蘇州無站臺柱雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉新佳

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

蘇州無站臺柱雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉新佳

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

“蘇而新”特色的蘇州無站臺柱雨棚,采用鋸齒形屋面。雨棚結(jié)構(gòu)具有新穎特性,設(shè)計采用折板型桁架,實現(xiàn)建筑內(nèi)外造型要求。總結(jié)蘇州無站臺柱雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的研究成果和設(shè)計經(jīng)驗,重點介紹鋸齒形雨棚屋蓋的風(fēng)荷載分布特征、風(fēng)荷載體型系數(shù)取值規(guī)律;對折板型空間桁架作了多方案比選研究,對比各方案的受力特點,分析不同矢跨比的結(jié)構(gòu)變形和經(jīng)濟性,得出研究結(jié)論;結(jié)果與結(jié)論直接應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)整體分析和設(shè)計。實踐表明,蘇州無站臺柱雨棚中的折板型桁架是一種新的可行的新穎雨棚結(jié)構(gòu)形式,對建筑屋面創(chuàng)新具有很大應(yīng)用價值。

鐵路客站;雨棚;結(jié)構(gòu)設(shè)計;折板桁架;齒形屋面體形系數(shù)

1 工程概況

新蘇州站位于既有蘇州站位,是一座集鐵路、城市軌道、城市道路交通換乘功能于一體的現(xiàn)代化大型交通樞紐。新蘇州站方案采用整體連續(xù)的折型屋頂,充分挖掘蘇州古典韻味,融合現(xiàn)代化科技發(fā)展技術(shù),使雨棚和站房屋蓋層層疊疊、縱橫交錯,延續(xù)吳文化古城的脈絡(luò),盡顯“蘇而新”的鐵路新客站特色。

車站南臨北環(huán)路及護城河,北依平江新城,東西兩側(cè)分別是人民路和廣濟路。蘇州站主體站房由南側(cè)普速站房、北側(cè)滬寧城際站房及高架候車廳組成,南北站房通過高架候車廳連接;站區(qū)設(shè)無站臺柱雨棚。雨棚覆蓋鐵路站場7臺16線,鋼結(jié)構(gòu)覆蓋面積69446m2。最高點高程23.500m(結(jié)構(gòu)),最低點高程14.100m(結(jié)構(gòu))。雨棚在高架候車廳兩側(cè)左右對稱,其中臨近高架候車廳雨棚屋面為二層折板高屋面。見圖1、圖2。

圖1 蘇州無站臺柱雨棚鳥瞰圖

圖2 中間站臺處雨棚內(nèi)部效果圖

2 風(fēng)荷載取值

風(fēng)荷載是雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要荷載之一。在風(fēng)力作用下,屋蓋結(jié)構(gòu)都受到很大的吸力,在某些情況下部分屋面出現(xiàn)壓力,但吸力不論是范圍還是數(shù)值都比壓力大,占據(jù)主要的地位。

雨棚的抗風(fēng)設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵和難點之一。蘇州雨棚為非封閉式鋸齒形屋面,設(shè)計采用折板結(jié)構(gòu),跨度較大,上、下表面均呈齒形,且上下表面均同時承受風(fēng)荷載。現(xiàn)行荷載規(guī)范沒有敞開式鋸齒形屋面體形系數(shù),通過風(fēng)洞試驗,研究了折板結(jié)構(gòu)這種齒形屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布規(guī)律,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù),為類似鋸齒形屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值提供參考。

2.1 風(fēng)洞試驗

風(fēng)洞試驗在試驗段尺寸為3m寬、2m高、32m長的大氣邊界層風(fēng)洞中進行,按C類地形進行模擬,試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶240。為反映建筑外形對表面風(fēng)壓分布的影響,模型根據(jù)建筑圖紙準確模擬了雨棚的外形以及對壓力分布存在較大影響的細部特征,雨棚模型上表面布置158個測點,下表面布置148個測點。雨棚端部和懸掛的燈箱上布置28個測點,以分析局部壓力分布特征,雨棚測壓試驗測點總數(shù)334個。雨棚風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ鸵妶D3、圖4。

圖3 雨棚風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ网B瞰圖

圖4 雨棚模型局部

風(fēng)洞試驗針對以下主要內(nèi)容:通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗,確定無站臺柱雨棚上下表面的平均壓力系數(shù)、脈動壓力系數(shù)及極值壓力系數(shù),并確定雨棚合壓力分布。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 風(fēng)向壓力最值

壓力最值在多個風(fēng)向都可能出現(xiàn)。對雨棚而言,大致說來在180°風(fēng)向附近,雨棚邊緣部分會出現(xiàn)較高的平均負壓和極值負壓;而在40°附近雨棚下表面在靠近車站配房的部分會出現(xiàn)較高正壓。

2.2.2 整體設(shè)計時的不利風(fēng)向分析

為進一步分析進行雨棚結(jié)構(gòu)整體設(shè)計時應(yīng)選用的不利風(fēng)向,根據(jù)雨棚上下表面的合壓力系數(shù)的整體分布情況對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計,分析可知30°風(fēng)向?qū)τ谟昱镎w而言是最不利風(fēng)向,該風(fēng)向的風(fēng)壓強度最高,且風(fēng)壓分布也最不均勻,與其臨近的0～60°范圍的風(fēng)向都是較為不利的風(fēng)向。根據(jù)統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn),當風(fēng)向為200°～340°時,雨棚處于背風(fēng)區(qū),此時雨棚整體受到的風(fēng)荷載相當小,且由于受尾流壓力控制,表面壓力值相當均勻。在整體設(shè)計時這些風(fēng)向可不予考慮。

2.2.3 整體和局部風(fēng)壓分布特征

整體而言,雨棚的表面壓力都比較低,僅在局部區(qū)域會出現(xiàn)稍高的壓力值。在大多數(shù)風(fēng)向下,上下表面的壓力值可以部分抵消。但由于車站配房和候車室玻璃幕墻對來流的阻礙作用,在40°附近和90°時,雨棚下表面靠近配房和玻璃幕墻的區(qū)域會出現(xiàn)一定正壓,加劇了雨棚所受的升力。

局部風(fēng)壓的分布特征是圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時的重要參考依據(jù)。根據(jù)實驗結(jié)果,燈箱的風(fēng)荷載需要考慮,但從燈箱不同側(cè)面的壓力分布來看,由于受雨棚的影響,不同面的壓力區(qū)別并不明顯。

2.2.4 風(fēng)荷載體型系數(shù)分析

(1)除了迎風(fēng)面,鋸齒形屋面的風(fēng)荷載均為垂直屋面方向的離開屋面的風(fēng)吸力。

(2)除了迎風(fēng)面的第一個鋸齒形屋面,其他鋸齒形屋面兩側(cè)合壓力系數(shù)基本相同,風(fēng)荷載對鋸齒形屋面產(chǎn)生的風(fēng)壓力在水平方向的分力抵消了。

(3)當風(fēng)吹向屋面時,迎風(fēng)面的合壓力系數(shù)最大為0.6,背風(fēng)面最大為-0.4;風(fēng)向方向的第二個鋸齒形屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)為-0.4,第三個鋸齒形屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)為-0.2,第四個鋸齒形屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)為-0.1,風(fēng)荷載體型系數(shù)沿著風(fēng)的作用方向均勻減小。第五個鋸齒形屋面位于洞口處,屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)為-0.3,第六、七個鋸齒形屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)為-0.2,第八個鋸齒形屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)為-0.1,風(fēng)荷載體型系數(shù)沿著風(fēng)的作用方向均勻減小。下一個洞口邊的鋸齒形屋面兩側(cè)的合壓力系數(shù)維持前述的變化。可以看到,每一個封閉區(qū)段的鋸齒形屋面沿著風(fēng)的作用方向合壓力系數(shù)均勻減小,在洞口邊的第一個鋸齒形屋面合壓力又變大,然后洞口邊的第二、三個鋸齒形屋面沿著風(fēng)的作用方向合壓力系數(shù)均勻減小。

(4)蘇州站地面粗糙度為C類,高度按30m計算,風(fēng)壓高度系數(shù)取1.0。鋸齒形屋面迎風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.6,背風(fēng)面為-0.4,從第二個鋸齒形屋面開始風(fēng)荷載體型系數(shù)開始均勻減小,由-0.3減小到-0.1。

2.3 試驗結(jié)論

根據(jù)蘇州雨棚風(fēng)洞試驗,大致可以得到開敞式鋸齒形屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布規(guī)律。

(1)迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)為正值,體型系數(shù)的大小與迎風(fēng)面折板傾斜的角度有關(guān)。除了迎風(fēng)面外,其他鋸齒形屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)均為負值。

(2)除了迎風(fēng)面處的鋸齒形屋面,其他鋸齒形屋面兩側(cè)合壓力系數(shù)基本相同,風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)壓力在水平方向的分力抵消了。

(3)沿著風(fēng)的作用方向封閉的鋸齒形屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)均勻減小,從-0.5減小到-0.1,如圖5所示。較荷載規(guī)范中的取值要小,但差別不是太大。洞口邊的鋸齒形屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)較其他位置的風(fēng)荷載體型系數(shù)要大。

圖5 折板屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)建議取值

3 折板型空間桁架分析

折板型空間桁架結(jié)構(gòu)主要由上弦桿、下弦桿和腹桿三部分組成,單元如圖6所示。

圖6 折板型空間桁架單元示意圖

為研究折板型空間桁架各組成構(gòu)件的作用和受力特點,建立典型折板型空間桁架,采取多方案研究比選。

3.1 典型折板型空間桁架

結(jié)構(gòu)如圖7所示。折板型空間桁架結(jié)構(gòu)支承于橫向主桁架上,簡單取折板型空間桁架與橫向主桁架等高為6m。折板型空間桁架邊桁架的下弦桿之間增加下弦直腹桿以增強邊桁架的剛度,同時作為折板型空間桁架的邊約束。折板型空間桁架結(jié)構(gòu)跨度36m,兩下弦桿之間的距離為11m,上下弦桿之間的距離為6m。折板型空間桁架的上下弦桿、斜腹桿、直腹桿均采用無縫鋼管,計算時折板型空間桁架中的桿件均兩端鉸接釋放。主桁架為正放三角桁架,上下弦桿之間的距離為6m,下弦桿之間的距離為12.0m。

圖7 典型折板型空間桁架三維圖

在滿足應(yīng)力比和長細比的前提下,折板型空間桁架上弦桿采用鋼管φ273×14,下弦桿采用鋼管φ245× 14,折板型空間桁架的斜腹桿采用鋼管φ245×12,上下弦之間的直腹桿鋼管φ168×6,折板型空間桁架邊桁架的斜腹桿采用鋼管φ245×14,下弦之間的直腹桿鋼管φ219×6.5。

選取荷載,組合計算,得折板型空間桁架最大豎向位移為12.8mm,撓跨比為1/2813;最大水平位移為8.5mm,撓跨比為1/4235;折板型空間桁架構(gòu)件最大內(nèi)力值及最大應(yīng)力比見表1。

表1 典型折板型空間桁架方案構(gòu)件最大內(nèi)力及最大應(yīng)力比

從表1可以看到,折板型空間桁架和折板型空間桁架邊桁架的上下弦桿、上下弦桿間的直腹桿之間內(nèi)力差別不大,設(shè)計時可以采用同一規(guī)格桿件;折板型空間桁架邊桁架的斜腹桿在支承處的內(nèi)力較大,比折板型空間桁架的內(nèi)力大23%,設(shè)計時應(yīng)區(qū)別對待。

3.2 結(jié)構(gòu)體系比選方案一(不設(shè)上下弦之間的直腹桿)(圖8)

圖8 比選方案一三維圖

將上下弦之間的直腹桿刪除掉,研究上下弦之間的直腹桿在折板型空間桁架結(jié)構(gòu)中的作用。其他參數(shù)同典型折板型空間桁架方案。

分析結(jié)果顯示折板型空間桁架最大豎向位移為22.5mm,撓跨比為1/1600;最大的水平位移為8.5mm,撓跨比為1/4235;構(gòu)件最大的內(nèi)力值及最大應(yīng)力比見表2。

表2 比選方案一(刪上下弦之間的直腹桿)構(gòu)件最大內(nèi)力及最大應(yīng)力比

同典型折板型空間桁架方案一樣,折板型空間桁架和折板型空間桁架邊桁架的上下弦桿之間內(nèi)力差別不大,設(shè)計時可以采用同一規(guī)格桿件;邊桁架的斜腹桿在支承處的內(nèi)力較大,比折板型空間桁架的內(nèi)力大23%,設(shè)計時應(yīng)區(qū)別對待。

上下弦之間的直腹桿作為上下弦的平面內(nèi)和平面外的支撐,刪去之后造成折板型空間桁架上下弦桿的計算長度變大,上下弦桿應(yīng)力比增加,斜腹桿應(yīng)力隨之有微小改變;同時桁架平面內(nèi)的剛度有較大的削弱,較典型折板型空間桁架方案,豎向最大位移增加了76%。

3.3 結(jié)構(gòu)體系比選方案二(不設(shè)邊桁架下弦之間的直腹桿)(圖9)

圖9 比選方案二三維圖

將邊桁架下弦之間的直腹桿刪除,研究下弦之間的直腹桿在折板型空間桁架結(jié)構(gòu)中的作用。由于刪掉邊桁架下弦之間直腹桿后整個折板型空間桁架結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C構(gòu),將邊桁架下弦改為兩端固接。其他參數(shù)同典型折板型空間桁架方案。

分析結(jié)果顯示折板型空間桁架最大豎向位移為204.9mm,撓跨比為1/117;最大水平位移為214.9 mm,撓跨比為1/112;構(gòu)件最大的內(nèi)力值和最大應(yīng)力比見表3。

刪除邊桁架下弦直腹桿后,折板型空間桁架中的桿件內(nèi)力基本無變化,但折板型空間桁架邊桁架中的部分桿件內(nèi)力變化較大。邊桁架的上下弦間的直腹桿內(nèi)力無變化,上弦桿內(nèi)力變小,下弦桿內(nèi)力增加較多。

從位移變化可以看出,刪除邊桁架下弦之間直腹桿后,折板型空間桁架中間的位移值基本與原來保持一樣,折板型空間桁架邊桁架下弦桿由于側(cè)向支撐較弱,位移很大。

表3 比選方案二構(gòu)件最大內(nèi)力和最大應(yīng)力比

綜上分析,折板型空間桁架邊桁架下弦之間的直腹桿不僅是保證整個折板型空間桁架結(jié)構(gòu)成為穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的充分條件,同時也是折板型空間桁架邊桁架下弦桿的最重要側(cè)向支撐,是保證折板型空間桁架邊桁架剛度的重要的一部分。

3.4 折板型空間桁架矢跨比分析

矢跨比(折板型空間桁架上下弦中心的距離和跨度的比值)是折板型空間桁架結(jié)構(gòu)的重要體形參數(shù),它對結(jié)構(gòu)的受力特性和造價有很大的影響。矢跨比往往是建筑師根據(jù)建筑功能和造型美觀的要求來確定,合理的矢跨比可以使結(jié)構(gòu)在滿足這些要求的同時,達到良好的經(jīng)濟效果。

以典型折板型空間桁架方案為基礎(chǔ),不改變支承桁架尺寸、桿件大小、桁架節(jié)間長度、屋面荷載的基礎(chǔ)下,采取增減節(jié)間數(shù),根據(jù)既有工程經(jīng)驗并考慮到實際工程可能,選取矢跨比分別為1/6、1/8、1/10、1/12、1/14、1/16進行分析。歸納折板型空間桁架不同矢跨比方案下的最大撓跨比及用鋼量見表4。

表4 折板型空間桁架不同矢跨比方案最大撓跨比

綜合相應(yīng)各控制桿件最大軸力、最大應(yīng)力比分析如下。

(1)折板型空間桁架的最大水平位移撓跨比隨矢跨比的減小而均勻增大。折板型空間桁架的最大豎向位移撓跨比隨矢跨比的減小而迅速增大。

(2)折板型空間桁架邊桁架的上下弦桿最大軸力隨矢跨比的減小而迅速增大,并且變化的幅度越來越大,說明矢跨比是影響上下弦桿截面尺寸的主要因素;而上下弦之間的直腹桿的軸力隨矢跨比的減小而稍微增大,內(nèi)力也很小,完全由長細比來控制桿件截面;斜腹桿的最大軸力隨矢跨比的減小而均勻增大。

(3)折板型空間桁架和折板型空間桁架邊桁架的上弦桿之間、下弦桿之間、上下弦桿間的直腹桿之間最大軸力的差別隨著矢跨比的減小而基本無變化;斜腹桿之間最大軸力的差別隨著矢跨比的減小而變大,矢跨比由1/6減小到1/16時,軸力差別由8%增大到16%。

4 整體結(jié)構(gòu)分析

雨棚垂直線路方向3跨81.7m+22m+71.4m= 175.1m,軸線A～D軸;順線路方向左右對稱,每側(cè)5等跨,1～12軸柱距為36m。雨棚整體采用空間三角形桁架和空間折板形桁架,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。雨棚在A軸與鋼格構(gòu)柱或站房柱頂固定鉸接;B、C軸為φ600的“V”形鋼立柱,兩頭采用鉸接結(jié)構(gòu);在D軸站房柱或鋼管混凝土直立柱頂采用南北向有限水平滑移、東西向固定鉸接支座。結(jié)構(gòu)分析采用《空間鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)CAD軟件3D3S9.0》(2007年1月版),同時采用《通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件SAP2000》考慮站房結(jié)構(gòu)整體,進行整體建模分析。模型見圖10和圖11。

圖10 雨棚整體模型

圖11 雨棚結(jié)構(gòu)斷面(單位:mm)

4.1 整體分析

蘇州站雨棚垂直線路方向設(shè)橫向主桁架,高6m、寬12m,正三角設(shè)置;主桁架間設(shè)置典型折板型空間桁架結(jié)構(gòu),折板型空間桁架結(jié)構(gòu)跨度36m,兩下弦桿之間的標準距離為11m,矢高比采用1/9即4m高,上下弦桿、斜腹桿均采用無縫鋼管,上下弦之間的直腹桿作為檁條的支承采用高頻焊接H型鋼,一是利于與檁條連接;二是采用H型鋼可以加強折板斜面內(nèi)的剛度。空間桁架示意圖見圖12和圖13。

圖12 蘇州站雨棚典型折板型空間桁架示意

圖13 典型折板型空間桁架構(gòu)造(單位:mm)

設(shè)計條件按抗震設(shè)防烈度6度、場地類別Ⅲ類,恒載0.65kN/m2,均布活荷載0.3kN/m2(不與雪荷載同時考慮),基本雪壓0.40kN/m2(n=50年),基本風(fēng)壓0.45kN/m2(n=50年),地面粗糙度類別為C類。蘇州極端最高氣溫40.1℃,極端最低氣溫-12.7℃,要求合龍溫度為(15±2)℃,整體計算溫差考慮升溫30℃和降溫30℃。

計算分析,結(jié)構(gòu)第一振型T=0.89211s,為順線路方向的平動,第二振型T=0.80809s,為垂直線路方向的平動,第三振型為扭轉(zhuǎn)T=0.76432s。

恒載+活載+風(fēng)荷載(壓)+降溫組合下,雨棚主桁架有最大豎向位移,最大值 184.4mm,對應(yīng)撓跨比1/443。

雨棚柱在風(fēng)吸工況作用下產(chǎn)生最大的側(cè)向位移, D軸、B(C)軸、A軸最大的側(cè)向位移分別為14.0mm、14.3mm、6.6mm。對應(yīng)的位移和柱長的比值分別為1/875、1/1231、1/1856。

4.2 雨棚柱與站房柱共柱處理

蘇州無站臺柱雨棚垂直線路方向軸線長175.1m,溫度參與組合的垂直線路方向的水平力很大。一是采用滑動支座釋放掉部分或全部水平力;二是結(jié)構(gòu)硬抗水平力。B、C軸雨棚柱柱底鉸接,水平力只能由A、D軸雨棚柱承擔,經(jīng)初步計算分析,水平力影響太大,全部釋放水平位移經(jīng)濟性較差;設(shè)計采用滑動支座釋放掉大部分水平力,即A軸采用固定鉸,D軸采用滑移鉸允許單向滑移50mm。

具體設(shè)計模擬思路是,對D軸水平可變位移大于50mm的組合工況,在D軸柱底設(shè)置單向彈簧剛度進行模擬,采用統(tǒng)籌法取剛度值,使各柱底可變位移為50mm。該方案由站房、雨棚共同受力,實現(xiàn)了雨棚柱在滿足柱頂變形條件下比較優(yōu)化的柱截面。

5 結(jié)語

通過風(fēng)洞試驗取得開敞式齒形屋面雨棚風(fēng)荷載體型系數(shù),為設(shè)計提供了依據(jù)。采取空間三角形桁架和空間折板形桁架,結(jié)構(gòu)方案可行、受力合理,較完美實現(xiàn)建筑造型意圖,增加了新的雨棚結(jié)構(gòu)形式。

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Structural Design of Canopy without Column on Platform in Suzhou Station

LIU Xin-jia
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. , Ltd. , Wuhan 430063, China)

With the characteristics of“Suzhou style plus creativity”,the novel saw-tooth shaped roof was adopted by the canopy in Suzhou Station which is without column on the platform and then the folded-plate truss structure was utilized for the canopy so as to meet the architecture requirements of internal and external aesthetics.This article summarizes the research results and design experiences of structure design for the canopy.Focusing on the saw-tooth shaped roof,the article emphasizes the wind load distribution characters and the shape coefficients.In addition,the comparison among all kinds of schemes of the folded-plate truss structure is implemented so as to contrast the stress characteristics, analyze the structural deformation and economy efficiency under different rise-to-span ratios,and finally apply the comparison results to the whole structural analysis and design.The practice shows that the folded-plate truss structure of the canopy without column on platform in Suzhou Station is a feasible and novel structure form and has important application value on the innovation of building roof.

railway passenger station;canopy;structural design;folded-plate truss;shape coefficient of saw-tooth shaped roof

TU318

A

1004 -2954(2012)11 -0120 -06

2012 -07 -11

劉新佳(1975—),男,高級工程師,1997年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:88042679@qq.com。