正线侧立柱铁路客站雨棚结构整体稳定性能研究*

张 涛 刘艳辉 董 诚 王 强

（1中国铁路经济规划研究院高级工程师，北京100844；2西南交通大学土木工程学院副教授，四川成都610031；3铁道第三勘察设计院集团有限公司教授级高级工程师，天津300251；4国家铁路局高级工程师，北京100891）

正线侧立柱铁路客站雨棚结构整体稳定性能研究*

张 涛1刘艳辉2董 诚3王 强4

（1中国铁路经济规划研究院高级工程师，北京100844；2西南交通大学土木工程学院副教授，四川成都610031；3铁道第三勘察设计院集团有限公司教授级高级工程师，天津300251；4国家铁路局高级工程师，北京100891）

近年来，国内外列车脱轨的事故时有发生，正线侧立柱的铁路客站雨棚的安全问题已引起铁路客站建设、设计工作者的关注。结合重点课题《铁路客站整体稳定性安全评价与研究报告》，对加强新建铁路客站雨棚结构的整体稳定性能与改善既有铁路客站雨棚结构的整体稳定性能，合理确定雨棚的结构体系及其抗连续倒塌的措施等进行了研究，为铁路客站雨棚建设、设计与相关设计规范修订等工作，提供必要的借鉴。

铁路；客站雨棚；结构；整体稳定性；设计原则；防护措施

0 引言

近年来中国高速铁路发展迅速，铁路客站具有人员密集、运输繁忙等特点，部分铁路客站列车通过速度高，有部分雨棚柱紧邻正线侧布置，雨棚结构安全成为铁路客站整体性能的重要组成部分。自21世纪以来，国内外发生了一些铁路安全事故，如2005年4月日本羽越线瞬时大风引起列车脱轨撞毁路边建筑物事故，2011年7月我国温州动车事故造成高架桥部分构件受损与人员伤亡事故，2012年2月阿根廷布宜诺斯艾利斯列车撞损车站站台事故，2013年5月美国马里兰州巴尔德磨货运列车与汽车相撞造成附近厂房塌落事故等[1]。因此需要高度关注雨棚的结构安全及整体稳定性能。

我国《铁路旅客车站建筑设计规范》第6.1.7条规定：采用无站台柱雨棚时，铁路正线两侧不得设置雨棚立柱，在两条客车到发线之间的雨棚柱，其柱边最突出部分距线路中心的间距，应符合铁路主管部门的有关规定[2]。但是，如果均不在正线侧布置无站台柱雨棚的结构柱，则会引起雨棚结构跨度、高度显著增加，工程投资相应增加，以及雨棚防飘雨效果下降等问题。因此，需要对正线侧立柱铁路客站雨棚结构体系整体稳定性进行研究，寻求合理的结构体系，加强其抗连续倒塌性能设计，以提高雨棚结构安全性，合理控制雨棚工程投资。

1 铁路客站雨棚结构风险点分析

1.1 雨棚结构的风险点

1.1.1 铁路运输方面

新建或在建铁路客站无站台柱雨棚在正线与到发线之间设有雨棚柱，由于车站列车通过速度较高(中小型车站站内通过速度有可能达到300 km/h及以上)，在轨道变形或损坏、列车部分零件磨损或设备故障等不利因素的诱导下，有可能出现脱轨事故而撞击到正线侧雨棚柱。列车从到发线一侧通过时，由于运行速度相对较低，脱轨后对到发线侧立柱雨棚的冲击损伤相应较小；而从正线一侧通过，由于速度较高，脱轨后将会对正线侧雨棚柱特别是站台外端雨棚柱造成较大损伤。因此，正线侧雨棚柱与站台外端的雨棚柱是铁路客站雨棚结构的第一类风险点（参见图1）。

图1 车站雨棚示意图

1.1.2 自然环境方面

我国铁路客站所处区域自然环境、气候特征各不相同，风荷载、雪荷载、积水（冰）荷载与温度作用差异较大。由于无站台柱雨棚结构跨度较大、高度较高，又采用轻质屋面板，以及屋脊与檐口等装饰构件多，其屋面边缘构件与悬挑构件承受较大的风荷载吸力作用，在遭遇大风或台风时，屋面构件存在变形大甚至脱落等安全隐患；在降雪地区，受客站高架候车室与侧式站房的遮挡影响，特别是北方客站部分雨棚屋面在阴面与高低屋面交接区域存在积雪或积冰现象，局部雪荷载、特别是积雪（冰）荷载较大；另外，雨棚屋面全年、全天温度变化大，屋面结构所承受温度与结构合拢温度的差值大，温度应力较大，对雨棚边缘结构柱的内力影响较大，这些因素也会给雨棚结构的整体稳定性能带来不利的影响。因此，雨棚风荷载、雪荷载与温度作用工况是客站雨棚结构的第二类风险点。

1.1.3 其他方面

铁路客站的人为破坏或恐怖袭击、轨道变形、列控设备失效等因素，有可能引发列车脱轨事故而撞击到正线侧雨棚柱，也对铁路客站雨棚结构带来一定的安全隐患。

目前，国内外对第一类风险点的研究资料十分缺乏，缺少相应的设计方法和防护措施，需要特别予以关注。

1.2 雨棚结构类型及其特点

1.2.1 雨棚结构类型

我国铁路客站无站台柱雨棚多采用钢管混凝土柱，屋面多采用钢张弦梁、钢桁架、实腹钢梁与钢网壳等结构形式，雨棚柱多设置在到发线之间和部分正线与到发线之间，呼和浩特东站等个别站也在正线之间设置雨棚柱。雨棚柱垂直轨道方向跨度多为21～43 m，顺轨道方向柱距多为18～24 m，至站台面高度多为15～18 m。

1.2.2 雨棚结构特点

钢张弦梁结构雨棚是近年发展起来的一种大跨度预应力空间结构体系，其结构轻盈、造型优美。雨棚钢张弦梁结构垂直轨道方向由钢管混凝土梁、拱或桁架上弦刚性构件，下弦高强度钢索或钢棒及连接二者的撑杆组成（见图2），顺轨道方向屋面多为檩条体系。雨棚区域结构多以垂直轨道方向的单向受力为主，跨度大、屋面较轻，需要重点关注屋面刚度与平面外稳定性，特别是其上弦结构的受压失稳、下弦构件的受拉断裂等问题[3]。

图2 站台、线路与雨棚示意图

钢桁架结构雨棚是由垂直轨道与顺轨道方向的圆形钢管构件组成的三角形或倒三角形屋面空间结构，其受力性能良好，外观造型优美。在垂直轨道方向，铁路客站雨棚区域结构柱呈现跨度大、数量多、屋面刚度大的特点，整体稳定性相对较好；而在顺轨道方向，由于受到铁路车场条件限制，不能设置该方向的雨棚柱间支撑、基础拉梁，部分车站还存在柱顶位置未设置顺轨道方向的钢桁架，而以屋面檩条代替钢桁架等问题，导致雨棚结构顺轨道方向约束较差、刚度较小，因此需要重点关注顺轨道方向的雨棚屋面刚度及其整体稳定性。

实腹梁结构雨棚的屋面梁跨越一个站台，其垂直轨道方向的结构高度、刚度较大，受力、变形性能较好，同样存在顺轨道方向约束较差、刚度较小问题，其结构用钢量也比较大。

如石家庄站采用钢网壳结构雨棚，其造型轻巧、结构刚度较大，且可利用屋面结构坡度解决排水问题，但存在柱顶水平推力较大、抗推刚度较差等问题。

2 铁路客站雨棚结构整体稳定性能

2.1 危险分区

国际联盟UIC777-2对列车速度不超过120 km/h的A类支撑高架结构，按结构构件外边缘与铁路中心线的距离小于3 m、3～5 m和大于5 m，将线路两侧区域分为三个危险分区。其中位于分区一结构要能够承受距轨面1.8 m顺轨道方向10 000 kN、垂直轨道方向3 500 kN荷载作用，分区二结构要能够承受距轨面1.8 m处顺轨道方向4 000 kN、垂直轨道方向1 500 kN荷载作用，分区三结构不需要考虑列车脱轨撞击作用。

欧洲结构规范EN1991-1-7规定：对分区一结构承受的作用力应根据具体项目进行风险评估，分区二结构要能够承受距轨面1.8 m处顺轨道方向4 000 kN、垂直轨道方向1 500 kN荷载作用，分区三结构不需要考虑列车脱轨撞击作用。

根据我国《铁路技术管理规程》规定：铁路客站雨棚柱外缘与正线中心线的净距不得小于2.44 m，与到发线中心线的净距不得小于2.15 m。考虑到铁路客站雨棚柱结构变形与施工误差等因素，一般车站雨棚柱外缘距线路正线中心线2.50～2.60 m，距到发线中心线2.20～2.25 m，属于分区一范围。

2.2 列车脱轨后姿态分析

经过对列车通过车站速度80～250 km/h、撞击角度10°～25°、车轮与道床摩擦系数0.1、0.2、0.5、1.0、2.0列车脱轨姿态模拟分析后可知：列车脱轨后呈现“蛇形”运动。列车刚脱轨时的动能耗散较小，有可能撞击相邻雨棚柱、站房结构柱，会产生较大的横向位移与横向撞击荷载；但滑行一定距离后，由于车轮的限位约束与车钩、道床的摩擦缓冲作用及非脱轨列车的拉拽作用，呈现“侧碰”脱轨姿态，此过程列车动能得到很大耗散。因此列车横向撞击速度是造成侧向碰撞中撞击力的最重要影响因素，脱轨列车主要为侧碰形式，顺轨道方向的纵向速度较大。其中冲击速度的影响大于冲击角度；车轮与道床摩擦系数越小，横向撞击荷载越大；铁路客站轨道层正线侧结构柱的最大横向撞击力、最大纵向撞击力可达4 MN和40 MN。

2.3 雨棚结构的冲击破坏特点分析

基于列车与客站雨棚结构撞击模拟试验与计算机仿真分析可知：当列车从到发线以最高时速发生脱轨后，一般不会使被撞击的雨棚结构柱失效，雨棚结构无明显破坏；当列车从正线以最高时速发生脱轨时，则可能造成不超过2根雨棚结构柱的失效，并引起相应支撑范围内雨棚结构的小范围局部倒塌，但受撞击雨棚柱相邻结构柱的轴力、剪力值仍在雨棚结构的承受范围内。

从构件层面分析，在正撞情况下，钢管混凝土柱可能会在柱脚位置发生弯曲破坏和剪切破坏。其中刚度较小的钢管混凝土柱多发生弯曲破坏，刚度较大者则多发生剪切破坏。在侧撞情况下，结构柱损伤较轻，仅发生局部破坏。

3 雨棚结构抗连续倒塌设计

3.1 设计原则

抗连续倒塌概念设计原则为：应保证雨棚结构具有足够的冗余度、明确的内力重分布与传力路径，支座附近加强区域杆件的应力比宜小于其他杆件的应力比。对钢桁架结构雨棚，要适当加强跨中弦杆与端跨腹杆的截面刚度，在柱顶或雨棚屋面洞口两侧设置顺轨道方向的纵向桁架，加强屋面水平支承与檩条等屋盖平面外构件连接的抗拉能力，连续檩条的端部宜采用刚性连接；对钢张弦梁结构雨棚，要适当加强张弦结构钢索及其锚固的连接传力可靠性，加强托架或纵向桁架的刚度及承载力以及檩条等屋盖平面外构件的抗拉能力，连续檩条的端部宜采取刚性连接；对钢网壳结构雨棚，要适当加强支座范围杆件的承载力与变形能力。

抗连续倒塌设计流程为：首先进行雨棚结构的风险评估，确定雨棚的可能失效或倒塌范围；其次进行雨棚结构的详细分析，进一步研究雨棚结构失效后的荷载重分布与传力途径的变化，落实雨棚结构可能的失效构件、关键构件以及必要的保护措施[4]。

抗连续倒塌设计措施为：对新建铁路客站临近正线特别是站场端部雨棚结构柱，应按最大横向撞击力4 MN、最大纵向撞击力40 MN进行雨棚结构的抗连续倒塌承载力计算与截面设计；同时尚需加强雨棚屋面结构体系的整体稳定性能，提高雨棚结构的赘余度，通过设置屋面变形缝与叉柱等措施，减少雨棚跨度，合理控制雨棚的破坏范围，减少偶然事件发生时对铁路运输的不利影响，以及雨棚结构修复的时间、工作量与工程投资。

对既有铁路客站应按最大横向撞击力4 MN、最大纵向撞击力40 MN作用，核算正线侧雨棚结构的承载能力与变形性能，通过现场检查、设计校核、结构整体稳定性评估等手段，研究分析雨棚结构的整体稳定性能。若不满足，应采用相关改善雨棚结构抗连续倒塌能力的防护措施。

3.2 抗连续倒塌措施

铁路客站雨棚结构的整体稳定性不仅需要通过结构计算来保证，还应考虑雨棚结构的初始缺陷、计算简图假定误差，采取合理的结构方案布置和构造设计[5]。对铁路客站线间立柱建筑物宜采取相应的防护、防撞措施，临近限界建筑物应进行结构变形计算，并计入施工误差后，必须满足铁路建筑限界要求[6]。

铁路客站雨棚结构宜按“抵抗、避免、保护、释放”四个层次采取相应的抗连续倒塌措施。其中“抵抗”指雨棚宜采用张弦梁结构、桁架结构、实腹钢梁等整体稳定性较好、传力途径较多的结构体系，风险点较大的雨棚结构部位应具备承受列车撞击荷载作用、变形的能力，建议优先采用钢桁架结构、实腹钢梁结构体系；“避免”指通过合理控制顺轨方向雨棚柱间距，适当减小各榀雨棚张弦梁、桁架、实腹梁的间距，加强雨棚结构屋面平面外的纵向联系，避免雨棚柱局部失效引起大面积雨棚倒塌；“保护”指车站到发线线侧特别是正线侧雨棚柱宜采取防护墙、防护墩或设置耗能释放构件，同时适当加大正线侧站台外端雨棚柱截面尺度等措施，来保证客站雨棚的结构安全；“释放”指按拆除构件法进行雨棚结构的抗连续倒塌设计，在不影响雨棚结构整体稳定性的前提下，通过合理设置雨棚结构变形缝，改善雨棚结构的传力途径与增加部分雨棚结构的赘余度等措施，将雨棚结构的失效与倒塌控制在一定的范围内。

4 铁路客站雨棚结构防护措施

4.1 防护墙

经过对厚度0.3 m、高度1 m、外贴6 mm厚Q235钢板的C20级钢筋混凝土防护墙，在纵向速度为166 m/s、横向速度为21.2 m/s条件下进行冲击仿真分析，相应的撞击力时程曲线如图3所示。

图3 防护墙冲击仿真示意图

分析结果表明，在铁路客站无站台柱雨棚沿正线两侧设置防护墙，短时间内可以迅速降低脱轨列车的横向撞击速度，从而有效抵御列车与墙体侧向碰撞条件下的冲击作用，可以在消除撞击车辆横向速度的同时，很好地引导车辆沿其长度方向继续运行，进而通过摩擦耗能继续降低脱轨列车的总动能，有效降低脱轨列车与雨棚结构二次碰撞的能量，减轻冲击作用。

防护墙应采用钢筋混凝土结构、条形基础，其墙体、基础设计要满足铁路建筑限界要求，基坑回填应满足铁路路基回填处理要求。防护墙宜采用C40级混凝土，墙体高度高于轨道顶部不宜大于1.8 m，厚度不宜小于0.3 m，外贴厚度0.06 m的Q235钢板，内部沿墙体布置双层配置不小于Φ8@200钢筋网,拉筋不小于Φ6@400；其基础埋深应满足冻结深度和结构抗侧力要求。

4.2 防护墩

经过对设置了防护墩的无站台柱雨棚进行冲击仿真分析（见图4），计算工况详见表1。根据计算的各工况耗能能力分析，在有可能失效的雨棚柱脚位置设置防护墩，可以至少提高26%的雨棚结构耗能能力，优化雨棚结构的受力模式，激发钢管混凝土柱自身的防撞击能力。其中大尺寸的防护墩将使雨棚结构仅产生大变形，而不发生大位移；箍筋的配置可以有限提高雨棚结构的防撞击能力，但增幅不大。

图4 防护墩冲击仿真示意图

表1 防护墩计算工况mm

防护墩可采用钢筋混凝土结构，选取高强度等级混凝土，其截面尺寸与高度应满足铁路限界要求。墩高不宜大于1.8 m，截面边长宜比雨棚直径每侧至少宽50 mm，竖向钢筋直径不宜小于20 mm、间距不宜大于200 mm，箍筋配箍率不宜小于1%、间距不宜大于100 mm。

4.3 耗能装置

新建铁路客站特别是既有铁路客站雨棚结构，若整体稳定性检算不满足要求，且加大雨棚柱截面尺度或改善雨棚结构抗倒塌性能又不具备条件时，可考虑在需要防护雨棚柱四周设置由外包钢板、软钢耗能器和刚性夹套连接所组成的新型耗能装置（见图5）。

图5 耗能装置示意图

5 结语

1）铁路客站雨棚结构安全成为铁路客站整体性能的重要组成部分，有必要通过寻找铁路客站雨棚结构的风险点，选择合理的结构体系，进行抗连续倒塌设计，同时采取必要的防护措施（防护墙、防护墩与耗能装置），提高或改善雨棚结构的抗撞击性能。

2）通过合理的设计和必要的监测措施，能够有效改善雨棚结构整体稳定性能，保障铁路运输安全。

京沪高速铁路、京广客专铁路、哈大客专铁路部分车站采用了正线侧立柱的铁路客站雨棚，武汉站、广州南站无站台柱雨棚柱底部也采用了一些防护措施（参见图6）。从铁路运营状况分析，这些雨棚结构安全，对运营影响较小，防飘雨效果良好，工程投资也比较合理。建议《铁路旅客车站建筑设计规范》编制部门，对铁路客站正线侧设置无站台柱雨棚柱的条文进行相应修改。

图6 部分国内客站防护措施的设置案例示意图

[1]铁道部经济规划研究院.铁路客站整体稳定性安全评价与研究报告（2012年铁道部部级重点课题）[R].北京：铁道部经济规划研究院，2014

[2]GB 50226—2007铁路旅客车站建筑设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007

[3]王秀丽.大跨度空间钢结构分析与概念设计[M].北京：机械工业出版社，2008

[4]胡庆昌，孙金辉，郑祺.建筑结构抗震减震与连续倒塌控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2007

[5]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2004

[6]TB 10621—2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014

（责任编辑：魏艳红）

In recent years,train derailment happens sometimes.Thus,the canopy stability of railway station with side column causes attention.In this paper,combined with the key project"in 2012 the Ministry of Railways Railway Station overall stability safety evaluation and Research Report",both the overall stability and improvement of canopy structure of railway station are researched,provides references for design,construction and relevant revision of railway station canopy.

railway;station canopy;structure;overall stability;the principle of design;protective measures

A

1004-9746（2015）04-0006-05

2015-07-10）

*2012年铁道部重点课题《铁路客站整体稳定性安全评价与研究》