車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載設(shè)計探討

蔣 凡

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

風(fēng)荷載是屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計、幕墻設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要荷載之一。無站臺柱雨棚屬于大跨結(jié)構(gòu),周邊未封閉,其上下表面均受到風(fēng)荷載作用,且由于其樣式各異的造型,使得風(fēng)在其表面存在著分離、再附、旋渦、回流等多種復(fù)雜的三維流動現(xiàn)象,因此，其表面風(fēng)荷載分布也是較為復(fù)雜的。目前我國的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對諸如車站大跨度雨棚這樣的結(jié)構(gòu)沒有明確的風(fēng)荷載設(shè)計要求,而形狀類似的挑檐等結(jié)構(gòu)雖可查到體型系數(shù),但對這樣的大型雨棚而言僅有借鑒意義。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第7.3.1條規(guī)定房屋和構(gòu)筑物與規(guī)范中表7.3.1中的體型不同時,可參考有關(guān)資料,當(dāng)無參考資料可借鑒時,宜由風(fēng)洞試驗確定。因此,為確定準(zhǔn)確的雨棚設(shè)計荷載,較多的車站雨棚進(jìn)行了風(fēng)洞模擬試驗,得到了豐富的風(fēng)洞試驗結(jié)果及分析數(shù)據(jù)。這些試驗結(jié)果及分析數(shù)據(jù)對指導(dǎo)具體單體雨棚風(fēng)荷載設(shè)計具有明確的意義,但這些單體試驗結(jié)果尚未經(jīng)總體共性分析,還不具備普遍理論指導(dǎo)作用。本文擬就系列無柱雨棚風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行初步分析,討論無柱雨棚風(fēng)荷載作用的普遍典型特點及規(guī)律,得出能指導(dǎo)工程實踐的無柱雨棚風(fēng)荷載設(shè)計結(jié)論。

2 無柱雨棚風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)分析

風(fēng)洞模擬試驗是風(fēng)工程研究中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)也相對比較成熟的研究手段。其基本做法是,按一定的縮尺比將建筑結(jié)構(gòu)制作成模型,在風(fēng)洞中模擬風(fēng)對建筑作用,并對相關(guān)物理量進(jìn)行測量。

對上述雨棚風(fēng)洞試驗結(jié)果統(tǒng)計分析,可以得出如下結(jié)論。

(1)雨棚的邊緣部分(其中主要包括雨棚懸挑端部)壓力隨風(fēng)向的變化最為劇烈,且表面平均風(fēng)壓值的最大點通常都出現(xiàn)在該區(qū)域。表1為各雨棚風(fēng)洞試驗的平均壓力系數(shù)突變數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表1 雨棚平均壓力系數(shù)突變比較

從表1中不難看出,雨棚正風(fēng)壓系數(shù)變化相對雨棚負(fù)風(fēng)壓小, 表中正風(fēng)壓平均壓力系數(shù)差值最大的只有0.5,而對于負(fù)風(fēng)壓,差值基本在-0.5以上。平均壓力系數(shù)為體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)的乘積,風(fēng)壓高度變化系數(shù)是固定的,因此,平均壓力系數(shù)代表了體型系數(shù),兩者是1.1～1.2倍的關(guān)系。仔細(xì)分析表1,找出體型系數(shù)變化原因：一是站房對雨棚在風(fēng)荷載作用下的影響,從圖1和表1中可以看出,雨棚在站房范圍內(nèi)的體型系數(shù)相對站房范圍外的體型系數(shù)在很大范圍內(nèi)要小,因此,站房立于雨棚側(cè),影響了雨棚表面的體型系數(shù)分布；二是雨棚懸挑端在負(fù)風(fēng)壓下,體型系數(shù)變化劇烈。從表1中看出,鹽城站、南通站、張家界站、泰州站雨棚懸挑端負(fù)風(fēng)壓體型系數(shù)變化都較大,而南京站和其他站的非懸挑端相對變化較少。

同時,由各雨棚風(fēng)洞試驗測量得到的脈動壓力系數(shù)也表明雨棚的邊緣區(qū)域的壓力脈動非常大。二者綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致該區(qū)域的極值風(fēng)壓系數(shù)要高于其他區(qū)域。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,這一區(qū)域需著重考慮。

(2)雨棚的橫斷面形狀對平均壓力系數(shù)影響較大,一般平坦、向內(nèi)收縮形狀的平均壓力系數(shù)相對較小,而斷面外翹、凹凸不平的雨棚的平均壓力系數(shù)相對較大。為了比較雨棚橫斷面形狀對雨棚風(fēng)荷載作用的影響,特作雨棚風(fēng)荷載作用平均壓力系數(shù)曲線圖,如圖2、圖3所示。圖中包含了雨棚橫斷面位置與壓力系數(shù)關(guān)系。

從圖2中可以看出,雨棚大部分正風(fēng)壓平均壓力系數(shù)在0.3以下,僅有張家界和南通雨棚部分區(qū)域系數(shù)達(dá)到0.8,對應(yīng)圖1,雨棚此區(qū)域截面向上翹曲,傾斜角度較大,與水平夾角成21°左右。由此表明,雨棚的橫斷面形狀對正風(fēng)壓平均壓力系數(shù)影響較大,一般平坦、向內(nèi)收縮形狀的平均壓力系數(shù)相對較小,而斷面外翹、凹凸不平的雨棚的平均壓力系數(shù)相對較大,其中,主要表現(xiàn)在截面傾斜較大區(qū)域。

圖2 雨棚風(fēng)荷載作用平均壓力系數(shù)曲線(正風(fēng)壓)

圖3 雨棚風(fēng)荷載作用平均壓力系數(shù)曲線(負(fù)風(fēng)壓)

由圖3可以看出,雨棚負(fù)風(fēng)壓平均壓力系數(shù)相對規(guī)范GB50009—2001表7.31規(guī)定要大。規(guī)范表7.31中一般負(fù)風(fēng)壓區(qū)域體型系數(shù)在-0.6以下,對于比較敏感區(qū)域在-1.3以下；而圖3中,雨棚大部分區(qū)域風(fēng)壓平均系數(shù)在-0.7以上,因此,對雨棚負(fù)風(fēng)壓體型系數(shù)應(yīng)該特別注意,以防在結(jié)構(gòu)設(shè)計中取值偏小。

從圖3中同時可以看出,張家界站、南通站和泰州站的懸挑部分負(fù)風(fēng)壓平均壓力系數(shù)均接近-2.0,較其他區(qū)域要大得多。這表明雨棚的懸挑部分屬于風(fēng)荷載特別敏感區(qū)域,在設(shè)計中尤需注意。

從以上分析可以得出：一是無站臺柱雨棚表面形狀一般較平,沒有明顯的迎風(fēng)面,同時雨棚采用壓型鋼板屋面,外形圓滑流暢,因此,雨棚的大部分區(qū)域正風(fēng)壓不太大；而無站臺柱雨棚結(jié)構(gòu)由于沒有四周圍護(hù)結(jié)構(gòu),同時,雨棚建筑高大、空曠,從內(nèi)到外的風(fēng)荷載作用明顯,這也使雨棚的負(fù)風(fēng)壓作用較大。二是雨棚的橫斷面形狀對平均壓力系數(shù)影響較大,一般平坦、向內(nèi)收縮形狀的平均壓力系數(shù)相對較小,而斷面外翹、凹凸不平的雨棚的平均壓力系數(shù)相對較大,特別是雨棚懸挑端的負(fù)風(fēng)壓體型系數(shù)。

3 結(jié) 語

雨棚風(fēng)洞試驗對雨棚的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義，對于做了風(fēng)洞試驗的雨棚,風(fēng)洞試驗結(jié)果能夠指導(dǎo)雨棚設(shè)計中風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值,同時通過風(fēng)洞試驗?zāi)芰私庥昱镌陲L(fēng)荷載響應(yīng)下的變形反應(yīng)等,從而根據(jù)響應(yīng)相應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。不過對于未進(jìn)行風(fēng)洞試驗的雨棚來說,需要根據(jù)上述研究成果,獲取較為準(zhǔn)確的風(fēng)荷載體型系數(shù),以作出合理的結(jié)構(gòu)布置。

3.1 雨棚體型系數(shù)建議取值

通過數(shù)個雨棚風(fēng)洞試驗研究,同時結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)的規(guī)定,得出雨棚在風(fēng)荷載作用下,雨棚體型系數(shù)的建議參考取值,見表2。

表2 雨棚體型系數(shù)建議取值

注：對于雨棚屋面傾斜角度位于10°～30°間按線性插值取。

3.2 風(fēng)荷載作用下雨棚結(jié)構(gòu)布置

在風(fēng)荷載作用下,雨棚在各區(qū)域的響應(yīng)并不一致,有的地方反應(yīng)強烈,而有的部位則弱一些,這一方面是各區(qū)域體型系數(shù)大小不一,另外是風(fēng)致振動在各處表現(xiàn)不一。因此,相應(yīng)風(fēng)荷載對雨棚的結(jié)構(gòu)作用,應(yīng)作出合理結(jié)構(gòu)布置。

(1)雨棚檁條及支撐布置

在采用統(tǒng)一高度屋面檁條的情況下,應(yīng)結(jié)合風(fēng)荷載作用,在作用區(qū)域大的部位布置密一些,而在作用小的部位布置稀一些。雨棚的邊緣部分風(fēng)荷載作用較中間部分反應(yīng)更大,相應(yīng),可以在雨棚的邊緣或外圍一周布置屋面支撐,加強屋面的整體性,從而提高抵抗雨棚局部風(fēng)荷載劇變的作用。

(2)懸挑端結(jié)構(gòu)布置

雨棚懸挑端一方面要承擔(dān)雨棚自重和雨、雪等活載作用,同時,又受到風(fēng)荷載作用。通常情況下,考慮較多的是雨棚在恒載、活載和風(fēng)壓作用下,懸挑端的強度、穩(wěn)定和變形問題。但值得注意的是,由于懸挑端負(fù)風(fēng)壓體型系數(shù)大,在風(fēng)吸的作用下,雨棚自重并不一定能抵消向上的風(fēng)荷載作用。此時,一方面可通過增加雨棚自重方法達(dá)到平衡,但有時這種方法不經(jīng)濟,此時,可以在雨棚懸挑端上方改拉索為拉壓桿,拉壓桿在結(jié)構(gòu)受到向下作用時起到拉桿作用,而在受到向上作用時則可以用作壓桿,抵抗部分向上推力。

[1] GB50010—2002 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].中國工業(yè)建筑出版社，2002.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.南通火車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學(xué)研究院，2006.

[3] 中國建筑科學(xué)研究院.張家界火車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學(xué)研究院，2005.

[4] 中國建筑科學(xué)研究院.泰州火車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學(xué)研究院，2005.

[5] 中國建筑科學(xué)研究院.鹽城火車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學(xué)研究院，2005.

[6] 中國建筑科學(xué)研究院.南京火車站無站臺柱雨棚風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學(xué)研究院，2006.

[7] 丁浩明，方江生，王田友.復(fù)雜體型大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006(6).

[8] 崔 佳,唐 毅,龍莉萍.大跨度骨架式膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2007(1).

[9] 高 劍.無站臺柱雨棚大跨開敞結(jié)構(gòu)的風(fēng)工程設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(S).

[10] 潘國華.無站臺柱雨棚設(shè)計若干問題的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(6):113-117.