高架車站單柱鋼雨棚計算分析

張英杰

（南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

寧和城際軌道交通一期工程S3線全長約26.743 km，共設19座車站，其中，地下站10座，高架站8座，地面站1座。蘭花塘站是第14座車站，位于雙峰路與豐子河路平交口北側豐子河路路中，車站呈東北—西南走向，為路中高架三層島式站，車站總長121.22 m，站臺最大寬度處10.72 m。地面一層為設備層，地面二層為站廳層，通過東西兩側天橋與地面出入口相連接，地面三層為站臺層。

蘭花塘站為南京市首個單柱鋼雨棚高架魚腹式車站，如圖1所示，雨棚方案以“簡約”為設計主題，形態處理簡潔明快，建筑造型及內部使用空間較為規整。方案不僅滿足了使用功能，還減少了車站的體量感，投資相應減少，達到“快、省”的設計原則。

圖1 蘭花塘站單柱鋼雨棚現場圖

2 設計原則和技術標準

本工程鋼結構設計使用年限為50年，鋼結構的安全等級為一級，抗震設防分類標準為乙類。

恒荷載：鋼結構自重由程序自動計算，金屬屋面系統部分取0.8 kN/m2，玻璃屋面部分取1.0 kN/m2。

活荷載：不上人屋面活荷載取0.7 kN/m2。

風荷載：考慮到本結構屬于對風荷載比較敏感的結構，基本風壓按100年重現期取0.45 kN/m2，地面粗糙度為B類。屋面風荷載體型系數參照GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[1]表8.3.1取值。

雪荷載：考慮到本結構屬于對雪荷載比較敏感的結構，基本雪壓取0.75 kN/m2（100年一遇），屋面積雪分布系數按文獻[1]表7.2.1取值。

地震作用：該地區的設防烈度為7度，由于本項目為乙類建筑，提高一個抗震等級采取抗震構造措施，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.1g，建筑場地類別為Ⅲ類，水平地震影響系數最大值取GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[2]中的規定值和地震安評報告中給出值的較大者。

溫度作用：所在地區最高溫度37℃，最低溫度-6℃，合龍溫度15℃±5℃，升溫工況+27℃，降溫工況-26℃。

3 結構整體計算分析

3.1 結構概述

蘭花塘站鋼雨棚結構整體長129.22 m，最大寬度約為19.8 m；沿縱向有12榀主剛架，縱向鋼結構柱距12 m，除1，4，9，12軸為橫向雙鋼結構柱外，其余軸線均為單鋼結構柱。在每榀主剛架之間設主、次縱梁，次剛架與主縱梁采用剛接連接。鋼柱中灌注混凝土，與站臺混凝土結構采用剛接連接的節點形式。

3.2 設計方案比選

單柱結構橫向梁懸挑距離較大，所以在柱頂設置鋼拉桿，以減小主梁彎矩。本文對比了3種方案對結構的影響——方案一，結構長度為120 m，在柱頂設置2道鋼拉桿，如圖2所示；方案二，結構長度為60 m，在柱頂設置2道鋼拉桿，如圖3所示；方案三：結構長度為60 m，在柱頂設置6道鋼拉桿，如圖4所示。3個方案的橫剖面如圖5所示。

圖2 方案一整體軸測圖

圖3 方案二整體軸測圖

圖4 方案三整體軸測圖

圖5 3種方案的橫剖面圖

3.3 靜力分析

本文對比了3種方案對構件尺寸和懸臂梁撓度的影響，計算結果如下。

方案一：鋼柱截面為圓管P500×47，懸臂梁為方管B（500～1 000）×250×20，支撐為圓管 P402×30.懸臂梁最大相對位移為48.1 mm，懸臂梁長度為9 900 mm，撓度允許值為 48.1/（2×9 900）＝1/411＜1/400，滿足規范要求[3]。

方案二：鋼柱截面為圓管P500×47，懸臂梁為方管B（500～1 000）×250×20，支撐為圓管 P402×30.懸臂梁最大相對位移為38.8 mm，懸臂梁長度為9 648 mm，撓度允許值為38.8/（2×9 648）＝1/497＜1/400，滿足規范要求。

方案三：鋼柱截面為圓管P500×30，懸臂梁為方管B（400～850）×250×20，支撐為圓管 P299×20.懸臂梁最大相對位移為48.7 mm，懸臂梁長度為9 834 mm，撓度允許值為48.7/（2×9 834）＝1/404＜1/400，滿足規范要求。

比較方案一和方案二的結果，可以看出在其他條件相同的情況下，結構長度為60 m時，懸挑梁的撓度允許值小于結構長度為120 m的結構。因此本項目的鋼雨棚采用左右對稱的兩個60 m的鋼結構形式。

比較方案二和方案三的結果，可以看出在其他條件相同僅柱頂設置鋼拉桿數量不同的情況下，懸臂梁撓度均滿足規范要求，設置兩道鋼拉桿時，獨柱壁厚很大，需要定做，造價較高。設置6根鋼拉桿后，構件截面尺寸優化了很多。因此本項目在屋面設置6道鋼拉桿。考慮到單柱鋼柱腳過大會影響樓扶梯處的建筑布置，并且在車站端頭設置雙柱對抗震有利，將方案三進一步優化為在樓扶梯處和端頭設置雙柱。

3.4 抗震分析

對結構進行模態分析，目的是確定結構的頻譜特性，反映結構的總體動力性能。模態分析為線性分析，分別考慮沿結構X，Y方向對結構進行激勵。經過計算，結構前12階振型質量參與率為Ux＝92.1%，Uy＝91.4%，達到了90%以上，能保證本結構反應譜分析結果基本準確，符合抗震規范要求。

根據前面所述地震作用的初始條件，本工程采用規范的地震影響系數曲線。計算結果顯示，結構最大應力比為0.504＜1，滿足要求。

3.5 抗風分析

考慮到本結構對風荷載比較敏感，進行屋面結構在體型系數2.0風吸作用下的驗算。在懸挑端添加體形系數為-2.0的風吸荷載，按6 m跨度將面荷載導成線荷載。

圖6 在體型系數2.0風吸作用下的結構應力比圖

圖7 在體型系數2.0風吸作用下的結構位移圖

計算結果如圖6和圖7所示。根據結構應力比圖，構件最大應力比為0.629＜1，滿足要求。在恒風標準組合作用下，中跨懸挑部分撓度為13.520－0＝13.52 mm＜7 200/200＝36 mm，邊跨懸挑部分撓度為14.02－2.31＝11.71 mm＜4 423/200＝22.115 mm，端部懸挑撓度為10.03－7.8＝2.23 mm＜3 900/200＝19.5 mm，滿足規范要求。

4 結束語

本文對比了不同的結構布置形式對單柱鋼雨棚的影響，結果表明，合理地設縫和設置鋼拉桿可以有效地減小懸挑梁位移，并且使構件尺寸得到優化。經過計算，單柱鋼雨棚可以滿足不同荷載組合下的承載力和正常使用要求，可以在高架車站中使用，是高架車站雨棚形式的一種創新。

［1］中國建筑科學研究院，同濟大學，中國建筑設計研究院，等.GB 50009—2012建筑結構荷載規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［2］中國建筑科學研究院，中國地震局工程力學研究所，中國建筑設計研究院，等.GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［3］北京鋼鐵設計研究總院，重慶大學，西安建筑科技大學，等.GB 50017—2003鋼結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.