大跨度半剛性站臺雨棚結構設計與分析

孫建龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

長春站站房及無站臺柱風雨棚是國家“十一五”規劃重點工程哈大客運專線上重要的交通樞紐和大型客運中心，也是長春市對外發展的窗口，如圖1、圖2所示。其中站臺雨棚位于主站房兩側，非對稱布置，東、西兩側站臺雨棚的平面尺寸分別為183.0 m×220.0 m(局部112.0 m×84.0 m)和157.0 m×220.0 m，雨棚總覆蓋面積84 230.0 m2。雨棚垂軌向最大跨度59.2 m，順軌向最大柱距26.5 m。雨棚屋面距軌面最低高度9.0 m，跨中最大高度14.3 m。雨棚結構采用鋼管混凝土“雙肢”格構柱+三角形管桁架+拉索體系。垂軌向雨棚梁由三角形管桁架和拉索組成，形成連續大跨半剛性站臺雨棚。

圖1 站房雨棚鳥瞰圖

圖2 站臺雨棚實景

2 結構選型

根據建筑造型、結構跨度及結構受力等特點，設計中將站臺雨棚分為3個獨立的結構分區，分別為：一區(位于站房西側)，二、三區(位于站房東側)，兩側雨棚與主站房之間通過設置滑動鉸支座形成伸縮縫兼抗震縫。鑒于分區后的雨棚沿縱向仍為超長結構，且雨棚柱剛度較大，為了有效地減少溫度應力的影響，一、二區雨棚分別在P5和P12軸處各設置一道伸縮縫。通過上述結構縫的設置將整個雨棚分為多個受力明確的結構單元，分別進行結構計算和設計，如圖3所示。

圖3 風雨棚結構布置(單位：mm)

2.1 結構方案選取

設計中根據結構跨度及受力特性對垂軌向雨棚梁的兩種結構形式進行了比較：方案一，雨棚梁采用空間鋼管桁架。通過初算及桁架構造要求，桁架端部高度取其跨度的1/12～1/15，按最大跨度59.20 m計，桁架端部高度為4.5 m，跨中高度為2.6 m。受建筑造型、梁柱節點安全可靠原則的限制，通常連續梁端部的高度取為一致，因此其余桁架端部高度亦取為4.5 m。對于橫向跨度只有41.03 m的較小跨，桁架端部高度取為4.5 m，將導致建筑結構極不協調，桁架高度冗余較多，既不經濟又影響建筑效果。方案二，雨棚梁采用空間鋼管桁架+拉索結構體系。由于長春地區基本風壓較大，在風荷載吸力作用下，大跨度桁架容易反向拱起，且柔性拉索結構不能作為桁架支撐，桁架高度由反向起拱撓度值控制，經計算桁架端部合理高度取值為3.3 m左右，拉索直徑為80 mm，此方案較好地控制了結構體系的變形，又使建筑造型簡潔明快，用鋼量大為降低。綜上最終方案選為空間鋼管桁架+拉索結構體系。

順軌向，在雨棚柱與桁架相交節點處設置有縱向鋼管桁架，使雨棚在縱向形成鋼框架結構體系。由于雨棚桁架梁跨度較大，其面外剛度較弱，設計中屋面檁條采用了剛性連續檁條，

為桁架面外提供多個強有力支撐，以增加桁架面外剛度，確保結構體系的穩定[1]。

雨棚柱的選型受行車建筑限界的限制[2-3]，同時綜合考慮雨棚柱與雨棚桁架梁的有效連接，雨棚柱采用“一”字形D800×20(D700×18)鋼管混凝土格構柱，內灌C40微膨脹混凝土，格構柱肢距為3.0 m，與雨棚桁架梁上弦桿等距。

2.2 雨棚梁、柱節點處理

垂軌向雨棚梁為倒三角形空間鋼管桁架(設有拉索)，其上弦桿可直接與雨棚柱柱肢相貫連接，而桁架單下弦桿無法直接與雨棚柱柱肢連接，若采取下弦桿直接與腹桿(綴桿)相貫連接，由于下弦桿軸向壓力較大，柱間腹桿截面無法滿足受力要求。因此，設計中在桁架端部第一節間下弦桿通過球節點轉換為兩根下弦桿，形成“Y”形過渡節點后，分別與柱肢相貫連接，巧妙地解決了桁架下弦桿與格構柱的連接難題，如圖4所示。

圖4 雨棚梁、柱節點處理

3 設計參數及荷載取值

3.1 設計主要參數

(1)結構設計使用年限50年；

(2)建筑結構安全等級為一級，結構重要性系數 1.1；

(3)抗震設防烈度為7度，設計基本加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。

3.2 荷載標準值

(1)永久荷載：屋面圍護及吊頂荷載取值為0.65 kN/m2；

(2)可變荷載：標準值0.5 kN/m2；

(3)雪荷載：標準值0.52 kN/m2(100年1遇)；

(4)基本風壓：0.65 kN/m2(100年1遇)。由于雨棚結構跨度大、剛度小、自振周期長，在隨機風荷載作用下可能會引起較大的風振效應，而《建筑結構荷載規范》中給出的風振系數計算方法主要是針對高層建筑和高聳結構，僅考慮了第一振型效應的影響。對于大跨度柔性結構由于其自振周期比較密集，高振型對風振的影響較大，現行規范難以準確確定其風振系數。為了更為準確地得到結構的風荷載效應，設計中對長春站站房及站臺雨棚做了整體模型風洞試驗，作為風荷載取值的主要依據[4]；

(5)溫度作用[5]：結構合龍溫度擬定為10～15 ℃，根據長春市的歷史日最高氣溫(+36 ℃)和最低氣溫(-39 ℃)，結構計算溫差分別取為+26 ℃、-54 ℃。

3.3 荷載組合

荷載組合考慮了恒載、活載、風荷載、溫度作用、地震作用等各項荷載[6]，同時參考了相關實際工程[7-8]，本文重點給出了三組典型控制荷載組合。

第1組(恒荷載、風吸、升溫組合)：

①1.0恒荷載+1.4左風吸+1.4×0.6升溫；

②1.0恒荷載+1.4右風吸+1.4×0.6升溫；

③1.0恒荷載+1.4×0.6左風吸+1.4升溫；

④1.0恒荷載+1.4×0.6右風吸+1.4升溫。

第2組(恒荷載、活荷載、風壓、降溫組合)：

①1.2恒荷載+1.4活荷載+1.4×0.6左風壓+1.4×0.6降溫；

②1.2恒荷載+1.4活荷載+1.4×0.6右風壓+1.4×0.6降溫；

③1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4左風壓+1.4×0.6降溫；

④1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4右風壓+1.4×0.6降溫；

⑤1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4×0.6左風壓+1.4降溫；

⑥1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4×0.6右風壓+1.4降溫；

⑦1.35恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4×0.6左風壓+1.4×0.6降溫；

⑧1.35恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4×0.6右風壓+1.4×0.6降溫。

第3組(恒荷載、活荷載、地震、風壓)：

①1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EX+1.4×0.2左風壓；

②1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EX+1.4×0.2右風壓；

③1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EY+1.4×0.2左風壓；

④1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EY+1.4×0.2右風壓。

4 結構計算及非線性分析

結構分析采用通用有限元軟件SAP2000 Advanced 14.1.0進行整體分析計算，現以分區一為例介紹長春站站臺雨棚結構的主要分析過程，其結構計算模型如圖5所示。

圖5 結構計算模型(一區)

4.1 拉索初拉力選擇原則

結構分析時，首先進行拉索初拉力的施加。拉索初拉力的施加在分析模型中是通過降溫的方式來實現，降溫溫度值可根據彈性模量E、溫度T、線膨脹系數α與應力N之間的計算關系式來確定[9]。拉索初拉力的施加對結構自身的初始剛度及結構桿件應力影響較大，如何合理選取拉索初拉力是設計的關鍵。經對結構受力特點的分析，設計中采用撓度控制原則進行確定，即在雨棚結構自重及拉索初拉力作用下，桁架跨中最大撓度為零來控制，最終確定索初拉力。在此計算過程中，由于拉索由松弛狀態向張緊狀態過渡，結構會出現較大的變形，因此結構須按幾何非線性進行分析。拉索初始力確定后，拉索與鋼桁架形成的結構體系即具有了組合剛度，此時考慮幾何非線性效應的分析結果和線性分析結果非常接近，結構荷載態的分析可不考慮幾何非線性的影響，這也正反映了空間鋼管桁架+拉索結構體系作為半剛性雨棚的受力特點[10]。

4.2 拉索與雨棚柱間夾角選擇

拉索與雨棚柱間夾角的取值對結構的整體剛度和主受力構件截面的確定都起著決定性影響，本文對拉索與雨棚柱間連接采用不同的夾角形式進行了對比分析，并列出其中3種角度工況，如圖6所示。

圖6 拉索與雨棚柱連接形式

對比模型分析中，雨棚桁架梁端部及跨中高度、各桿件的截面和荷載工況均取值相同。在三種不同的夾角工況下，拉索中初始拉力根據上述原則確定。經分析計算，在荷載最不利標準組合工況(1.0恒荷載+0.7活荷載+1.0左風壓+0.6降溫)作用下，雨棚桁架跨中撓度值如圖7所示。

經過計算3種不同的夾角工況下，對應荷載基本組合下拉索最終拉力分別為938、717、761 kN，桁架弦桿最大應力比分別為0.988、0.832、0.938。

從計算結果可見，當拉索與雨棚柱間夾角過大或過小時，為了保證桁架跨中撓度滿足設計要求，拉索中須施加較大的軸力才能滿足。而拉索中過大的軸力水平分量給桁架和雨棚柱產生了較大的不利影響，造成結構桿件截面過大。經反復試算，當拉索與雨棚柱間的夾角在62°～66°時，拉索和剛性桁架間形成的半剛性站臺雨棚結構可達到最優的受力狀態，使得結構較為經濟、合理。

圖7 不同工況下梁跨中撓度值

根據上述分析，本工程中對于跨度59.20 m桁架拉索與雨棚柱間夾角確定為65°，拉索初始拉力取為150 kN，經現場施工檢驗，按設計要求的拉索初拉力能較好地滿足結構初時的結構剛度及穩定，后期荷載作用下雨棚梁跨中撓度值與計算值吻合較好。

5 結論

(1)對于類似工程的大跨度風雨棚，通過合理結構選型(如空間鋼管桁架+拉索)，可以有效地減小桁架的截面高度，使結構構件變得輕盈美觀，很好地滿足了建筑造型的要求。

(2)對于空間鋼管桁架+拉索這樣的半剛性站臺雨棚結構，合理確定和計算拉索的初始力至關重要，設計時可按撓度控制原則通過反復驗算確定。

(3)通過對拉索和雨棚柱間不同夾角工況的試算，最終確定當拉索與雨棚柱間的夾角在62°～66°時，拉索和剛性桁架間形成的半剛性站臺雨棚結構可達到最優的受力狀態，使得結構較為經濟、合理。

(4)上述對半剛性站臺雨棚結構的選型及計算方法可對今后類似工程提供參考。

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