包頭站站臺雨棚結構設計研究

閆曉鳴

包頭站站臺雨棚結構設計研究

閆曉鳴

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

包頭站站臺雨棚采用分叉式鋼管混凝土柱與雙向正交鋼梁組成的鋼框架結構體系,鋼管混凝土分叉柱為雨棚梁提供了更多的支撐點,有效地減小了雨棚梁的計算跨度,使得結構更加合理。介紹該工程的結構布置、結構分析及重要節點設計。對分叉式鋼管混凝土柱的受力性能進行分析研究,得出分叉柱的支撐角在35O～50O變化時,分叉式鋼管混凝土柱與雨棚梁形成的結構體系可達到最優的受力狀態,使得結構最為經濟、合理。

鐵路客站;站臺雨棚;分叉式鋼管混凝土柱;鋼框架;結構分析;節點設計;支撐角度

1 工程概況

包頭站是京包線集寧至包頭段增建第二雙線上的重要的大型鐵路客站,為線側平式車站,由站房和站臺雨棚組成。整個車場規模為5臺16線,站臺雨棚總投影面積60 004 m2。雨棚沿股道方向長454.5 m,為了有效地減少溫度作用的影響,沿股道方向設置3道變形縫,將雨棚分為4個獨立的結構單元;雨棚垂直股道方向長140 m,跨度分別為20.25、29.8、24.5、29.75和 18.0 m。雨棚采用分叉式鋼管混凝土柱與雙向正交鋼梁組成的鋼框架結構體系,分叉柱為雨棚梁提供了更多的支撐點,有效地減小了雨棚梁的計算跨度,使得結構更加經濟、合理。包頭站站臺雨棚鳥瞰圖及站臺雨棚實景見圖1、圖2。本工程的結構設計基準期為50年,設計使用年限為50年;建筑結構的安全等級為一級,結構重要性系數為1.1;包頭地區的抗震設防烈度為8度,設計地震動峰值加速度0.20g,設計地震分組為第一組[1]。

圖1 站臺雨棚鳥瞰圖

圖2 站臺雨棚實景

2 結構選型和設計

2.1 結構選型與布置

2.1.1 雨棚屋面結構選型與布置

根據建筑造型和結構受力特點,雨棚屋蓋采用雙向正交主、次梁組成的水平受力體系,結構單元周邊設置有水平支撐和剛性系桿,與鋼梁形成水平桁架,保證屋面結構平面外的穩定,并提供足夠的剛度以傳遞水平力;受建筑造型的限制,雨棚梁高受到一定的限制,而梁跨又較大(最大梁跨29.8 m),且四周存在較大懸挑,單純的框架梁柱體系很難實現,故而將雨棚柱從柱頂分成4根分叉柱與雨棚梁鉸接連接。分叉柱作為大跨雨棚梁的中間支點,有效地減小了雨棚梁的計算跨度。雨棚屋蓋結構平面布置及雨棚剖面見圖3～圖5。

圖3 雨棚屋蓋結構平面布置(單位:m)

圖4 雨棚A-A剖面(單位:m)

圖5 雨棚B-B剖面(單位:m)

2.1.2 屋面雨棚梁傳力特點

順股道方向雨棚梁與鋼管混凝土分叉柱連接形成一級主梁,且通長設置,拼接縫設置于跨中1/3～1/2;垂直股道方向在分叉柱與一次主梁交點處設置二級主梁,其他位置間距不大于6 m設置1道次梁,與主梁連接形成完整的雨棚屋蓋結構體系。

2.1.3 分叉式鋼管混凝土柱

為了有效抵抗屋蓋傳遞的雙向水平荷載,雨棚分叉柱與雨棚柱間采用相貫剛性連接;4根分叉柱與雨棚主梁形成約45°空間角對稱布置,并通過連接耳板與雨棚梁鉸接連接形成穩定的倒四角錐結構單元。對于分叉柱與雨棚柱形成的空間合理支撐角度將在本文第3節重點進行研究分析。

2.1.4 雨棚結構主要構件參數

雨棚結構主要構件參數見表1。

表1 雨棚結構主要構件參數

2.2 結構分析

2.2.1 分析軟件

采用SAP2000(14.01)進行結構的整體分析與計算,Ⅰ區整體模型的線框圖見圖6。

圖6 計算模型的線框圖(Ⅰ區)

2.2.2 主要荷載和作用

設計荷載是結構分析的重要依據,取值是否合理將直接影響到結構的安全性和經濟性。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。

永久荷載:屋面圍護、吊頂荷載取值為0.70 kN/m2(結構自重程序自動考慮);可變荷載:0.50 kN/m2;基本雪壓:0.30 kN/m2(100年一遇);基本風壓:0.60 kN/m2(100年一遇);溫度作用:合龍溫度擬定為5～15℃,結構計算溫差分別取為+30、-30℃;地震荷載:按照規范要求考慮X,Y方向的地震荷載。

荷載組合考慮了上述各項荷載,同時參考了相關實際工程[2～4],基本組合工況如下。

工況1:0.9×恒載+1.4×風吸;

工況2:0.9×恒載+1.4×風吸+1.4×0.6×溫度;

工況3:0.9×恒載+1.4×溫度+1.4×0.6×風吸;

工況4:1.2×恒載+1.4×活載;

工況5:1.2×恒載+1.4×活載+1.4×0.6×風載;

工況6:1.2×恒載+1.4×活載+1.4×0.6×風載+ 1.4×0.6×溫度;

工況7:1.2×恒載+1.4×0.7×活載+1.4×風載+ 1.4×0.6×溫度;

工況8:1.2×恒載+1.4×0.7×活載+1.4×0.6×風載+1.4×溫度;

工況9:1.2×(恒載+0.5活載)+1.3×水平地震;

工況10:1.2×(恒載+0.5活載)+1.3×水平地震+ 1.4×0.2×風載。

注:上述荷載組合中溫度、風載均考慮升降溫和左右風載作用。

2.2.3 結構分析結果

整體計算所得的結構自振周期如表2所示。雨棚前3階振型分別為x、y向平動和整體扭轉,第4～6階振型為雨棚屋蓋豎向振型,振型見圖7。

表2 結構自振周期表

圖7 雨棚屋蓋第3～6階結構振型

結構構件計算結果如下:(1)雨棚柱最大應力比0.60,對應荷載工況8。(2)雨棚梁最大應力比0.86,對應荷載工況6。(3)29.8 m跨雨棚梁在永久荷載標準值作用下的豎向最大撓度為68 mm,撓跨比(f/L)為1/432,滿足屋面豎向撓度變形限值要求。

2.3 節點設計

2.3.1 鋼管混凝土柱腳設計[5 7]

雨棚柱柱腳采用外包式剛接柱腳,如圖8所示。鋼管柱埋入承臺內3倍管徑的長度,并沿柱身設置栓釘φ19@150×150 mm,距承臺面以下50 mm處設置有抗剪環板,以有效傳遞柱豎向軸力,同時增強柱底彎矩對柱四周混凝土的擠壓承載力,栓釘作為構造措施起補充作用。鋼環板的截面按傳遞全部柱底壓力確定,采取此措施,使傳力更加直接、可靠。承臺面以上鋼管柱采用混凝土包裹至自然地面以上150 mm處,以防止鋼管柱銹蝕。

圖8 雨棚柱腳及抗剪環板構造(單位:mm)

2.3.2 分叉柱節點設計

雨棚屋面雙向正交主、次梁通過分叉柱與雨棚柱進行連接,為了使分叉柱受力更直接明確,避免雨棚梁豎向變形對分叉柱產生次彎矩,設計中將分叉柱與雨棚梁采用鉸接連接,而與雨棚柱直接相貫焊接連接, 4根分叉柱對稱布置在雨棚柱頂四周。分叉柱與雨棚梁鉸接節點采用軸銷節點方式,銷軸材質采用強度高、耐磨性好的40Cr鋼,連接耳板采用Q345B鋼。銷軸節點的主要計算內容包括銷軸的抗剪、耳板的抗拉、抗剪及局部承壓等[8-9]。根據計算結果,銷軸節點尺寸的控制因素一般為耳板的局部承壓和抗剪,同時滿足一定的構造措施。經計算,分叉柱與雨棚梁的銷軸節點如圖9所示。

圖9 分叉柱連接節點詳圖(單位:mm)

3 分叉柱合理支撐角度討論

分叉式鋼管混凝土柱不但豐富了建筑空間,而且有效地減小了雨棚梁的計算跨度,因此由分叉式鋼管混凝土柱與雙向正交鋼梁組成的鋼框架結構體系是近年來鐵路沿線新建站臺無柱雨棚采用較多的結構形式之一[10-11]。分叉柱與雨棚柱形成的空間支撐角度(簡稱支撐角)受建筑限界、雨棚梁布置及結構受力特點等方面因素確定。為了得到分叉柱的合理支撐角,對不同支撐角工況下的雨棚結構進行了受力分析,如圖10所示。

圖10 不同支撐角的分叉柱形態(單位:m)

對比模型分析中,根據屋面主、次梁結構布置特點,分叉柱柱頂雨棚梁梁段長度定為6.0 m,雨棚柱柱距18.0 m,雨棚梁跨度29.8 m,各桿件的截面及荷載工況均取值相同。經計算,在標準組合1.0D+1.0L工況下,對應于不同支撐角的分叉柱柱內軸力及雨棚梁

跨中撓度如表3所示。

表3 分叉柱軸力及梁跨中撓度值

從計算結果可見,隨著支撐角的增大,分叉柱軸力及雨棚梁跨中撓度隨之加大。當支撐角增大時,由分叉柱與雨棚梁形成的穩定倒四角錐結構單元豎向剛度減弱,使得雨棚梁跨中撓度增大,且分叉柱承擔的軸力也隨之加大。當支撐角增大到一定值時,分叉柱軸力及雨棚梁跨中撓度會急劇加大,直至結構單元破壞;相反當支撐角逐步減小時,由分叉柱與雨棚梁形成的穩定倒四角錐結構單元豎向剛度增強,雨棚梁跨中撓度減小,由分叉柱承擔的軸力也隨之減小,當支撐角減小至一定值時,分叉柱與V形柱受力性能相似。

根據上述分析,當分叉柱柱頂雨棚梁梁段長度為定值時,分叉式鋼管混凝土柱的支撐角越小,結構受力性能越有利。但受建筑限界及空間造型的約束,對于無站臺柱雨棚結構體系,支撐角取值不宜過小,分叉點位置需滿足鐵路基本建筑限界要求[12-13],此時分叉柱對應的最小支撐角約為25°。結合表3中6組分析數據,當支撐角在35°～50°變化時,分叉柱軸力及梁跨中撓度值均在合理范圍內,此時分叉式鋼管混凝土柱與雨棚梁形成的結構體系可達到最佳狀態,使得結構較為經濟、合理。

4 結論

(1)包頭站站臺雨棚結合建筑造型采用分叉式鋼管混凝土柱,既豐富了雨棚的造型,又有效減小了雨棚梁的跨度,使得雨棚屋蓋用鋼量顯著降低。按雨棚投影面積計算,包頭站站臺雨棚不含雨棚柱的屋蓋用鋼量約為65 kg/m2(不含屋面系統次檁條),含雨棚柱的用鋼量約為88 kg/m2,取得了較好的經濟效益。

(2)包頭站站臺雨棚采用分叉式鋼管混凝土柱與雙向正交鋼梁組成的結構體系,文中對雨棚結構分析和節點設計進行了詳細的論述,對今后類似工程具有一定的參考價值。

(3)通過對不同支撐角下的分叉式鋼管混凝土柱雨棚的受力分析,當支撐角在35°～50°變化時,分叉柱軸力及雨棚梁跨中撓度值均在合理范圍內,此時分叉式鋼管混凝土柱與雨棚梁形成的結構體系可達到最佳狀態,使得結構較為經濟、合理。

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Structure Design and Research of Platform Canopy at Baotou Railway Station

YAN Xiao-ming
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

The steel frame structure system,which consists of bifurcated concrete-filled steel tube columns and two-way orthogonal steel beams,was used in the platform canopy at Baotou Railway Station. In this way,the bifurcated concrete-filled steel tube column can provide more supporting points for the steel beam of the canopy,can effectively reduce the calculation span of steel beam of the canopy,and so can make the structure more reasonable.In this paper,the structure arrangement,structure analysis and the design of the main joints were introduced,and the mechanical behavior of the bifurcated concrete-filled steel tube columns was analyzed and researched.Finally,this paper come to a conclusion that if the supporting angle of the every bifurcated column ranges from 35°to 50°,the structure system, which consists of bifurcated concrete-filled steel tube columns and canopy beams,will be in a state of optimal mechanical behavior,and so will be the most economical and reasonable one in this kind of structures.

railway passenger station;station platform canopy;bifurcated concrete-filled steel tube column;steel frame;structural analysis;design of joint;supporting angle

TU248.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.026

1004-2954(2014)04-0110-05

2013-08-01;

2013-08-19

閆曉鳴(1981—),男,工程師,2004年畢業于長安大學,工學學士,E-mail:44869805@qq.com。