武广铁路客运专线车站雨棚钢结构体系的应用

2010-01-25罗云灿

铁道标准设计 2010年1期

罗云灿

(武广铁路客运专线有限责任公司,武汉 430060)

随着我国铁路建设的加速推进,客站建设也拉开了帷幕。截至2009年10月底,已建成北京南、天津、上海南、青岛、武昌、拉萨、扬州、延安等铁路新客站124座,到2009年底,还有呼和浩特东、福州、武汉、汉口、长沙南等100多座客站陆续开通运营。这些新时代客站,为广大旅客提供了快捷、方便、舒适的乘车环境,显著提升了中国铁路运输服务品质。而作为车站重要组成部分的站台,为旅客进站上车的必经之处,其雨棚屋盖不仅为旅客避风遮雨,还要求与站房主体的建筑形态和谐统一,融为一体。笔者选取了武广铁路客运专线上几个有代表意义的车站,通过对站台雨棚钢结构体系的分析研究,提出了各种结构体系特点及其适用范围。

1 武广铁路客运专线车站概况

武广铁路客运专线除两端的武汉站和广州南站外,沿线有12个新建站房,分别是咸宁北、赤壁北、岳阳东、汨罗东、长沙南、株洲西、衡山西、衡阳东、耒阳西、郴州西、韶关及清远等12个车站,其中长沙南为始发站,其余站为中间站。为了适应新时期的新特点和新要求,铁道部党组有针对性地提出,客站建设要体现“功能性、系统性、先进性、文化性、经济性”的原则。大空间、大跨度结构的车站站台雨棚,因其贯彻了无站台柱的设计理念,既最大限度地为旅客提供了进出站的空间,又集中体现了现代化车站的通透、无障碍理念,因而成为新型铁路客站的首选建筑形态。

2 武广客站雨棚结构主要形式

雨棚结构主要体现在屋盖结构和支撑体系上,而此类空间要求较高的建筑往往采用大跨度屋盖结构体系和刚度较大的钢柱或钢筋混凝土柱。在武广铁路客运专线根据不同的车站站台规模和站台数量,采用了空间桁架、空间刚架以及单臂悬挑结构等结构形式。下面具体分析这些结构的主要特点。

2.1 空间桁架结构体系

空间桁架指的是桁架梁,是格构化的一种梁式结构。桁架结构由于多用于建筑的屋盖体系,通常也被称作屋架。各杆件受力均以单向拉、压为主,通过对上下弦杆和腹杆的合理布置,可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡,整个结构不对支座产生水平推力,结构布置灵活,应用范围较广。

2.2 空间刚架结构体系

空间刚架是指梁、柱之间为刚性连接的结构。单层刚架为梁、柱合一的结构,梁柱截面高度小,造型轻巧,内部净空较大,故被广泛应用于厂房、体育馆、礼堂、食堂等中等跨度的建筑中。其主要特点是:节点形式较为简单,外观简洁,刚度大,几何特性好；钢管截面流体动力特性好,对于风荷载等作用效应远低于其他形式。

2.3 空间悬臂结构体系

悬臂结构通常由悬臂梁和支撑系统所组成。其主要特点是:构形简洁,富有建筑表现力;悬臂可以充分利用钢材强度,结构自重较轻,但跨度适用范围不大。该结构体系主要用于商场、酒店、写字楼入口门楼。

当然,结构体系和结构形式的选择不是模式化的,在具体选择时要充分考虑站房雨棚的建筑造型和站台宽度,同时要与主站房建筑效果相适应。可选择上述一种结构或几种结构组合结构体系来配合建筑,使建筑布置更具灵活性。

3 车站雨棚结构形式的具体应用

(1)长沙南站站台雨棚采用纵横向树状支撑刚架结构,屋面为单曲面形式,水平投影面积约5.0万m2。屋面板采用带吸声降噪功能的压型钢板屋面,局部采用透光遮阳板,檩条为热镀锌冷弯薄壁型钢。雨棚刚架结构分布于主站房两侧,每侧为独立的两部分,平面尺寸每侧各为135 m×77.5 m、135 m×101.875 m两部分。整个屋面为顺着东西轴线波浪形屋面,钢架为纵、横向单层弧形钢梁结构,主次梁截面主要为□850×400×12×18、H850×300×12×16两种。弧形梁顶高程最高为16.5 m,最低14.5 m。雨棚柱采用铸钢节点的树状形钢管混凝土柱,承受屋盖结构的荷载,高程为-5.00～7.35 m,下部柱截面为4φ500 mm×25 mm钢管组合而成,上部共形成11个分叉支点,分支截面由下至上为φ500 mm×20 mm、φ351 mm×14 mm等。如图1所示。

图1 长沙南站站台雨棚

(2)株洲西站站台雨棚位于站房一侧,沿纵向设置2道伸缩缝兼防震缝,将站台雨棚分为3个结构单元,站棚与站房完全脱开。站台雨棚采用钢柱支撑的管桁架结构,主桁架两跨跨度分别为34.5 m及44.8 m,开间有16.8 m及25.2 m两种,每榀管桁架均为倒三角形立体桁架。管桁架杆件采用圆钢管,柱采用圆形截面直缝焊钢管,柱与基础固结。在管桁架上弦采用H型钢梁及C型冷弯薄壁型钢檩条承托雨棚屋面板。雨棚屋面板及吊顶均以桁架上弦承重,在中部钢轨上方为透空部分。如图2所示。

图2 株洲西站站台雨棚

岳阳东站雨棚位于站房主体建筑东侧,为单层结构,简支于钢柱上,跨越各站台,钢桁架最大间距为18 m。与站房相交处,由站房柱设牛腿支撑钢桁架。整个站台钢雨棚设置2条横向温度缝将雨棚分为3部分。鱼腹形桁架斜腹杆形式为三角形,由钢管组成。如图3所示。

图3 岳阳东站站台雨棚

(3)汨罗东站站台雨棚为钢管混凝土柱单侧悬挑焊接H型钢梁结构体系。雨棚长450 m,沿纵向设置2道伸缩缝兼防震缝,分为3个结构单元。雨棚H型钢梁悬挑长度10.9 m,雨棚开间为16.8 m。站台雨棚在纵向柱列上的钢梁支承在柱上,纵向柱列之间的钢梁与钢管混凝土柱刚接,柱与基础固结。钢梁上设置屋面檩条,屋面板采用压型彩钢板。如图4所示。

图4 汩罗东站站台雨棚

衡山西站站台雨棚为一单层单臂悬挑钢结构,位于主站房的一侧,与站房分开,共分2块,每块按温度缝分为3个区域,柱网尺寸为15 m×10.5 m,柱采用钢管混凝土柱。站台雨棚采用压型彩色钢板屋面系统。如图5所示。

图5 衡山西站站台雨棚

4 几种体系的优缺点比较

(1)刚架属于以受弯为主的结构,材料强度没有充分发挥作用,这就造成了刚架结构自重较大,用料较多,从材尽其用的要求来看,刚架结构并不是十分合理的结构。但在刚架结构与纵横向树状结构支撑相结合后,由于树状柱支撑范围较大,内力分布均匀,跨度可以做得较大,适用于站台数量较多的特大型站房。此外,刚架结构为超静定结构,刚度好、结构内力小,但因柱脚处有弯矩、轴向压力、水平剪力共同作用于基础,对基础地基要求较高。当地基发生不均匀沉降时,将在结构内产生附加内力,所以在地基条件较差时宜慎用。

(2)桁架梁在抗弯方面,由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端,增大了内力臂,使得以同样的材料用量,实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面,通过合理布置腹杆,能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪,桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥,从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。当然,在客运专线车站建设中,由于受站台上不能立柱,线路间立柱又要保证建筑限界的限制,跨度一般不超过3个站台,适用于站台数量不多的中型站房。

(3)单臂悬挑钢梁结构体系由于利用了钢材抗拉及抗压能力强的特性,跨度能比普通钢筋混凝土悬臂结构有所突破,但由于悬臂结构的受力特性所限,在武广铁路客运专线车站建设中,适用于站台数量较少(一般为2个站台)的小型站房。

(4)以上3种体系的支撑系统一般都采用钢管混凝土柱,可充分发挥混凝土受压好、钢材受拉好的特点,且柱的截面尺寸比受相同荷载的混凝土柱或钢管柱都要小。