斜拉索桁架无柱雨棚的预应力改造设计

田承昊，余 洋，董 城，刘 明，马迎军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

斜拉索桁架无柱雨棚的预应力改造设计

田承昊，余 洋，董 城，刘 明，马迎军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

沈阳北站无站台柱雨棚由17榀钢桁架组成，桁架间通过钢檩条连接，上铺彩钢板．由于雨棚功能不足，因此进行了屋面增设铺板改造．根据模拟计算，从增加覆盖面积、增加斜拉索、全覆盖等几个方面对方案进行了比选研究，确保改造工程的安全性、经济性、可实施性．改造方案最终确定为增加斜拉索方案．对沈阳北站需改造的无站台柱雨棚，通过调整结构内力重分布来满足改造后结构的受力要求，回避了对既有雨棚结构杆件加固补强问题，确保了雨棚改造的可实施性，为今后类似铁路无站台柱雨棚改造工程提供参考．

无站台柱雨棚；预应力；斜拉索桁；施工模拟

1 概 述

1.1 既有雨棚现状

沈阳北站既有无站台柱雨棚覆盖1—6站台高架以外的站台部分，由17榀钢桁架组成，结构采用斜拉索桁架体系．钢桁架由三肢钢管混凝土格构柱、双肢格构柱、钢桁架梁、H型实腹檩条组成，桁架梁采用空间三角形钢管桁架．第一跨横跨1、2站台，第二跨横跨3、4、5站台，悬挑跨覆盖6站台，在第一跨间股道上空有10.4,m开洞，在第二跨的股道上空分别有9.5,，4.5,m的开洞．该雨棚开洞范围过大，在沈阳地区多雨雪天气下，有飘雨雪及檐部挂结冰柱的现象，不方便旅客候车，存在车站管理的不安全隐患．

1.2 雨棚露空局部封堵后引发的结构问题

为改善站台飘雨雪问题，利用沈阳北站改造的机会，对既有雨棚股道间开洞的位置局部铺彩钢板覆盖，达到改善站台旅客候车条件及保证运营安全的目的．另根据线路规划，在悬挑端外侧，新增一跨全覆盖雨棚，在外观上形成三连跨波型屋盖．雨棚局部封堵后引发了以下三个关键问题：现役状态既有索力、风荷载变化和现役状态构件应力．针对这些问题，对索桁大跨度雨棚进行了改造、检测、鉴定、评估、方案比选、方案实施及受力分析．

1.3 既有结构可靠性鉴定报告

本次设计增加了雨棚的覆盖面积，加大了主桁架的荷载，因此需对既有雨棚进行可靠性鉴定．由天津大学和辽宁省工程质量检测中心对既有雨棚结构评估鉴定的结论是：对主体结构实施加固补强，可按原设计状态进行雨棚改造设计及施工．

2 关键问题分析

2.1 既有结构索力值的测定

在运营一段时间后，由于桁架的变形及斜拉索的松弛效应，索力会发生变化．对在役拉索的张力进行测定，结果的准确与否直接关系到改造工程的成败．用振动法进行索力测定是目前常用的方法．采用两端固支受拉的水平直梁对拉索进行模拟，利用频率方程计算索力．斜拉索索力实用计算公式[1-4]如下(测定的索力误差在5%以内)

经计算，中柱既有索力值约280,kN，边柱既有索力值约300,kN．

2.2 风洞试验确定风荷载变化

沈阳北站无柱雨棚是大跨度带悬挑结构，属于对风荷载敏感的结构型体．为准确确定新改造方案对应结构风荷载体形系数，并进行方案的优选和结构计算，委托北京大学空气动力学实验室对该雨棚二期改造工程进行了风洞试验，确定了雨棚结构改造方案的风载体形系数[1,5]．试验模型见图1．对实验数据进行分析处理得到：①无论是局部平均风压系数，还是单元平均风压系数平均值，沈阳北站无站台柱雨棚二期改造工程方案的都要比改造前小；②如果将雨棚作为围护结构考虑，上表面局部最大负压系数在雨棚的迎风前沿可以达到－1.7以上；下表面局部最大负压系数也在雨棚的迎风前沿部分，数值都在－0.8左右；③雨棚中心部分风压分布非常均匀，仅在边缘区域会出现较高的压力值；④风荷载无论是作为主体承重还是围护结构考虑，负压风荷载都是主要的．

图1 风洞试验缩比模型

3 既有雨棚改造方案的评估原则

必须统筹考虑沈阳北站既有雨棚改造，改造的方法是对其既有露空部分加设铺板，这等同改变了结构系统的输入，相应会引起结构体系响应的改变，如构件应力、结构挠度、柱底反力等，需要研究系统响应是否满足规范．首先研究系统响应变化的层级．本研究基于模糊理论，对层级给予评定，分5级，详见表1，其中“不利改变”指不满足现行规范的要求．

表1 评估等级

评定不利级别后，相应给出经济性评估．应对各级情况的对策及加固改造可行性分析见表2．

表2 改造对策及加固改造可行性

4 改造方案比选

结合其他同类工程经验，根据既有雨棚实际情况，为满足改造要求，提出以下三种改造方案．

4.1 利用结构安全冗余增加覆盖面积

该方案保持雨棚结构不动，最大限度地减小开洞范围．通过对桁架单榀计算模型分析得到，最大应力比在0.95以下，结构维持不动，属于评定D级．

4.2 控制雨棚间露空范围

该方案改造后股道上空留4,m或3,m的开洞，增加多层拉索方案，将雨棚尽可能多覆盖．本方案的目的是通过研究减小开洞范围，只增加拉索，不需加固其他结构杆件来改善结构的受力状态，从而降低工程风险及工程造价．

通过对桁架单榀计算模型计算分析得到，每榀桁架增加12根拉索，B、C轴于钢柱顶部增加4四根斜杆，其他构件不动，属于评定E级．

4.3 对雨棚开洞部分全覆盖

对雨棚高点全部覆盖方案仅在B、C轴雨棚柱顶留有1.5,m宽的开洞，其他部位全部封闭．本方案可最大限度地改善防飘雨效果，但此方案B轴基础需要加固，上部需增加拉索及加固弦杆、腹杆，此方案的工程风险及工程造价都很高．评定属于B级．从使用效果、施工难度、工程费用等方面进行比较可知，控制雨棚间露空范围方案属于最优方案．

5 施工模拟验算与现场实测数据对比

通过增加拉索预应力加固，使得该加固方案便于制作、施工，且不影响列车运营．通过预应力引入，可以有效调整结构内力峰值，并能避免由大范围焊接而引起的应力复杂化[6-7]．

5.1 增加拉索预应力加固

通过对施工过程模拟，为施工方案的确定以及顺利进行提供理论依据；通过健康监测，得到关键施工阶段与使用阶段杆件、预应力索的应变以及节点、支座的位移，为结构使用阶段的安全提供评估指标．沈阳北站雨棚钢结构屋盖监测以监测钢结构构件的应力、索力和结构的位移为主．

施工过程采用大型通用有限元软件ANSYS 进行模拟分析，索采用LINK10单元模拟，其余钢结构杆件用BEAM44单元模拟[2-3]．预应力张拉过程的模拟采用等效降温法．由于分批张拉过程中其他拉索的内力值会不断变化，因此在施加荷载时，需充分考虑由于结构变形而引起的拉索内力变化[4]．结合实际张拉过程及调整后的施工方案，雨棚单榀和空间整体有限元计算模型见图2．

图2 计算模型

5.2 施工模拟分析与实测数据对比研究

通过图3-4给出施工阶段部分代表性测点的计算模拟值与实测值在关键工况下的对比．东、西侧三个轴同一监测位置的杆件应力变化几乎相同，现选取两侧的计算结果与监测结果进行比较，如图3-4所示．

图3 东侧雨棚AB跨应力变化曲线

图4 西侧雨棚AB跨应力变化曲线

由图3-4可知：在整个改造过程中，仅在个别工况杆件的应力出现突变，但很快趋于平稳变化；不同桁架同一位置的被监测杆件，变化趋势基本相同，而且BC跨腹杆应力变化的大小也相差不大；此外，midas模拟的计算结果与施工监测的结果除在BC跨上弦杆位置外，在其他监测点处二者的变化趋势基本保持一致，但在应力变化数值大小上差异较大．这是由于模拟过程中鉴于施工荷载和堆载的任意性和随机性，而未对其进行考虑以及忽略了施工过程中的风荷载和温度作用所致．所以，施工过程的有限元模拟可以在一定程度上反映结构的受力变化．但在BC跨上弦杆处，模拟计算结果与实际监测结果之间出现了完全相反的变化趋势，如果单一的以模拟计算结果来评估结构在施工期间的安全性，在某些情况下，会与实际情况相差较大．

6 结 论

最终选定局部封堵、增加斜拉索调整结构体系受力并使之满足规范要求的方案，针对该方案进行了施工模拟分析，并现场实测了施工过程中索及指标构件的应力变化，对二者数据对比分析，发现数值计算与施工测试数据基本吻合，证实了方案的经济性和可实施性，得到主要结论：①改造方案是合理的，改造方案的评估办法使用便捷；②使用阶段监测表明，沈阳北站雨棚钢屋盖在竣工后，钢结构构件及拉索内力变化很小；③结构安全、索力平稳．沈阳北站雨棚施工模拟与监测说明，对于预应力钢结构施工过程模拟与监测是十分必要的．

［1］ ZHOU De-liang．Renovation project inspection report of Beijing West Railway Station introduced by Beijing—Shijiazhuang passenger dedicated railway line[R]. [S.l.]：National Center for Quality Supervision and Test of Building Engineering，2011．

［2］ RAFTOYIANNIS. Nonlinear dynamic stability of multisuspended roof systems[C]// MICHALTSOS G T. Proceedings Congress of Theoretical & Applied Mechanics. New York：[s.n.]，2004：153-159．

［3］ 李国豪． 桥梁结构稳定与振动[M]. 北京：中国铁道出版社，1992.

［4］ 郑宪政，郝 超．用振动法估计拉索张力的实用公式[J]. 国外桥梁，1997(3)：297-321．

［5］ 顾志福．沈阳北无站台柱雨棚二期改造工程风荷载风洞实验[R]. 北京：北京大学，2011.

［6］ CECS 212—2006，预应力钢结构技术规程[S]．

［7］ RAFTOYIANNIS I G．Behavior of suspended roofs under blast loading[J]. Engineering Structures，2007，29：88-100.

Prestress Reconstruction Design of the Existing Stayed-cable Truss Without Column

TIAN Cheng-hao，YU Yang，DONG Cheng，LIU Ming，MA Ying-jun
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Co. Ltd.，Tianjin 300251，China)

The canopy without station column in Shenyang North Railway Station consisted of 17 steel trusses which connected by steel purlines and the upside was paved with color plate. Due to insufficient function，the study of roof additional ceiling reconstruction project was carried out. According to the simulation calculation，the comparison study among the seismic assessment，strengthening and reinforcement of web patch were carried out to guarantee the security，economy and enablement of the engineering. Reconstruction program was finally confirmed to increase stayed-cable. The canopy without station column in Shenyang North Railway was adjusted to the structure of the internal force distribution so as to satisfy the requirement stress of the reconstructed structure，avoiding the reinforcement of the existing canopy structure bar and guaranteeing the engineering enablement of the canopy. A reference of the similar reconstruction project of railway canopy without station column was provided in the future.

canopy without station column；prestress；cable-stayed truss；construction simulation

TU393.3

A

2095-719X(2014)04-0242-05

2014-05-04；

2014-07-01

铁道部科技研究开发计划项目(2010G009-B)

田承昊（1980—），男，河南扶沟人，铁道第三勘察设计院集团有限公司工程师，硕士．