孫建龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 工程概況

長春站站房及無站臺柱風(fēng)雨棚是國家“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)工程哈大客運(yùn)專線上重要的交通樞紐和大型客運(yùn)中心，也是長春市對外發(fā)展的窗口，如圖1、圖2所示。其中站臺雨棚位于主站房兩側(cè)，非對稱布置，東、西兩側(cè)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(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土“雙肢”格構(gòu)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(xù)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(shí)景

2 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)建筑造型、結(jié)構(gòu)跨度及結(jié)構(gòu)受力等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中將站臺雨棚分為3個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)分區(qū)，分別為：一區(qū)(位于站房西側(cè))，二、三區(qū)(位于站房東側(cè))，兩側(cè)雨棚與主站房之間通過設(shè)置滑動鉸支座形成伸縮縫兼抗震縫。鑒于分區(qū)后的雨棚沿縱向仍為超長結(jié)構(gòu)，且雨棚柱剛度較大，為了有效地減少溫度應(yīng)力的影響，一、二區(qū)雨棚分別在P5和P12軸處各設(shè)置一道伸縮縫。通過上述結(jié)構(gòu)縫的設(shè)置將整個(gè)雨棚分為多個(gè)受力明確的結(jié)構(gòu)單元，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

2.1 結(jié)構(gòu)方案選取

設(shè)計(jì)中根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度及受力特性對垂軌向雨棚梁的兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)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(gòu)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(jì)，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(jié)點(diǎn)安全可靠原則的限制，通常連續(xù)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(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)極不協(xié)調(diào)，桁架高度冗余較多，既不經(jīng)濟(jì)又影響建筑效果。方案二，雨棚梁采用空間鋼管桁架+拉索結(jié)構(gòu)體系。由于長春地區(qū)基本風(fēng)壓較大，在風(fēng)荷載吸力作用下，大跨度桁架容易反向拱起，且柔性拉索結(jié)構(gòu)不能作為桁架支撐，桁架高度由反向起拱撓度值控制，經(jīng)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。

順軌向，在雨棚柱與桁架相交節(jié)點(diǎn)處設(shè)置有縱向鋼管桁架，使雨棚在縱向形成鋼框架結(jié)構(gòu)體系。由于雨棚桁架梁跨度較大，其面外剛度較弱，設(shè)計(jì)中屋面檁條采用了剛性連續(xù)檁條，

為桁架面外提供多個(gè)強(qiáng)有力支撐，以增加桁架面外剛度，確保結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定[1]。

雨棚柱的選型受行車建筑限界的限制[2-3]，同時(shí)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(gòu)柱，內(nèi)灌C40微膨脹混凝土，格構(gòu)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(jié)點(diǎn)處理

垂軌向雨棚梁為倒三角形空間鋼管桁架(設(shè)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(shè)計(jì)中在桁架端部第一節(jié)間下弦桿通過球節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為兩根下弦桿，形成“Y”形過渡節(jié)點(diǎn)后，分別與柱肢相貫連接，巧妙地解決了桁架下弦桿與格構(gòu)柱的連接難題，如圖4所示。

圖4 雨棚梁、柱節(jié)點(diǎn)處理

3 設(shè)計(jì)參數(shù)及荷載取值

3.1 設(shè)計(jì)主要參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年；

(2)建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 1.1；

(3)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

3.2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

(1)永久荷載：屋面圍護(hù)及吊頂荷載取值為0.65 kN/m2；

(2)可變荷載：標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN/m2；

(3)雪荷載：標(biāo)準(zhǔn)值0.52 kN/m2(100年1遇)；

(4)基本風(fēng)壓：0.65 kN/m2(100年1遇)。由于雨棚結(jié)構(gòu)跨度大、剛度小、自振周期長，在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下可能會引起較大的風(fēng)振效應(yīng)，而《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中給出的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法主要是針對高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，僅考慮了第一振型效應(yīng)的影響。對于大跨度柔性結(jié)構(gòu)由于其自振周期比較密集，高振型對風(fēng)振的影響較大，現(xiàn)行規(guī)范難以準(zhǔn)確確定其風(fēng)振系數(shù)。為了更為準(zhǔn)確地得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載效應(yīng)，設(shè)計(jì)中對長春站站房及站臺雨棚做了整體模型風(fēng)洞試驗(yàn)，作為風(fēng)荷載取值的主要依據(jù)[4]；

(5)溫度作用[5]：結(jié)構(gòu)合龍溫度擬定為10～15 ℃，根據(jù)長春市的歷史日最高氣溫(+36 ℃)和最低氣溫(-39 ℃)，結(jié)構(gòu)計(jì)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(fēng)荷載、溫度作用、地震作用等各項(xiàng)荷載[6]，同時(shí)參考了相關(guān)實(shí)際工程[7-8]，本文重點(diǎn)給出了三組典型控制荷載組合。

第1組(恒荷載、風(fēng)吸、升溫組合)：

①1.0恒荷載+1.4左風(fēng)吸+1.4×0.6升溫；

②1.0恒荷載+1.4右風(fēng)吸+1.4×0.6升溫；

③1.0恒荷載+1.4×0.6左風(fēng)吸+1.4升溫；

④1.0恒荷載+1.4×0.6右風(fēng)吸+1.4升溫。

第2組(恒荷載、活荷載、風(fēng)壓、降溫組合)：

①1.2恒荷載+1.4活荷載+1.4×0.6左風(fēng)壓+1.4×0.6降溫；

②1.2恒荷載+1.4活荷載+1.4×0.6右風(fēng)壓+1.4×0.6降溫；

③1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4左風(fēng)壓+1.4×0.6降溫；

④1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4右風(fēng)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(fēng)壓+1.4降溫；

⑥1.2恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4×0.6右風(fēng)壓+1.4降溫；

⑦1.35恒荷載+1.4×0.7活荷載+1.4×0.6左風(fēng)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(fēng)壓+1.4×0.6降溫。

第3組(恒荷載、活荷載、地震、風(fēng)壓)：

①1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EX+1.4×0.2左風(fēng)壓；

②1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EX+1.4×0.2右風(fēng)壓；

③1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EY+1.4×0.2左風(fēng)壓；

④1.2(恒荷載+0.5活荷載)+1.3EY+1.4×0.2右風(fēng)壓。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算及非線性分析

結(jié)構(gòu)分析采用通用有限元軟件SAP2000 Advanced 14.1.0進(jìn)行整體分析計(jì)算，現(xiàn)以分區(qū)一為例介紹長春站站臺雨棚結(jié)構(gòu)的主要分析過程，其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(一區(qū))

4.1 拉索初拉力選擇原則

結(jié)構(gòu)分析時(shí)，首先進(jìn)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(shí)現(xiàn)，降溫溫度值可根據(jù)彈性模量E、溫度T、線膨脹系數(shù)α與應(yīng)力N之間的計(jì)算關(guān)系式來確定[9]。拉索初拉力的施加對結(jié)構(gòu)自身的初始剛度及結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力影響較大，如何合理選取拉索初拉力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)對結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)中采用撓度控制原則進(jìn)行確定，即在雨棚結(jié)構(gòu)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(jì)算過程中，由于拉索由松弛狀態(tài)向張緊狀態(tài)過渡，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較大的變形，因此結(jié)構(gòu)須按幾何非線性進(jìn)行分析。拉索初始力確定后，拉索與鋼桁架形成的結(jié)構(gòu)體系即具有了組合剛度，此時(shí)考慮幾何非線性效應(yīng)的分析結(jié)果和線性分析結(jié)果非常接近，結(jié)構(gòu)荷載態(tài)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(jié)構(gòu)體系作為半剛性雨棚的受力特點(diǎn)[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(jié)構(gòu)的整體剛度和主受力構(gòu)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(jìn)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(jù)上述原則確定。經(jīng)分析計(jì)算，在荷載最不利標(biāo)準(zhǔn)組合工況(1.0恒荷載+0.7活荷載+1.0左風(fēng)壓+0.6降溫)作用下，雨棚桁架跨中撓度值如圖7所示。

經(jīng)過計(jì)算3種不同的夾角工況下，對應(yīng)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(yīng)力比分別為0.988、0.832、0.938。

從計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)拉索與雨棚柱間夾角過大或過小時(shí)，為了保證桁架跨中撓度滿足設(shè)計(jì)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(chǎn)生了較大的不利影響，造成結(jié)構(gòu)桿件截面過大。經(jīng)反復(fù)試算，當(dāng)拉索與雨棚柱間的夾角在62°～66°時(shí)，拉索和剛性桁架間形成的半剛性站臺雨棚結(jié)構(gòu)可達(dá)到最優(yōu)的受力狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)、合理。

圖7 不同工況下梁跨中撓度值

根據(jù)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(jīng)現(xiàn)場施工檢驗(yàn)，按設(shè)計(jì)要求的拉索初拉力能較好地滿足結(jié)構(gòu)初時(shí)的結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定，后期荷載作用下雨棚梁跨中撓度值與計(jì)算值吻合較好。

5 結(jié)論

(1)對于類似工程的大跨度風(fēng)雨棚，通過合理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)，合理確定和計(jì)算拉索的初始力至關(guān)重要，設(shè)計(jì)時(shí)可按撓度控制原則通過反復(fù)驗(yàn)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(dāng)拉索與雨棚柱間的夾角在62°～66°時(shí)，拉索和剛性桁架間形成的半剛性站臺雨棚結(jié)構(gòu)可達(dá)到最優(yōu)的受力狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)、合理。

(4)上述對半剛性站臺雨棚結(jié)構(gòu)的選型及計(jì)算方法可對今后類似工程提供參考。

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