關(guān)于高鐵站臺(tái)遮雨篷設(shè)計(jì)的研究

孫國兵

北京中航天業(yè)科技有限公司，北京，100041

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的日益提高，國家加大對(duì)高鐵的建設(shè)，因此高鐵的相關(guān)設(shè)計(jì)也應(yīng)運(yùn)而生。高鐵站臺(tái)作為地方的地標(biāo)性建筑，不僅為旅客遮風(fēng)擋雨，還要求有更高的觀賞性，同時(shí)又要考慮一定的安全性和經(jīng)濟(jì)性。筆者做了大量的分析對(duì)比之后，發(fā)現(xiàn)采用圓形鋼柱雙側(cè)懸挑鋼梁形式的站臺(tái)具有較高的實(shí)用性及觀賞性。然而，此結(jié)構(gòu)形式對(duì)風(fēng)荷載和雪荷載都較為敏感，且需要考慮高速列車通過時(shí)的局部風(fēng)荷載沖擊，所以如何全面考慮荷載選取與組合，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算至關(guān)重要，另外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定問題的同時(shí)，細(xì)部節(jié)點(diǎn)及連接的做法也是不容忽視的，而目前計(jì)算分析軟件對(duì)個(gè)別結(jié)構(gòu)并不能十分準(zhǔn)確地分析計(jì)算，所以一定要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行人為判別，并加以修正。鐵路事業(yè)不斷發(fā)展壯大，高鐵車站的新建工程也逐漸增多，所以對(duì)此類結(jié)構(gòu)形式高鐵站臺(tái)進(jìn)行探討分析，對(duì)類似項(xiàng)目具有借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 自然條件

設(shè)計(jì)使用年限：50年；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；基本風(fēng)壓：0.45kN/m2（R=100）；地面粗糙類別： B類；基本雪壓：0.45kN/m2（R=100）；抗震設(shè)防烈度：7度（0.1g）；設(shè)計(jì)地震分組：第二組；場地類別：Ⅱ類；特征周期：0.4s；水平地震影響系數(shù)αmax=0.16。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)此高鐵站的規(guī)模、人流密度及使用需求，綜合考慮實(shí)用性、建筑美觀性及經(jīng)濟(jì)性等要求，最終采用鋼柱雙側(cè)懸挑焊接H型鋼梁結(jié)構(gòu)體系，每榀鋼架間搭次梁連接，雨篷伸縫按≤120m設(shè)置，計(jì)算時(shí)不考慮溫度荷載作用。鋼架檐口高度6.1m。

計(jì)算簡圖如圖1、圖2。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 荷載取值與荷載組合

（1）荷載取值

永久荷載：0.5kN/m2（金屬屋面板+檁條+預(yù)留光伏面板）；

可變荷載：活荷載0.5kN/m2；基本風(fēng)壓0.45kN/m2（R=100）；基本雪壓0.45kN/m2（R=100）。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1第29項(xiàng)[1]，α＜10°，體型系數(shù)分別取1.0和0.7，站臺(tái)雨篷體型系數(shù)取值見圖3。

（2）荷載組合。本項(xiàng)目采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件（YJK V1.8.3版）進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)荷載規(guī)范5.3.3條“不上人屋面的均布活荷載，可不與雪荷載和風(fēng)荷載同時(shí)組合”[1]的規(guī)定及相關(guān)參考資料，取活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載三者中較大的兩者進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，即考慮雪荷載、活荷載同時(shí)組合進(jìn)行計(jì)算。因軟件默認(rèn)只能輸入單種活荷載且無法進(jìn)行組合計(jì)算，故軟件中輸入活荷載后應(yīng)自定義“雪荷載”工況，輸入雪荷載。生成荷載組合數(shù)據(jù)見圖4。

2.2 鋼柱計(jì)算長度的確定

軟件計(jì)算模型共輸入兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層：地下部分（含地梁）；地上鋼結(jié)構(gòu)部分見圖5。

經(jīng)程序自動(dòng)計(jì)算，鋼柱平面外的長細(xì)比超限，顯示為140.3。據(jù)長細(xì)比計(jì)算公式[2]：

逆向推導(dǎo)，可知軟件自動(dòng)計(jì)算鋼柱計(jì)算長度為28.4m。考慮地下混凝土短柱部分剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼柱，此處可作為上部鋼結(jié)構(gòu)的嵌固端，視為剛接，故可判定軟件的計(jì)算結(jié)果不符合規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)分析，軟件自動(dòng)識(shí)別平面外鋼柱實(shí)際長度為14.20m，即兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層層高之和，見圖6。

究其根本，地梁層混凝土柱平面外無框架梁約束，此情況下程序會(huì)自動(dòng)識(shí)別并計(jì)算，柱的長度在X向?yàn)閮蓪又痈叨戎停@顯然不滿足規(guī)范要求，需要人為干預(yù)，可采用人工修正系數(shù)，或只取鋼結(jié)構(gòu)部分建立模型對(duì)長細(xì)比進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核計(jì)算后，鋼柱長細(xì)比滿足規(guī)范要求。

3 梁柱截面的確定

3.1 鋼柱

結(jié)合本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)受力要求，考慮建筑的美觀性，鋼柱采用圓管，長細(xì)比理論值為小于120，經(jīng)驗(yàn)控制在100，計(jì)算長度為12.2m，求得回轉(zhuǎn)半徑iy=12.2/100=12.2cm，查型鋼選用表選用圓管600×18，考慮鋼柱穩(wěn)定性要求，且整個(gè)雨篷結(jié)構(gòu)載荷不大，建議采用Q235B材質(zhì)，在滿足鋼材強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)盡量采用較薄的壁厚，以此保證截面的回轉(zhuǎn)半徑較大，較容易滿足構(gòu)件的長細(xì)比要求。

綜上所述，采用圓管600×18軸壓比，位移、周期比等均滿足規(guī)范要求。

3.2 鋼梁

因雨篷鋼梁跨度較大，優(yōu)先選用Q345B材質(zhì)，考慮建筑美觀性及經(jīng)濟(jì)性，減輕自身重量等因素，懸挑梁采用變截面形式。縱向次梁也采用Q345B材質(zhì)，跨度不同的次梁盡量通過調(diào)整翼緣厚度來滿足應(yīng)力要求。除強(qiáng)度方面，懸挑構(gòu)件對(duì)撓度也較為敏感，次梁跨度也較大，一定要注意對(duì)構(gòu)件撓度進(jìn)行驗(yàn)算并復(fù)核，此時(shí)應(yīng)注意，對(duì)于懸挑構(gòu)件，撓度限制中構(gòu)件跨度應(yīng)取兩倍懸挑實(shí)際長度。

除計(jì)算要求外，結(jié)構(gòu)還要對(duì)建筑專業(yè)的特殊要求需求加以配合。因建筑專業(yè)要求，雨篷縱向中心位置需設(shè)置600寬檐溝用于排水，顯然，采用普通H型鋼難以實(shí)現(xiàn)此功能要求，故中心位置鋼梁采用格構(gòu)式截面，將兩上下不等寬翼緣的工字型截面用鋼板焊接相連（下翼緣連續(xù)，上翼緣僅梁梁連接節(jié)點(diǎn)相連），以此滿足建筑要求。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 梁柱、梁梁節(jié)點(diǎn)

梁柱采用常規(guī)栓焊剛接，分別對(duì)腹板螺栓群、腹板連接板、加勁肋角焊縫、梁腹凈截面承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

縱向次梁與鋼架鋼梁一般為螺栓鉸接連接，因個(gè)別柱距較大又需對(duì)截面高度加以控制，鉸接連接較難滿足次梁強(qiáng)度、穩(wěn)定、撓度要求，故少數(shù)大跨度次梁與鋼架鋼梁采用栓焊剛接連接，此時(shí)應(yīng)注意。因鋼架鋼梁單方向平面外與次梁剛接，次梁對(duì)鋼架鋼梁會(huì)產(chǎn)生較大扭矩，此種情況下應(yīng)將相鄰跨次梁該端節(jié)點(diǎn)也作剛接，以此平衡次梁傳遞給主梁的彎矩。

4.2 柱腳節(jié)點(diǎn)

柱腳采用埋入式柱腳。柱腳軸向壓力由柱腳底板直接傳給基礎(chǔ)，應(yīng)驗(yàn)算柱腳底板下混凝土的局部承壓。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，在基礎(chǔ)頂面處柱可能出現(xiàn)塑性鉸的柱腳應(yīng)按埋入部分鋼柱側(cè)向應(yīng)力分布驗(yàn)算在軸力和彎矩作用下基礎(chǔ)混凝土的側(cè)向抗彎極限承載力，極限受彎承載力不應(yīng)小于鋼柱全塑性抗彎承載力，與極限受彎承載力對(duì)應(yīng)的剪力不應(yīng)大于鋼柱的全塑性抗剪承載力。

5 設(shè)計(jì)應(yīng)注意及探討的問題

5.1 關(guān)于結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)的控制

根據(jù)《抗規(guī)》[4]及《高規(guī)》[5]規(guī)定，結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)滿足“樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍”且“結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，不應(yīng)大于0.9”。然而由于此結(jié)構(gòu)作為站臺(tái)雨篷，有其一定的特殊性，單柱雙側(cè)懸挑并沿站臺(tái)長度方向布置的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了此結(jié)構(gòu)是較難滿足規(guī)范周期比的要求的，考慮其為單層結(jié)構(gòu)及其用途的特殊性，并未對(duì)結(jié)構(gòu)周期比進(jìn)行嚴(yán)格控制，但對(duì)位移等其他方面做了嚴(yán)格要求，放寬要求。

5.2 活荷載的不利布置

本結(jié)構(gòu)為雙側(cè)懸挑結(jié)構(gòu)，主模型考慮了結(jié)構(gòu)可變荷載滿布的情況。然而，當(dāng)僅某一單側(cè)懸挑部分滿布可變荷載時(shí)，有可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)產(chǎn)生更為不利的影響，而這種不利布置軟件模型中是無法與滿布活荷載同時(shí)考慮的，故在其他條件不變的情況下，需要再新建此種可變荷載不利布置的模型作為補(bǔ)充模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。

5.3 風(fēng)荷載體形系數(shù)

本項(xiàng)目風(fēng)荷載根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及《荷載規(guī)范》[1]確定。然而此種結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，且地處位置特殊，作為站臺(tái)雨篷，高鐵進(jìn)站時(shí)產(chǎn)生的氣流較為復(fù)雜，對(duì)雨篷的影響也很大。所以，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工程規(guī)模、復(fù)雜程度等實(shí)際情況，慎重地確定結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

5.4 關(guān)于金屬屋面注意事項(xiàng)

此次設(shè)計(jì)任務(wù)并未包含雨篷金屬屋面部分，但有些問題還是值得考慮和探討的。金屬屋面板應(yīng)考慮承載能力極限狀態(tài)下和正常使用極限狀態(tài)下恒荷載、活荷載的作用。同時(shí)，風(fēng)吸力的作用也不容忽視。在風(fēng)荷載較大的地區(qū)，許多建筑金屬屋面板由于設(shè)計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤或施工質(zhì)量問題導(dǎo)致被局部甚至全部掀起，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至造成人員傷亡。其主要原因就是設(shè)計(jì)人員和施工人員對(duì)風(fēng)吸力的影響缺乏充分的考慮，特別是金屬屋面板與檁條或主結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)較為薄弱。所以設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮風(fēng)吸力對(duì)金屬屋面的不利作用，加強(qiáng)與主體連接處的構(gòu)造處理，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

6 結(jié)語

通過對(duì)此項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的分析對(duì)比，有如下結(jié)論：

（1）鋼柱雙側(cè)懸挑焊接H型鋼梁，每榀鋼架間搭次梁連接的雨篷結(jié)構(gòu)體系，是一種常見的站臺(tái)雨篷結(jié)構(gòu)，具有較高的實(shí)用性及觀賞性、抗震性能較好、空間布置合理、承載力高等特點(diǎn)，在高鐵站廣泛應(yīng)用，但此類結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載和雪荷載都較為敏感，且需要考慮高速列車通過時(shí)的局部風(fēng)荷載沖擊，所以如何全面考慮荷載選取與組合，對(duì)結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，本文對(duì)類似計(jì)算做了詳細(xì)闡述，另外對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定問題的同時(shí)，細(xì)部構(gòu)造及連接的做法也要保證安全可靠。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可完全依據(jù)軟件，軟件只是一個(gè)輔助工具。對(duì)于軟件計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后，方可用于工程設(shè)計(jì)。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)形式合理，分析假定正確，另外應(yīng)將各種工況分析清楚，各種荷載考慮全面，尤其應(yīng)注意某些不利工況對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)一些構(gòu)造措施，這樣才能實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。