铁路桥式车站轻型站台雨棚设计要点分析

2019-08-27樊轶江

铁道标准设计 2019年9期

樊轶江

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

站台雨棚作为车站旅客上下车避雨雪和遮阳的建筑物，随着铁路的发展其建筑结构形式也不断变化和更新，不同时期有着其显著的特点和应用意义，从时间上分大概可分为以下几个阶段。

第一阶段，我国铁路发展初期，受经济条件的限制，仅在省会、地市级城市的旅客站房设置站台雨棚，且多为现浇钢筋混凝土框架或预制板钢筋混凝土框架结构，大部分的小型客站并未设置站台雨棚。总体而言，最初的站台雨棚结构形式单一，仅最低程度上满足了部分旅客的需求，其个性化、人性化设计缺失。

第二阶段，随着我国经济的发展，我国铁路建设进入了一个快速发展的新时期。“站、棚、场一体化”的客站设计模式得到了设计者的青睐和铁路部门的认可，在此设计思想的指导下，2003年我国首次在扬州站采用了“无站台柱雨棚”的设计概念。这种新型雨棚覆盖整个站场，结构多采用大跨钢结构，结构轻盈、视觉通透，极大地改善了客运服务条件和旅客候车环境，充分展示了铁路客站的新形象。无站台柱雨棚结构形式变化多样，结构亦相对复杂，多采用大跨度钢结构体系，如空间钢管桁架、大跨张弦梁结构、单层空间网壳、门式刚架或框架体系等。

第三阶段，2010年至今，随着国家“十二五”规划的“基本建成国家快速铁路网”的成形，全国各地大、中型城市铁路旅客站房及大跨无站台柱雨棚也基本建成。此外，由于大跨无站台柱雨棚的投资和日常围护成本相对较高，对中小型站房而言，有站台柱的“小”雨棚更为合适。因而，原铁道部从实际形势出发，制定了针对新时期的站台雨棚建设指导意见。《铁道部关于加强中小型客站雨棚设计工作的通知》中指出，雨棚设计应遵循“安全、简洁、可靠”的原则，中小型客运站原则上采用有站台柱雨棚，不设置吊顶板；客运专线客站雨棚推荐采用钢管混凝土柱、钢梁、叠合屋面板的结构形式，普通铁路客站采用钢筋混凝土柱、混凝土梁板结构形式，桥式客站推荐采用钢柱、钢梁、单层压型钢板雨棚。

1 工程概述

随着西部铁路、特别是城际铁路的建设，出现了大量的桥式车站站台雨棚，如宝兰高铁东岔站站台雨棚、西成高铁佛坪站站台雨棚、成兰铁路高川站站台雨棚等。

作为桥式车站站台雨棚，雨棚柱嵌固于桥纵梁(箱梁或T梁)顶面，为了减轻下部桥梁结构的荷载和方便现场施工，就要求上部雨棚的结构具有轻质、可现场拼装的特点。因此，结合《铁道部关于加强中小型客站雨棚设计工作的通知》的相关精神，该类桥式车站的站台雨棚多采用钢管柱、钢梁及单层压型钢板屋面组成的轻型结构体系。

桥式车站站台雨棚的形制和结构类型相对单一和稳定，但由于位于桥梁结构顶面，又是单层压型钢板屋面体系，有其自身的特点和难点。若设计过程中不引起重视，会造成结构设计过于保守或偏于不安全，有些因构造不合理而引起屋面漏雨甚至装饰板脱落等现象，严重影响旅客和行车安全[1]

结合宝兰高铁东岔站站台雨棚工程(图1)，自然条件如下：抗震设防烈度8度(0.2g)，建筑场地类别Ⅱ类，设防地震分组第三组，场地特征周期0.4 s。从风荷载取值、地震作用到雨棚柱脚、檩条设置，再到屋面构造等内容进行要点分析，对保证工程质量、提高效率、节约资源、降低成本和促进行业发展都发挥着积极的意义。

图1 宝兰高铁东岔站站台雨棚

2 主要设计要点分析

2.1 风荷载取值

一般来说，建筑造型越不规则，绕流现象越难描述，建筑群布局越复杂，相互之间的干扰影响就越强，流动就越紊乱，而结构越轻薄，风致动力问题就越突出[2-3]。对于桥式站，站房一般设置在桥梁下方，站台雨棚位于桥梁之上，两者的相互干扰相对较小，但由于站台雨棚高度较高，受周围建筑群的附着效应低，其风致振动严重，特别是对于雨棚这种长而薄的大尺度飘篷悬挑结构，由于涡脱可能还会产生风致颤振[4-6]。

列车风是铁路客站风致作用的重要组成部分之一，一般指列车高速通过时引起的空气流动及其交变作用，铁路客站由于站场建筑的遮挡效应，列车风在一定范围内可对其产生扰动作用。对于桥式车站轻型站台雨棚结构，采用开敞式的站场布局，和隧道相比，列车过站时产生的气流容易扩散，风压影响相对减弱。但列车高速过站产生的车头瞬时压力和尾流吸力仍然对线侧建筑存在影响，已有研究表明，由此在雨棚表面产生的平均风压超过0.1 kN/m2，和轻型雨棚的围护材料每平方米自重基本相当，随着雨棚高度减小，列车风在其表面产生的风致作用还会进一步加大[7-8]。因此，列车风对轻型屋盖客观上存在着影响，且随着车速大幅度提升，影响还会进一步加大。国际铁路联盟为此规定采用最大正、负压力荷载+qδ和-qδ来代替站台雨棚表面的动态风压作用，其影响范围规定为5.0 m。

综合上述因素，在桥式车站轻型站台雨棚的设计过程中，风荷载取值建议按以下原则选用：

(1)基本风压按100年一遇进行取值；

(2)地面粗糙度一般取B类，对于山区等设置于坡顶的桥式车站站台雨棚宜取A类；

(3)确定风压高度变化系数时，离地面或海平面高度取值不低于20 m；

(4)风振系数按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[9]取值，但其值不应低于1.8；

(5)雨棚表面的体型系数按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》取值，但应考虑风荷载的敏感性；

(6)在风荷载计算值的基础上尚应考虑±0.1 kN/m2的列车风影响。

2.2 地震作用

桥式车站站台雨棚位于站台梁上，下部桥梁为混凝土结构，构件的截面大、刚度大，而上部雨棚为钢结构，构件的截面小、质量轻、刚度小，两者的结构受力性能完全不同。因此质量和刚度上的较大差异，在竖向上形成了不规则的“下刚上柔”的结构形态，其典型剖面和计算简图如图2所示。

图2 桥式车站站台雨棚典型剖面及计算简图

对于地震作用下，此种性能结构形式研究美国规范与欧洲规范[10-11]仅仅给出计算原则；吕凤伟、赵福顺[12-13]采用试验与理论对下刚上柔结构地震作用的规律探讨；DG/TJ08—2059—2009《轻型木结构建筑技术规程》及熊海贝、何敏娟[14-16]等对上柔下刚结构的放大系数给出建议值。GB50011—2010《建筑抗震设计规范》 (2016年版)[17]的要求，对这种有刚度突变的混层结构体系，应采用振型分解反应谱法和时程分析法进行多遇和罕遇地震作用下的抗震计算[18-19]。

根据上述研究以及考虑铁路沿线雨棚的特殊性，因此对于地震作用下，此类混层结构体系存在地震能量集中的现象，上部雨棚的地震力可近似按下式计算

F=1.2×(H1/H2)×F1

(1)

式中，F为雨棚刚架的水平地震力；H1为下部桥梁桥墩的高度；H2为上部雨棚的高度；F1为位于地面处雨棚刚架的水平地震力。

2.3 整体式雨棚柱柱脚构造

桥式车站站台雨棚柱嵌固于站台梁顶，考虑到站台梁为预制构件(截面常为T梁或箱形梁)，采用常规的预埋地脚螺栓的方式很难控制螺栓的位置，给后期雨棚柱的安装带来较多不便。工程中结合预制站台梁的截面特点，提出了整体式雨棚柱柱脚构造，即仍采用外露式柱脚形式，但柱脚与站台梁结构整体浇筑。由于雨棚柱柱脚部分是在工厂进行加工制作，故而更容易精确定位。雨棚柱拼接点设置在桥顶面高程以上600 mm处，便于后期对接焊接。现场安装过程中，要求对雨棚柱柱脚垂直度、中心位置进行复测，以确保雨棚柱的垂直度。

整体式雨棚柱柱脚构造及建成后效果分别如图3、图4所示。

图3 整体式雨棚柱柱脚大样(单位：mm)

图4 建成后整体式雨棚柱柱脚

2.4 屋面檩条体系

传统站台雨棚屋面檩条间的平面外支撑多采用拉条或角钢，且分上、下两层布置。按现行规定要求，雨棚不设置吊顶，因而传统檩条交错复杂的支撑体系一定程度上影响了站台雨棚的美观；另一方面，传统檩条间拉条要求进行预拉紧，但受施工条件及操作人员的影响，往往张紧不到位，不能起到很好的支撑作用，直接影响到檩条平面外的稳定安全。

结合桥式车站轻型站台雨棚的特点，提出刚性檩条支撑方案，即采用与檩条等高的H型钢设置于檩条跨中或三分之一点，作为檩条的平面外支撑。优化后的支撑方案受力明确，在腹板上设置均匀布置的装饰孔，尚可起到装饰的功能。优化前后的檩条支撑布置方案如图5所示，建成后东岔站站台雨棚檩条支撑方案效果如图6所示。

2.5 屋面构造及节点大样

目前，对于单层压型钢板雨棚屋面的建筑构造作法较多。但在已往的设计中，有些构造交待不明，给施工造成不便；有些因构造不合理造成屋面漏雨，严重者会出现檐口板脱落等现象，直接影响了旅客和列车运营安全。因此，借鉴已有的研究成果[20]并结合实际工程，对桥式车站轻型站台雨棚屋面的构造进行分析，从金属屋面板板型选用、板面连接、屋脊、檐口等细部节点入手，构造出相应的工程作法，以提升站台雨棚的美观和安全性。

图5 优化前后檩条支撑布置方案示意(单位：mm)

由于屋面采用单层压型钢板，对风荷载(包括列车风)较为敏感，因此屋面板宜选用基板厚度稍大的高波板(大于70 mm)，如W600型屋面板。其板宽600 mm，板肋高145 mm，采用固定支架与檩条进行连接，具有较强的抗风能力，亦可承担一定的屋面检修荷载。为了保障后期维护人员的安全，屋面尚应设置防坠落装置。