包头站站台雨棚结构设计研究

闫晓鸣

包头站站台雨棚结构设计研究

闫晓鸣

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

包头站站台雨棚采用分叉式钢管混凝土柱与双向正交钢梁组成的钢框架结构体系,钢管混凝土分叉柱为雨棚梁提供了更多的支撑点,有效地减小了雨棚梁的计算跨度,使得结构更加合理。介绍该工程的结构布置、结构分析及重要节点设计。对分叉式钢管混凝土柱的受力性能进行分析研究,得出分叉柱的支撑角在35O～50O变化时,分叉式钢管混凝土柱与雨棚梁形成的结构体系可达到最优的受力状态,使得结构最为经济、合理。

铁路客站;站台雨棚;分叉式钢管混凝土柱;钢框架;结构分析;节点设计;支撑角度

1 工程概况

包头站是京包线集宁至包头段增建第二双线上的重要的大型铁路客站,为线侧平式车站,由站房和站台雨棚组成。整个车场规模为5台16线,站台雨棚总投影面积60 004 m2。雨棚沿股道方向长454.5 m,为了有效地减少温度作用的影响,沿股道方向设置3道变形缝,将雨棚分为4个独立的结构单元;雨棚垂直股道方向长140 m,跨度分别为20.25、29.8、24.5、29.75和 18.0 m。雨棚采用分叉式钢管混凝土柱与双向正交钢梁组成的钢框架结构体系,分叉柱为雨棚梁提供了更多的支撑点,有效地减小了雨棚梁的计算跨度,使得结构更加经济、合理。包头站站台雨棚鸟瞰图及站台雨棚实景见图1、图2。本工程的结构设计基准期为50年,设计使用年限为50年;建筑结构的安全等级为一级,结构重要性系数为1.1;包头地区的抗震设防烈度为8度,设计地震动峰值加速度0.20g,设计地震分组为第一组[1]。

图1 站台雨棚鸟瞰图

图2 站台雨棚实景

2 结构选型和设计

2.1 结构选型与布置

2.1.1 雨棚屋面结构选型与布置

根据建筑造型和结构受力特点,雨棚屋盖采用双向正交主、次梁组成的水平受力体系,结构单元周边设置有水平支撑和刚性系杆,与钢梁形成水平桁架,保证屋面结构平面外的稳定,并提供足够的刚度以传递水平力;受建筑造型的限制,雨棚梁高受到一定的限制,而梁跨又较大(最大梁跨29.8 m),且四周存在较大悬挑,单纯的框架梁柱体系很难实现,故而将雨棚柱从柱顶分成4根分叉柱与雨棚梁铰接连接。分叉柱作为大跨雨棚梁的中间支点,有效地减小了雨棚梁的计算跨度。雨棚屋盖结构平面布置及雨棚剖面见图3～图5。

图3 雨棚屋盖结构平面布置(单位:m)

图4 雨棚A-A剖面(单位:m)

图5 雨棚B-B剖面(单位:m)

2.1.2 屋面雨棚梁传力特点

顺股道方向雨棚梁与钢管混凝土分叉柱连接形成一级主梁,且通长设置,拼接缝设置于跨中1/3～1/2;垂直股道方向在分叉柱与一次主梁交点处设置二级主梁,其他位置间距不大于6 m设置1道次梁,与主梁连接形成完整的雨棚屋盖结构体系。

2.1.3 分叉式钢管混凝土柱

为了有效抵抗屋盖传递的双向水平荷载,雨棚分叉柱与雨棚柱间采用相贯刚性连接;4根分叉柱与雨棚主梁形成约45°空间角对称布置,并通过连接耳板与雨棚梁铰接连接形成稳定的倒四角锥结构单元。对于分叉柱与雨棚柱形成的空间合理支撑角度将在本文第3节重点进行研究分析。

2.1.4 雨棚结构主要构件参数

雨棚结构主要构件参数见表1。

表1 雨棚结构主要构件参数

2.2 结构分析

2.2.1 分析软件

采用SAP2000(14.01)进行结构的整体分析与计算,Ⅰ区整体模型的线框图见图6。

图6 计算模型的线框图(Ⅰ区)

2.2.2 主要荷载和作用

设计荷载是结构分析的重要依据,取值是否合理将直接影响到结构的安全性和经济性。工程中考虑的荷载有永久荷载:结构自重、屋面围护自重、吊顶自重等;可变荷载:屋面活载、雪荷载、风荷载;另外还应考虑地震作用和温度效应。

永久荷载:屋面围护、吊顶荷载取值为0.70 kN/m2(结构自重程序自动考虑);可变荷载:0.50 kN/m2;基本雪压:0.30 kN/m2(100年一遇);基本风压:0.60 kN/m2(100年一遇);温度作用:合龙温度拟定为5～15℃,结构计算温差分别取为+30、-30℃;地震荷载:按照规范要求考虑X,Y方向的地震荷载。

荷载组合考虑了上述各项荷载,同时参考了相关实际工程[2～4],基本组合工况如下。

工况1:0.9×恒载+1.4×风吸;

工况2:0.9×恒载+1.4×风吸+1.4×0.6×温度;

工况3:0.9×恒载+1.4×温度+1.4×0.6×风吸;

工况4:1.2×恒载+1.4×活载;

工况5:1.2×恒载+1.4×活载+1.4×0.6×风载;

工况6:1.2×恒载+1.4×活载+1.4×0.6×风载+ 1.4×0.6×温度;

工况7:1.2×恒载+1.4×0.7×活载+1.4×风载+ 1.4×0.6×温度;

工况8:1.2×恒载+1.4×0.7×活载+1.4×0.6×风载+1.4×温度;

工况9:1.2×(恒载+0.5活载)+1.3×水平地震;

工况10:1.2×(恒载+0.5活载)+1.3×水平地震+ 1.4×0.2×风载。

注:上述荷载组合中温度、风载均考虑升降温和左右风载作用。

2.2.3 结构分析结果

整体计算所得的结构自振周期如表2所示。雨棚前3阶振型分别为x、y向平动和整体扭转,第4～6阶振型为雨棚屋盖竖向振型,振型见图7。

表2 结构自振周期表

图7 雨棚屋盖第3～6阶结构振型

结构构件计算结果如下:(1)雨棚柱最大应力比0.60,对应荷载工况8。(2)雨棚梁最大应力比0.86,对应荷载工况6。(3)29.8 m跨雨棚梁在永久荷载标准值作用下的竖向最大挠度为68 mm,挠跨比(f/L)为1/432,满足屋面竖向挠度变形限值要求。

2.3 节点设计

2.3.1 钢管混凝土柱脚设计[5 7]

雨棚柱柱脚采用外包式刚接柱脚,如图8所示。钢管柱埋入承台内3倍管径的长度,并沿柱身设置栓钉φ19@150×150 mm,距承台面以下50 mm处设置有抗剪环板,以有效传递柱竖向轴力,同时增强柱底弯矩对柱四周混凝土的挤压承载力,栓钉作为构造措施起补充作用。钢环板的截面按传递全部柱底压力确定,采取此措施,使传力更加直接、可靠。承台面以上钢管柱采用混凝土包裹至自然地面以上150 mm处,以防止钢管柱锈蚀。

图8 雨棚柱脚及抗剪环板构造(单位:mm)

2.3.2 分叉柱节点设计

雨棚屋面双向正交主、次梁通过分叉柱与雨棚柱进行连接,为了使分叉柱受力更直接明确,避免雨棚梁竖向变形对分叉柱产生次弯矩,设计中将分叉柱与雨棚梁采用铰接连接,而与雨棚柱直接相贯焊接连接, 4根分叉柱对称布置在雨棚柱顶四周。分叉柱与雨棚梁铰接节点采用轴销节点方式,销轴材质采用强度高、耐磨性好的40Cr钢,连接耳板采用Q345B钢。销轴节点的主要计算内容包括销轴的抗剪、耳板的抗拉、抗剪及局部承压等[8-9]。根据计算结果,销轴节点尺寸的控制因素一般为耳板的局部承压和抗剪,同时满足一定的构造措施。经计算,分叉柱与雨棚梁的销轴节点如图9所示。

图9 分叉柱连接节点详图(单位:mm)

3 分叉柱合理支撑角度讨论

分叉式钢管混凝土柱不但丰富了建筑空间,而且有效地减小了雨棚梁的计算跨度,因此由分叉式钢管混凝土柱与双向正交钢梁组成的钢框架结构体系是近年来铁路沿线新建站台无柱雨棚采用较多的结构形式之一[10-11]。分叉柱与雨棚柱形成的空间支撑角度(简称支撑角)受建筑限界、雨棚梁布置及结构受力特点等方面因素确定。为了得到分叉柱的合理支撑角,对不同支撑角工况下的雨棚结构进行了受力分析,如图10所示。

图10 不同支撑角的分叉柱形态(单位:m)

对比模型分析中,根据屋面主、次梁结构布置特点,分叉柱柱顶雨棚梁梁段长度定为6.0 m,雨棚柱柱距18.0 m,雨棚梁跨度29.8 m,各杆件的截面及荷载工况均取值相同。经计算,在标准组合1.0D+1.0L工况下,对应于不同支撑角的分叉柱柱内轴力及雨棚梁

跨中挠度如表3所示。

表3 分叉柱轴力及梁跨中挠度值

从计算结果可见,随着支撑角的增大,分叉柱轴力及雨棚梁跨中挠度随之加大。当支撑角增大时,由分叉柱与雨棚梁形成的稳定倒四角锥结构单元竖向刚度减弱,使得雨棚梁跨中挠度增大,且分叉柱承担的轴力也随之加大。当支撑角增大到一定值时,分叉柱轴力及雨棚梁跨中挠度会急剧加大,直至结构单元破坏;相反当支撑角逐步减小时,由分叉柱与雨棚梁形成的稳定倒四角锥结构单元竖向刚度增强,雨棚梁跨中挠度减小,由分叉柱承担的轴力也随之减小,当支撑角减小至一定值时,分叉柱与V形柱受力性能相似。

根据上述分析,当分叉柱柱顶雨棚梁梁段长度为定值时,分叉式钢管混凝土柱的支撑角越小,结构受力性能越有利。但受建筑限界及空间造型的约束,对于无站台柱雨棚结构体系,支撑角取值不宜过小,分叉点位置需满足铁路基本建筑限界要求[12-13],此时分叉柱对应的最小支撑角约为25°。结合表3中6组分析数据,当支撑角在35°～50°变化时,分叉柱轴力及梁跨中挠度值均在合理范围内,此时分叉式钢管混凝土柱与雨棚梁形成的结构体系可达到最佳状态,使得结构较为经济、合理。

4 结论

(1)包头站站台雨棚结合建筑造型采用分叉式钢管混凝土柱,既丰富了雨棚的造型,又有效减小了雨棚梁的跨度,使得雨棚屋盖用钢量显著降低。按雨棚投影面积计算,包头站站台雨棚不含雨棚柱的屋盖用钢量约为65 kg/m2(不含屋面系统次檩条),含雨棚柱的用钢量约为88 kg/m2,取得了较好的经济效益。

(2)包头站站台雨棚采用分叉式钢管混凝土柱与双向正交钢梁组成的结构体系,文中对雨棚结构分析和节点设计进行了详细的论述,对今后类似工程具有一定的参考价值。

(3)通过对不同支撑角下的分叉式钢管混凝土柱雨棚的受力分析,当支撑角在35°～50°变化时,分叉柱轴力及雨棚梁跨中挠度值均在合理范围内,此时分叉式钢管混凝土柱与雨棚梁形成的结构体系可达到最佳状态,使得结构较为经济、合理。

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Structure Design and Research of Platform Canopy at Baotou Railway Station

YAN Xiao-ming
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

The steel frame structure system,which consists of bifurcated concrete-filled steel tube columns and two-way orthogonal steel beams,was used in the platform canopy at Baotou Railway Station. In this way,the bifurcated concrete-filled steel tube column can provide more supporting points for the steel beam of the canopy,can effectively reduce the calculation span of steel beam of the canopy,and so can make the structure more reasonable.In this paper,the structure arrangement,structure analysis and the design of the main joints were introduced,and the mechanical behavior of the bifurcated concrete-filled steel tube columns was analyzed and researched.Finally,this paper come to a conclusion that if the supporting angle of the every bifurcated column ranges from 35°to 50°,the structure system, which consists of bifurcated concrete-filled steel tube columns and canopy beams,will be in a state of optimal mechanical behavior,and so will be the most economical and reasonable one in this kind of structures.

railway passenger station;station platform canopy;bifurcated concrete-filled steel tube column;steel frame;structural analysis;design of joint;supporting angle

TU248.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.026

1004-2954(2014)04-0110-05

2013-08-01;

2013-08-19

闫晓鸣(1981—),男,工程师,2004年毕业于长安大学,工学学士,E-mail:44869805@qq.com。