間距離為227.6 m。雨棚沿站房中心對(duì)稱布置,鋼梁橫向?yàn)?跨,縱向共32榀,其橫剖面見圖1,縱剖面見圖2。

圖1 橫剖面(單位：mm)

圖2 縱剖面(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)主要原則

建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為50年,抗震設(shè)防類別為丙類。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

雨棚設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要荷載包括恒載、活載、雪載、風(fēng)載、溫度作用和地震作用。

恒載、活載和雪載按照荷載規(guī)范要求取用。

地震作用：地震基本加速度為0.15g,Ⅰ類場(chǎng)地,抗震設(shè)防烈度為7度。

溫度作用：升溫26 ℃,降溫42 ℃,合龍溫度為(15±5) ℃。

風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓為0.75 kN/m2(重現(xiàn)期為100年),地面粗糙度類別為B類。

風(fēng)荷載體型系數(shù)按風(fēng)壓、風(fēng)吸分別取+0.5、-0.8,風(fēng)振系數(shù)取1.8。風(fēng)荷載的水平力按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表7.3.1第27項(xiàng)α<30°情況計(jì)算。

2.3 荷載組合

根據(jù)規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì),荷載的主要組合如下：

(1)1.2恒載+1.4活載；

(2)1.2恒載+1.4活載+1.4×0.6風(fēng)載；

(3)1.2恒載+1.4活載+1.4×0.7溫度；

(4)1.2恒載+1.4活載+1.4×0.6風(fēng)載+1.4×0.7溫度；

(5)1.2恒載+1.4風(fēng)載；

(6)1.2恒載+1.4風(fēng)載+1.4×0.7活載；

(7)1.2恒載+1.4風(fēng)載+1.4×0.7溫度；

(8)1.2恒載+1.4風(fēng)載+1.4×0.7活載+1.4×0.7溫度；

(9)1.35恒載+1.4×0.7活載；

(10)1.35恒載+1.4×0.6風(fēng)載；

(11)1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.6風(fēng)載；

(12)1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.7溫度；

(13)1.35恒載+1.4×0.6風(fēng)載+1.4×0.7溫度；

(14)1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.6風(fēng)載+1.4×0.7溫度；

(15)1.2(恒載+0.5活載)+1.3地震；

(16)1.2(恒載+0.5活載)+1.3地震+1.4×0.2風(fēng)載。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.4.1 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件Midas Gen(Ver.730)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,計(jì)算模型見圖3,主要受力及支撐體系見圖4。

圖3 計(jì)算模型

圖4 主要受力及支撐體系

模型中柱底端與地剛接,梁兩端與地鉸接,柱分叉與箱梁鉸接,模型主要構(gòu)件尺寸及材料見表1。

表1 主要構(gòu)件尺寸及材料

2.4.2 梁截面設(shè)計(jì)

箱形曲梁的截面為400 mm×1 200 mm,在曲梁彎弧段由于彎矩變化較大(圖5),采用變截面梁,截面由400 mm×1 200 mm變?yōu)?00 mm×1 600 mm,再變?yōu)?00 mm×500 mm。梁截面依據(jù)內(nèi)力的變化,分段增減其腹板及翼緣板的厚度。

圖5 梁面內(nèi)彎矩包絡(luò)圖

2.4.3 強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定驗(yàn)算

基本組合下,結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的最大應(yīng)力及應(yīng)力比見表2。標(biāo)準(zhǔn)組合或可變荷載下,主要構(gòu)件最大位移及限值見表3。

表2 主要構(gòu)件最大應(yīng)力

梁的整體穩(wěn)定通過設(shè)置縱向支撐來保證,縱向支撐最大間距為18.98 m,曲梁截面滿足箱形截面簡(jiǎn)支梁不計(jì)算整體穩(wěn)定的要求；通過設(shè)置系桿(間距3 m)增加檁條風(fēng)壓下的穩(wěn)定,檁條在風(fēng)壓、風(fēng)吸下的最大折算應(yīng)力比為0.66、0.77；柱及分叉柱按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算穩(wěn)定,計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取2,柱、柱分叉的最大折算應(yīng)力比分別為0.87、0.97。

表3 主要構(gòu)件最大位移

3 溫度的影響

雨棚橫向長(zhǎng)度較大,為227.6 m,且沒有設(shè)縫,因而需要研究溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。依據(jù)大連的極端最高氣溫(35.3 ℃)和極端最低氣溫(-21.1 ℃),假定合龍溫度為(15±5) ℃,可得結(jié)構(gòu)的溫度荷載為+26、-42 ℃。圖6～圖8分別為恒載、升溫、降溫工況的結(jié)構(gòu)變形示意。

圖6 恒載工況結(jié)構(gòu)變形

圖7 升溫工況結(jié)構(gòu)變形

圖8 降溫工況結(jié)構(gòu)變形

通過比較,可以看出,升溫工況下梁產(chǎn)生的變形幾乎與恒載工況下的梁變形相反,可見升溫對(duì)梁為有利工況。同時(shí),位于外側(cè)的兩個(gè)柱子變形與恒載工況下的柱子變形趨勢(shì)幾乎相同,而中間的兩個(gè)柱子在升溫時(shí)變形很小,可見升溫對(duì)位于外側(cè)的兩個(gè)柱子為不利工況,對(duì)中間的兩個(gè)柱子影響不大。而降溫工況正好相反,可知其對(duì)梁為不利工況,對(duì)位于外側(cè)的兩個(gè)柱子為有利工況,對(duì)中間的兩個(gè)柱子影響也較小。

再者,可以看出,由于在梁與地相接處設(shè)置了鉸接節(jié)點(diǎn),允許梁在溫度變化時(shí)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到了釋放梁部分溫度應(yīng)力的目的。

為進(jìn)一步分析,假定有3種荷載工況(暫忽略其他活荷載)：1.2恒、1.2恒+0.98升溫、1.2恒+0.98降溫,經(jīng)計(jì)算可得梁a～f點(diǎn)不同工況下的應(yīng)力值(表4)以及各點(diǎn)不同工況下的應(yīng)力變化值(圖9)。

表4 梁應(yīng)力 MPa

圖9 梁應(yīng)力變化

由圖9可以看出,升溫、降溫對(duì)梁有一定影響,梁應(yīng)力最大變化值為23 MPa。升溫工況下除了梁a點(diǎn)的應(yīng)力幾乎沒變外,梁其余部分應(yīng)力均減小了,減小幅度約為20 MPa。降溫工況并不與升溫工況完全相反,降溫時(shí)梁a點(diǎn)應(yīng)力也減小了約20 MPa,而梁其余部分應(yīng)力均有不同程度的增加。

柱1～4及其分叉在不同工況下的應(yīng)力值見表5、表6,不同工況下的應(yīng)力變化值見圖10。

表5 柱應(yīng)力 MPa

表6 柱分叉應(yīng)力 MPa

圖10 柱及柱分叉應(yīng)力變化

可以看出,溫度變化對(duì)位于外側(cè)的柱1、柱4影響最大,升降溫時(shí)柱應(yīng)力變化值均約為40 MPa；對(duì)中間的柱2、柱3及柱分叉影響較小,柱2、柱3應(yīng)力變化值在20 MPa以下,柱分叉應(yīng)力變化值約在10 MPa以下。

4 結(jié)語

本工程的鋼結(jié)構(gòu)部分在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),最大應(yīng)力比控制在0.7～0.8,計(jì)算平均用鋼量(含節(jié)點(diǎn)及肋板)約為113 kg/m2。本結(jié)構(gòu)橫向長(zhǎng)度較大,應(yīng)研究溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,通過在梁與地相接處設(shè)置鉸接節(jié)點(diǎn),可以達(dá)到釋放部分溫度應(yīng)力的目的。經(jīng)過分析,溫度變化對(duì)位于外側(cè)的兩排柱子影響最大,柱應(yīng)力最大變化值約40 MPa,對(duì)梁及中間的柱子影響較大,二者應(yīng)力最大變化值約20 MPa,對(duì)所有柱分叉影響較小,其應(yīng)力最大變化值約10 MPa,因此結(jié)構(gòu)安裝時(shí),應(yīng)保證合龍溫度在設(shè)計(jì)的合龍溫度范圍內(nèi)。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50009—2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]GBT19879—2005,建筑結(jié)構(gòu)用鋼板[S]．

[4]汪一駿.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004．

[5]朱丹暉，趙建強(qiáng).徐州火車站無站臺(tái)柱雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4)：117-119.

[6]高 劍.無站臺(tái)柱雨棚大跨開敞結(jié)構(gòu)的風(fēng)工程設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(S)：148-150.