樊軼江

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

引言

站臺(tái)雨棚作為車站旅客上下車避雨雪和遮陽(yáng)的建筑物，隨著鐵路的發(fā)展其建筑結(jié)構(gòu)形式也不斷變化和更新，不同時(shí)期有著其顯著的特點(diǎn)和應(yīng)用意義，從時(shí)間上分大概可分為以下幾個(gè)階段。

第一階段，我國(guó)鐵路發(fā)展初期，受經(jīng)濟(jì)條件的限制，僅在省會(huì)、地市級(jí)城市的旅客站房設(shè)置站臺(tái)雨棚，且多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架或預(yù)制板鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，大部分的小型客站并未設(shè)置站臺(tái)雨棚。總體而言，最初的站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)形式單一，僅最低程度上滿足了部分旅客的需求，其個(gè)性化、人性化設(shè)計(jì)缺失。

第二階段，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)鐵路建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的新時(shí)期?！罢尽⑴?、場(chǎng)一體化”的客站設(shè)計(jì)模式得到了設(shè)計(jì)者的青睞和鐵路部門的認(rèn)可，在此設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，2003年我國(guó)首次在揚(yáng)州站采用了“無(wú)站臺(tái)柱雨棚”的設(shè)計(jì)概念。這種新型雨棚覆蓋整個(gè)站場(chǎng)，結(jié)構(gòu)多采用大跨鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)輕盈、視覺(jué)通透，極大地改善了客運(yùn)服務(wù)條件和旅客候車環(huán)境，充分展示了鐵路客站的新形象。無(wú)站臺(tái)柱雨棚結(jié)構(gòu)形式變化多樣，結(jié)構(gòu)亦相對(duì)復(fù)雜，多采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，如空間鋼管桁架、大跨張弦梁結(jié)構(gòu)、單層空間網(wǎng)殼、門式剛架或框架體系等。

第三階段，2010年至今，隨著國(guó)家“十二五”規(guī)劃的“基本建成國(guó)家快速鐵路網(wǎng)”的成形，全國(guó)各地大、中型城市鐵路旅客站房及大跨無(wú)站臺(tái)柱雨棚也基本建成。此外，由于大跨無(wú)站臺(tái)柱雨棚的投資和日常圍護(hù)成本相對(duì)較高，對(duì)中小型站房而言，有站臺(tái)柱的“小”雨棚更為合適。因而，原鐵道部從實(shí)際形勢(shì)出發(fā)，制定了針對(duì)新時(shí)期的站臺(tái)雨棚建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)。《鐵道部關(guān)于加強(qiáng)中小型客站雨棚設(shè)計(jì)工作的通知》中指出，雨棚設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“安全、簡(jiǎn)潔、可靠”的原則，中小型客運(yùn)站原則上采用有站臺(tái)柱雨棚，不設(shè)置吊頂板；客運(yùn)專線客站雨棚推薦采用鋼管混凝土柱、鋼梁、疊合屋面板的結(jié)構(gòu)形式，普通鐵路客站采用鋼筋混凝土柱、混凝土梁板結(jié)構(gòu)形式，橋式客站推薦采用鋼柱、鋼梁、單層壓型鋼板雨棚。

1 工程概述

隨著西部鐵路、特別是城際鐵路的建設(shè)，出現(xiàn)了大量的橋式車站站臺(tái)雨棚，如寶蘭高鐵東岔站站臺(tái)雨棚、西成高鐵佛坪站站臺(tái)雨棚、成蘭鐵路高川站站臺(tái)雨棚等。

作為橋式車站站臺(tái)雨棚，雨棚柱嵌固于橋縱梁(箱梁或T梁)頂面，為了減輕下部橋梁結(jié)構(gòu)的荷載和方便現(xiàn)場(chǎng)施工，就要求上部雨棚的結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、可現(xiàn)場(chǎng)拼裝的特點(diǎn)。因此，結(jié)合《鐵道部關(guān)于加強(qiáng)中小型客站雨棚設(shè)計(jì)工作的通知》的相關(guān)精神，該類橋式車站的站臺(tái)雨棚多采用鋼管柱、鋼梁及單層壓型鋼板屋面組成的輕型結(jié)構(gòu)體系。

橋式車站站臺(tái)雨棚的形制和結(jié)構(gòu)類型相對(duì)單一和穩(wěn)定，但由于位于橋梁結(jié)構(gòu)頂面，又是單層壓型鋼板屋面體系，有其自身的特點(diǎn)和難點(diǎn)。若設(shè)計(jì)過(guò)程中不引起重視，會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守或偏于不安全，有些因構(gòu)造不合理而引起屋面漏雨甚至裝飾板脫落等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響旅客和行車安全[1]

結(jié)合寶蘭高鐵東岔站站臺(tái)雨棚工程(圖1)，自然條件如下：抗震設(shè)防烈度8度(0.2g)，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，設(shè)防地震分組第三組，場(chǎng)地特征周期0.4 s。從風(fēng)荷載取值、地震作用到雨棚柱腳、檁條設(shè)置，再到屋面構(gòu)造等內(nèi)容進(jìn)行要點(diǎn)分析，對(duì)保證工程質(zhì)量、提高效率、節(jié)約資源、降低成本和促進(jìn)行業(yè)發(fā)展都發(fā)揮著積極的意義。

圖1 寶蘭高鐵東岔站站臺(tái)雨棚

2 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 風(fēng)荷載取值

一般來(lái)說(shuō)，建筑造型越不規(guī)則，繞流現(xiàn)象越難描述，建筑群布局越復(fù)雜，相互之間的干擾影響就越強(qiáng)，流動(dòng)就越紊亂，而結(jié)構(gòu)越輕薄，風(fēng)致動(dòng)力問(wèn)題就越突出[2-3]。對(duì)于橋式站，站房一般設(shè)置在橋梁下方，站臺(tái)雨棚位于橋梁之上，兩者的相互干擾相對(duì)較小，但由于站臺(tái)雨棚高度較高，受周圍建筑群的附著效應(yīng)低，其風(fēng)致振動(dòng)嚴(yán)重，特別是對(duì)于雨棚這種長(zhǎng)而薄的大尺度飄篷懸挑結(jié)構(gòu)，由于渦脫可能還會(huì)產(chǎn)生風(fēng)致顫振[4-6]。

列車風(fēng)是鐵路客站風(fēng)致作用的重要組成部分之一，一般指列車高速通過(guò)時(shí)引起的空氣流動(dòng)及其交變作用，鐵路客站由于站場(chǎng)建筑的遮擋效應(yīng)，列車風(fēng)在一定范圍內(nèi)可對(duì)其產(chǎn)生擾動(dòng)作用。對(duì)于橋式車站輕型站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)，采用開(kāi)敞式的站場(chǎng)布局，和隧道相比，列車過(guò)站時(shí)產(chǎn)生的氣流容易擴(kuò)散，風(fēng)壓影響相對(duì)減弱。但列車高速過(guò)站產(chǎn)生的車頭瞬時(shí)壓力和尾流吸力仍然對(duì)線側(cè)建筑存在影響，已有研究表明，由此在雨棚表面產(chǎn)生的平均風(fēng)壓超過(guò)0.1 kN/m2，和輕型雨棚的圍護(hù)材料每平方米自重基本相當(dāng)，隨著雨棚高度減小，列車風(fēng)在其表面產(chǎn)生的風(fēng)致作用還會(huì)進(jìn)一步加大[7-8]。因此，列車風(fēng)對(duì)輕型屋蓋客觀上存在著影響，且隨著車速大幅度提升，影響還會(huì)進(jìn)一步加大。國(guó)際鐵路聯(lián)盟為此規(guī)定采用最大正、負(fù)壓力荷載+qδ和-qδ來(lái)代替站臺(tái)雨棚表面的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓作用，其影響范圍規(guī)定為5.0 m。

綜合上述因素，在橋式車站輕型站臺(tái)雨棚的設(shè)計(jì)過(guò)程中，風(fēng)荷載取值建議按以下原則選用：

(1)基本風(fēng)壓按100年一遇進(jìn)行取值；

(2)地面粗糙度一般取B類，對(duì)于山區(qū)等設(shè)置于坡頂?shù)臉蚴杰囌菊九_(tái)雨棚宜取A類；

(3)確定風(fēng)壓高度變化系數(shù)時(shí)，離地面或海平面高度取值不低于20 m；

(4)風(fēng)振系數(shù)按GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]取值，但其值不應(yīng)低于1.8；

(5)雨棚表面的體型系數(shù)按GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值，但應(yīng)考慮風(fēng)荷載的敏感性；

(6)在風(fēng)荷載計(jì)算值的基礎(chǔ)上尚應(yīng)考慮±0.1 kN/m2的列車風(fēng)影響。

2.2 地震作用

橋式車站站臺(tái)雨棚位于站臺(tái)梁上，下部橋梁為混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的截面大、剛度大，而上部雨棚為鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的截面小、質(zhì)量輕、剛度小，兩者的結(jié)構(gòu)受力性能完全不同。因此質(zhì)量和剛度上的較大差異，在豎向上形成了不規(guī)則的“下剛上柔”的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其典型剖面和計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 橋式車站站臺(tái)雨棚典型剖面及計(jì)算簡(jiǎn)圖

對(duì)于地震作用下，此種性能結(jié)構(gòu)形式研究美國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范[10-11]僅僅給出計(jì)算原則；呂鳳偉、趙福順[12-13]采用試驗(yàn)與理論對(duì)下剛上柔結(jié)構(gòu)地震作用的規(guī)律探討；DG/TJ08—2059—2009《輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》及熊海貝、何敏娟[14-16]等對(duì)上柔下剛結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)給出建議值。GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 (2016年版)[17]的要求，對(duì)這種有剛度突變的混層結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法進(jìn)行多遇和罕遇地震作用下的抗震計(jì)算[18-19]。

根據(jù)上述研究以及考慮鐵路沿線雨棚的特殊性，因此對(duì)于地震作用下，此類混層結(jié)構(gòu)體系存在地震能量集中的現(xiàn)象，上部雨棚的地震力可近似按下式計(jì)算

F=1.2×(H1/H2)×F1

(1)

式中，F(xiàn)為雨棚剛架的水平地震力；H1為下部橋梁橋墩的高度；H2為上部雨棚的高度；F1為位于地面處雨棚剛架的水平地震力。

2.3 整體式雨棚柱柱腳構(gòu)造

橋式車站站臺(tái)雨棚柱嵌固于站臺(tái)梁頂，考慮到站臺(tái)梁為預(yù)制構(gòu)件(截面常為T梁或箱形梁)，采用常規(guī)的預(yù)埋地腳螺栓的方式很難控制螺栓的位置，給后期雨棚柱的安裝帶來(lái)較多不便。工程中結(jié)合預(yù)制站臺(tái)梁的截面特點(diǎn)，提出了整體式雨棚柱柱腳構(gòu)造，即仍采用外露式柱腳形式，但柱腳與站臺(tái)梁結(jié)構(gòu)整體澆筑。由于雨棚柱柱腳部分是在工廠進(jìn)行加工制作，故而更容易精確定位。雨棚柱拼接點(diǎn)設(shè)置在橋頂面高程以上600 mm處，便于后期對(duì)接焊接。現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，要求對(duì)雨棚柱柱腳垂直度、中心位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保雨棚柱的垂直度。

整體式雨棚柱柱腳構(gòu)造及建成后效果分別如圖3、圖4所示。

圖3 整體式雨棚柱柱腳大樣(單位：mm)

圖4 建成后整體式雨棚柱柱腳

2.4 屋面檁條體系

傳統(tǒng)站臺(tái)雨棚屋面檁條間的平面外支撐多采用拉條或角鋼，且分上、下兩層布置。按現(xiàn)行規(guī)定要求，雨棚不設(shè)置吊頂，因而傳統(tǒng)檁條交錯(cuò)復(fù)雜的支撐體系一定程度上影響了站臺(tái)雨棚的美觀；另一方面，傳統(tǒng)檁條間拉條要求進(jìn)行預(yù)拉緊，但受施工條件及操作人員的影響，往往張緊不到位，不能起到很好的支撐作用，直接影響到檁條平面外的穩(wěn)定安全。

結(jié)合橋式車站輕型站臺(tái)雨棚的特點(diǎn)，提出剛性檁條支撐方案，即采用與檁條等高的H型鋼設(shè)置于檁條跨中或三分之一點(diǎn)，作為檁條的平面外支撐。優(yōu)化后的支撐方案受力明確，在腹板上設(shè)置均勻布置的裝飾孔，尚可起到裝飾的功能。優(yōu)化前后的檁條支撐布置方案如圖5所示，建成后東岔站站臺(tái)雨棚檁條支撐方案效果如圖6所示。

2.5 屋面構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)大樣

目前，對(duì)于單層壓型鋼板雨棚屋面的建筑構(gòu)造作法較多。但在已往的設(shè)計(jì)中，有些構(gòu)造交待不明，給施工造成不便；有些因構(gòu)造不合理造成屋面漏雨，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)檐口板脫落等現(xiàn)象，直接影響了旅客和列車運(yùn)營(yíng)安全。因此，借鑒已有的研究成果[20]并結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)橋式車站輕型站臺(tái)雨棚屋面的構(gòu)造進(jìn)行分析，從金屬屋面板板型選用、板面連接、屋脊、檐口等細(xì)部節(jié)點(diǎn)入手，構(gòu)造出相應(yīng)的工程作法，以提升站臺(tái)雨棚的美觀和安全性。

圖5 優(yōu)化前后檁條支撐布置方案示意(單位：mm)

由于屋面采用單層壓型鋼板，對(duì)風(fēng)荷載(包括列車風(fēng))較為敏感，因此屋面板宜選用基板厚度稍大的高波板(大于70 mm)，如W600型屋面板。其板寬600 mm，板肋高145 mm，采用固定支架與檁條進(jìn)行連接，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，亦可承擔(dān)一定的屋面檢修荷載。為了保障后期維護(hù)人員的安全，屋面尚應(yīng)設(shè)置防墜落裝置。

圖6 寶蘭高鐵東岔站站臺(tái)雨棚檁條支撐

標(biāo)準(zhǔn)段屋面板與檁條的連接大樣如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)段屋面板連接大樣(單位：mm)

雨棚檐口的合理構(gòu)造，既是建筑美觀的需要，亦是輕型站臺(tái)雨棚屋面防風(fēng)揭安全的保證。針對(duì)橋式車站站臺(tái)雨棚的特點(diǎn)，制定的懸挑端和站臺(tái)端檐口構(gòu)造大樣如圖8所示。

圖8 檐口構(gòu)造大樣(單位：mm)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)橋式車站輕型站臺(tái)雨棚的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析，主要得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)于橋式車站輕型站臺(tái)雨棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要以風(fēng)荷載與地震力控制，并提出合理的風(fēng)荷載取值原則以及地震力計(jì)算分析方法，同時(shí)給出雨棚柱柱腳的具體構(gòu)造作法。

(2)優(yōu)化傳統(tǒng)屋面檁條體系，提出新型屋面檁條體系的布置方案，同時(shí)給出屋面構(gòu)造節(jié)點(diǎn)大樣。

(3)本文所研究的橋式車站輕型站臺(tái)雨棚的設(shè)計(jì)要點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)與施工具有參考意義，并對(duì)推動(dòng)鐵路站臺(tái)有柱雨棚標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)具有積極的意義。