呼和浩特東站站臺雨棚結構設計與分析

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

呼和浩特東站站臺雨棚結構設計與分析

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

以呼和浩特東站站臺雨棚為工程案例，詳細介紹大跨張弦梁的設計過程。應用SAP2000和ANSYS有限元分析軟件，分別對張弦梁整體結構和單榀構件進行分析，兩者計算結果吻合較好;結合工程特點，提出合理的吊裝方案，確保了張弦梁張拉和吊裝過程的安全。最后對張弦梁支座節(jié)點進行了分析，設計出新型支座節(jié)點，并對節(jié)點進行數(shù)值模擬分析，結果滿足要求。

站臺雨棚;張弦梁;節(jié)點設計

1 工程概況

呼和浩特東站是京包線上重要的交通樞紐和大型客運中心。站臺雨棚對稱布置于主站房兩側，每側站臺雨棚的平面尺寸均為108.50 m×208.34 m，雨棚總覆蓋面積39 900 m2。雨棚屋面最低點距軌面15.35 m，最高點距軌面18.80 m。雨棚順股道方向柱距23.382 m，垂直股道跨度分別為54.0 m、48.5 m。站房兩側雨棚總長為200 m，為減少溫度應力的影響，每側雨棚各設置1道伸縮縫將雨棚分為長度不大于100 m獨立單元。圖1、圖2為呼和浩特東站站房及雨棚整體鳥瞰圖和站臺雨棚內(nèi)視圖。

圖1 站房及雨棚整體鳥瞰圖

圖2 站臺雨棚內(nèi)視圖

2 結構選型及結構體系布置

受站場條件限制，站臺雨棚在垂直于股道方向設置3列雨棚柱，柱頂與鋼箱梁連接形成縱向鋼框架，以增強雨棚縱向的整體剛度和抗震性能;雨棚屋面采用連續(xù)張弦梁結構體系，每跨張弦梁采用一端固定鉸支座、一端滑動鉸支座的連接方式簡支于鋼梁頂面，如圖3所示。為了減小地震作用下屋面體系對同一榀鋼框架的水平力，兩跨張弦梁的固定鉸分別設置于不同柱列，即PA-PB跨張弦梁固定鉸及滑動鉸分別置于PB、PA列雨棚柱，PB-PC跨張弦梁固定鉸及滑動鉸分別置于PC、PB列雨棚柱。順股道方向每23.382 m柱距間等分布置4榀張弦梁，每榀張弦梁支座處均設置有分叉柱，有效地降低了縱梁的豎向變形，保證每榀張弦梁的協(xié)同工作。

圖3 雨棚剖面(單位:mm)

PA-PB軸張弦梁跨度為 54.0 m，跨中矢高6.0 m，上弦壓桿采用□700×300×18×20 mm 箱形截面，下弦拉索采用121φ5 mm高強低松弛平行鋼絲束;PB-PC軸張弦梁跨度為48.5 m，跨中矢高5.5 m，上弦壓桿采用□650×300×18×20 mm箱形截面，下弦拉索采用109φ5 mm高強低松弛平行鋼絲束;張弦梁腹桿均采用φ273 mm×8 mm圓鋼管，上端與張弦梁上弦鉸接，下端通過鑄鋼節(jié)點與拉索連接。由于屋面自重較輕，在風吸力作用下下弦索會發(fā)生松弛，甚至失效的現(xiàn)象，為了保證下弦索始終處于張緊狀態(tài)，在上弦箱形截面內(nèi)灌入水泥砂漿以增加結構配重［1］。

單榀張弦梁在平面內(nèi)可形成獨立的穩(wěn)定體系，并滿足施工及正常工作的受力要求，而其平面外的剛度較差，上弦受壓極易失穩(wěn)，幾乎不能形成穩(wěn)定的結構受力體系。因此，在每榀張弦梁間采用水平支撐和剛性系桿進行連接，以形成穩(wěn)定的空間結構，保證張弦梁的正常受力性能［2-3］，雨棚標準單元結構平面布置如圖4所示。

圖4 雨棚結構布置(單位:mm)

3 設計荷載取值及工況組合

設計荷載是結構分析的重要依據(jù)，取值是否合理將直接影響到結構的安全性和經(jīng)濟性。工程中考慮的荷載有永久荷載:結構自重、屋面圍護自重、吊頂及設備自重等;可變荷載:屋面活載、雪荷載、風荷載;另外還應考慮地震作用和溫度效應。

3.1 荷載標準值

(1)永久荷載:結構桿件自重由計算程序自動導算，屋面圍護及吊頂荷載取值為0.5 kN/m2。

(2)可變荷載:標準值0.5 kN/m2。

(3)雪荷載:標準值0.45 kN/m2(按100年一遇取)。

(4)風荷載: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，同時受站房體型的影響，雨棚屋面各點的體型系數(shù)和風振系數(shù)已無法按《建筑結構荷載規(guī)范》(BG50009—2001)進行選取［4］。因此，設計中風荷載值根據(jù)風洞試驗報告進行取值［5］。

(5)地震作用:本工程抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.20g。

(6)溫度作用:由于張弦梁一端為固定鉸支座，另一端為滑動鉸支座，溫度作用對結構的受力影響不大［6］。但由于張弦梁滑移端的變形量對支座構造要求較高，因此溫度效應仍作為重要的荷載工況進行計算。計算溫差取全年最熱月及最冷月的平均溫度與結構張拉環(huán)境溫度的差值，溫差分別取為+25℃、-35℃(結構張拉環(huán)境溫度為10～15℃)。

3.2 荷載工況組合

荷載工況組合考慮了上述各項荷載［7］，同時參考了相關實際工程［8-9］;為了保證張弦梁在風荷作用下的結構安全，設計中增加了1組下弦索應力控制組合，保證張弦梁在最不利的組合工況下仍具有一定的拉力。各荷載工況組合如表1所示。

表1 荷載工況組合

圖5 張弦梁結構前3～5階結構振型

4 結構計算分析

4.1 結構內(nèi)力計算

結構分析采用通用有限元軟件 SAP2000 V15.1.0對整體結構進行計算，同時采用ANSYS有限元軟件對單榀張弦梁進行了分析，并和SAP2000計算結果進行對比。張弦梁上弦選用空間梁單元、屋面支撐及張弦梁豎向腹桿采用兩端釋放轉(zhuǎn)角自由度的梁單元、下弦索采用沒有剛度和微小質(zhì)量的梁單元進行模擬。根據(jù)文獻［1-10］，由于張弦梁結構在荷載態(tài)分析時，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，因此該類結構荷載態(tài)的分析可不考慮幾何非線性的影響，即符合小變形假定;但在張拉階段，即結構由零狀態(tài)至初始狀態(tài)的過程中，結構會出現(xiàn)較大的變形，因此結構按幾何非線性進行分析。

由于張弦梁一端滑移，因此模型前2振型均為張弦梁屋蓋的整體平動振型，張弦梁結構的前3～5階結構振型如圖5所示(以下以PA-PB跨張弦梁為例進行計算結果分析)。從結構振型看，在前幾振型中均未出現(xiàn)張弦梁平面外的水平振動，說明張弦梁間設置的水平支撐及剛性系桿起到了重要的支撐作用。因此，對于大跨張弦梁結構體系設置這樣的剛性支撐是非常必要的，設計時要給予特別的重視，且應有一定的安全儲備。典型荷載工況下的位移及變形如圖6所示。

圖6 典型工況下結構變形

計算結果如下:(1)張弦梁上弦桿受力較均勻，最大應力比0.80。(2)下弦拉索中最大拉應力為750 MPa。(3)結構在永久荷載標準值作用下產(chǎn)生的豎向最大撓度為122 mm，撓跨比(f/L)為1/442，滿足屋面豎向撓度變形限值要求，可見在合理的矢高比和較強的平面外支撐條件下，張弦梁結構具有較好的豎向剛度。(4)在水平地震作用下，柱頂水平位移21 mm，柱頂位移與柱高比值為1/840;而在風荷載作用下，柱頂水平位移達到58 mm，柱頂位移與柱高比值為1/306。通過對比發(fā)現(xiàn)，由于PA-PB跨張弦梁屋面曲率并不對稱，在垂直于屋面的風荷載作用下，屋脊兩側屋面的風荷載水平分量不能相互抵消，因此荷載水平分量差值導致屋面產(chǎn)生了整體的水平推力，從而使柱頂產(chǎn)生了較大的水平位移。由此可見，在張弦梁結構選型的過程中應盡量避免不對稱的情況產(chǎn)生。

在整體分析的基礎上，利用ANSYS有限元分析程序?qū)伍瘡埾伊哼M行了校核計算，張弦梁在1.0D+1.4L+0.7T工況下的上弦梁內(nèi)應力及下弦拉索應力如圖7所示。在各工況下，張弦梁上弦梁最大應力比為0.70，下弦索最大拉應力為600 MPa。可見 ANSYS分析結果較SAP2000計算結果偏小，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，導致這一結果的原因是SAP2000整體模型分析時，上弦梁的變形受到屋面水平支撐的約束，導致下弦索張拉力增大，從而使得結構體系內(nèi)力增大。但結構變形及應力分布與整體模型吻合較好，從而驗證了計算結果的準確性。

圖7 單榀張弦梁ANSYS分析結果

4.2 結構吊裝

張弦梁的張拉和吊裝是張弦梁結構施工的重點和難點，在施工前應對張弦梁進行施工階段的驗算，以確定張弦梁的張拉次數(shù)和結構找形。由于本工程中張弦梁上弦為單根矩形截面梁，平面外剛度完全由屋面支撐體系提供，因此在初張拉和吊裝過程中須保證每榀張弦梁的平面外穩(wěn)定。若在單榀張弦梁張拉和吊裝過程中通過平衡索保證其平面外的穩(wěn)定，不但使得張拉過程變得復雜，而且給施工增加了難度。考慮到施工的安全和易操作性，同時參考類似工程的施工經(jīng)驗［11-12］，將兩榀張弦梁及部分水平支撐作為吊裝單元在地面胎架上進行初張拉，以保證結構平面外的穩(wěn)定，如圖8所示。待初張拉完成后再進行整體吊裝，柱頂就位后再進行二次張拉，此時結構已具有一定的平面內(nèi)、外的剛度，保證了張拉和吊裝過程的安全。

圖8 張弦梁吊裝單元

5 節(jié)點設計

由于受縱向支承梁截面寬度和下弦索張拉端的限制，成品支座難以滿足工程的需要，因此針對張弦梁張拉節(jié)點和支座節(jié)點的特點構造出了新型節(jié)點。張弦梁下弦索通過銷軸與連接耳板相連，保證拉索在張拉過程中可以自由變形;連接耳板插入上弦梁內(nèi)與翼緣焊接連接，上弦梁腹板在支座處通過厚板過渡，與支座處的雙耳板通過銷軸連接;為了保證支座構造與計算模型中滑動節(jié)點相吻合，在連接端板底面設置有聚四氟乙烯滑移材料，滿足支座在荷載作用下的滑移要求，同時在滑移方向和垂直方向上設置有滑動擋板和抗拔件，防止極端荷載工況下張弦梁滑落或支座拔起，張弦梁端部構造節(jié)點如圖9所示。為了確保支座節(jié)點的復雜受力安全，在理論計算的基礎上應用ADNA有限元軟件對節(jié)點進行了模擬分析，分析結果如圖10所示。

由分析結果可以看出:

圖9 張弦梁支座節(jié)點(單位:mm)

圖10 張弦梁支座分析結果

(1)支座節(jié)點模型分析中應力值均較小，均處于材料的線彈性范圍內(nèi)，完全滿足工程安全要求。這與支座具有一定的平動滑移能力有很大關系，建議在類似大跨度結構中，支座節(jié)點可以采用類似方式進行處理，不但可以大幅度減小下部結構的水平受力負荷，還可獲得更好的經(jīng)濟性與安全性;

(2)在銷軸和銷孔的接觸位置，產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象，應力值較大且應力分布變化劇烈。經(jīng)分析認為原因有:一是數(shù)值計算模型中對該部分采用了接觸邊界以及接觸網(wǎng)格，會帶來一定的影響;二是在實際工程中，該位置是支座傳力的關鍵部位，受力較大。因此，銷軸和銷孔設計時應留有一定的強度余量，同時為了減小由于接觸表面不平滑產(chǎn)生的應力集中以及應力侵蝕對接觸面的影響，對銷軸和銷孔的表面應進行硬化處理，并采用一些特殊成孔工藝。

6 結論

呼和浩特東站站臺雨棚采用了連續(xù)大跨張弦梁結構體系，計算分析表明，張弦梁結構用于較大跨度的站房雨棚建筑中，可充分發(fā)揮其優(yōu)導的結構性能，并能較好地實現(xiàn)建筑的外觀造型。經(jīng)過合理的結構設計，按屋面投影面積計算，主體結構用鋼量僅為75 kg/m2，與類似工程相比極大地節(jié)省了結構用鋼量，取得了較好的經(jīng)濟效果，并實現(xiàn)了經(jīng)濟和美觀的統(tǒng)一。

通過以上分析可知，張弦梁結構體系的水平地震作用效應并不明顯，但對于風荷載效應卻很敏感，因此在設計過程中對風荷載的取值應慎重，同時對有風荷載參與的組合工況應全面;張弦梁的施工順序?qū)埾伊旱氖芰π阅芗笆┕ぐ踩绊戄^大，因此在張弦梁施工過程中應針對不同工程特點制定合理的張拉、吊裝方案;張弦梁支座節(jié)點的構造對結構是否安全、合理起著至關重要的影響，因此，在設計過程中對支座節(jié)點應作為重點進行研究，必要時可進行數(shù)值模擬分析，以確定節(jié)點區(qū)的應力分布，確保結構的安全、可靠。

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Structure Design and Analysis on Platform Canopy of Hohhot East Railway Station

CAI Yu-jun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

Taking the platform canopy at Hohhot East Station as a project case，this paper introduces the design process of a beam string structure(BSS).Using SAP 2000 and ANSYS finite element analysis software，the whole BSS and the BSS members were analyzed respectively，and both calculation results could accord well with each other.Combined with the characteristics of beam string structure，the feasible hoisting scheme were put forward which could ensure the safety of beam string structure in the processes of tensioning and hoisting.Finally the bearing joint of the beam string structure was analyzed，and a new type of bearing joint was designed.Through numerical simulation analysis on the joint，it is concluded that the design can meet the relevant requirements.

platform canopy;beam string structure;joint design

TU318

A

1004-2954(2013)04-0101-04

2012-08-10;

2012-08-30

中國鐵道建筑總公司科研項目(20114287-K3-191)

蔡玉軍(1980—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于長安大學結構工程專業(yè)，工學碩士，E-mail:caiyujun727@163.com。