雨棚结构设计钢结构)pdf

　　维普资讯 · 房屋建筑 · 济南站大跨度钢结构风雨棚结构设计 赵建强 (中铁济南勘察设计咨询院有限公司，济南 250001) 摘 要 ：介绍济南站风雨棚设计过程 ，重点介绍钢结构方案比 形通过节点连接起来的空间结构，根据空间形状分为 选、结构计算模型及参数、施工组织方案。 网架及网壳两种形式。该结构及形式优点有：①空间工 关键词 ：铁路车站 ；风雨棚 ；钢管桁架；结构设计 作，传力途径简捷 ；②重量轻，经济指标好 ；③刚度大， 中图分类号：TU24 文献标识码 ：B 抗震能力好；④杆件、节点比较单一，工厂加工、现场施 文章编号：1004—2954(2006)07—0087—03 工安装简易便捷；⑤造型丰富多彩。目前，网格结构已大量 用于体育场馆、工业生产厂房、机场等建设项 目。 1 概况 由于本工程要求站台间股道上空开敞，便于内燃 机车排烟，而网格结构要求杆件满布，镂空部分杆件较 济南站位于京沪、胶济两大铁路干线的交汇点，为 多，观感较差。本工程网架方案：网架高度 5m，上下 华东地区重要的铁路交通枢纽，客流量很大。全路第 弦网格尺寸均为6m。网架用钢量约为78kg／m 。 6次大提速要求，胶济线)钢管桁架结构方案 而济南站现有站内设施 已不能够满足动车组的要求 ，贯 钢管桁架结构是由多根杆件分为弦杆和腹杆按照 彻舒适、快速、以人为本的服务理念 ，站台及相关站 内 弦杆贯通，采用相贯节点连接起来的空间结构，根据空 设施的改造势在必行。 间形状分为平面桁架及空间桁架两种形式。该结构形 济南站风雨棚工程总建筑面积41000m ，其 中风 式优点有：①节点形式简单，结构外形简洁、流畅；②刚 雨棚覆盖面积38000m 。设计采用 18榀南北向刚架 度大，几何特性好，钢管抗压抗扭性能好 ；③节点处摒 作为竖向承载结构，其中水平构件为钢管桁架梁，竖向 弃传统连接构件 ，各杆件直接焊接，施工便捷简单，节省材 构件为格构式钢管混凝土柱。每榀刚架均为单跨，其 料；④有利于防锈与清洁维护；⑤圆管截面流体动力特 跨度随线m不等，纵 向间距高架候 性好，对于风荷载等作用效应远低于别的形式。 车室东西两侧分别为 24m及 22m。建筑整体设计一 近年来，钢管桁架结构得到了广泛的应用，特别空 跨飞越南北，宏伟壮观，为路内第一跨度风雨棚，建成 间桁架结构即三角形截面，它提高了侧向稳定性和扭转 后将成为济南站乃至旁边的环境一大景观。 刚度 ，已成为体育场馆、会议、展览、机场等建设项 目的 2 结构方案 主流结构及形式。北京站及北京西站、沈阳北站、昆明站、 南京站无站台柱风雨棚工程都采用了这种结构及形式。 2．1 方案比选 钢管桁架结构对相贯线切割及焊接工艺技术要求较 济南站站场由于线m， 高，加工难度相对较大，目前专业钢结构公司大都引进 Ⅱ、V、Ⅷ股分别为胶济、京沪正线，即每两站台间均有 了五维数字控制机床等设备，克服 了缺点。 货物列车通过，根据现行 《铁路作业规程》关于限界的 根据本工程特点，钢管桁架主结构跨越股道，纵向 规定，线m正线限界要求。因 采用檩条满足铺板要求。因此，能够使用取消局部檩条 此，确定如下方案：拆除既有站台雨棚 ，仅在基本站台 达到股道上空开敞的要求，开敞处除每榀柱上外露主桁 靠近站房处和 10股线路外侧设柱，上部结构一跨横贯 架结构外看不到其他构件。本方案经优化设计后，主桁 南北，屋面为彩钢板，局部采用玻璃采光天窗。根据济 架采用变截面，截面高度端部为6．5m，跨中为4．5m，建 南站风雨棚改造工程的实际调查研究，结构设计小组 筑总高度约为22．5m。用钢量约为87ks／m 。 认为解决 109m大跨屋盖的结构及形式有如下几种。 (3)张弦梁结构方案 (1)网格结构方案 张弦梁结构 由3类基础构件组成，即可 以承受弯 网格结构是由多根杆件按照某种有规律的几何图 矩和压力的上弦刚性构件 (通常为梁、拱或桁架)、下 弦的高强度拉索 以及连接两者的撑杆，受力特点是弦 收稿 日期 ：2006—02—15 作者简介 ：赵建强(1974一)，男 ，工程师，1996年毕业于北方交通大学。 通过撑杆对梁进行张拉。根据空间形式的不同，可分 为单 向、双向、多向、辐射式张弦梁结构。该结构及形式 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2006(7) 87 维普资讯 房屋建筑 · 赵建强一济南站大跨度钢结构风雨棚结构设计 · 优点有：①结构及形式简洁，富于建筑表现力；② 各构件充分的发挥 自身特点；③结构截面尺寸 小，节省材料。上海浦东国际机场航站楼工 程、广州国际会议展览中心均采用了这种结构 形式。 张弦梁结构整体高度较大，本工程跨中最 高处撑杆长度约 10m，为保证净空要求，屋面结 构最高点距轨顶约26m，高出高架候车室，影响 既有建筑的形象 。屋面拉索 由于为柔性结构。 不易做吊顶，构件外露，与电力接触网、通信信 号设备 吊挂冲突，屋面下构件繁多，观感较差。 本方案为：桁架高度3m，檩条及铺板同普通管 桁架方案。本方案每m 用钢量约为73kg。 图1 钢桁架结构平面布置 (单位：m) (4)悬索或斜拉结构方案 悬索结构通常由悬索系统、屋面系统、支承系统3 部分组成。根据空间形式 的不同，可分为单层 、双层 、 预应力及悬索与其他结构及形式组合的新型结构体系。 斜拉结构通常由拉索系统、屋面系统、支承系统 3部分 图2 刚架剖面 (单位 ：mm) 组成。该结构及形式优点有：①结构及形式简洁，富于建筑 土作为竖向受力杆件，管 内灌筑 C40微膨胀混凝土， 表现力；②拉索可充分利用钢材强度，采用高强度钢材 钢管间中心距为 1800mm，柱式见图3。受建筑场地 时，可以大大减轻结构 自重；③结构 自重小，结构对 吊 所限，柱下采用单桩方案，桩为4,2500mm挖孔灌筑端 装要求较低。 承摩擦桩，桩端持力层为中风化辉长岩，桩长约 15m， 由于跨度较大，使得结构的竖向自振频率比一般 单桩竖向承载力特征值为3000kN，水平承载力标准 建筑低 ，因而对脉动风压的周期性低频激励易引起共 值为 2150kN。 振效应，表现为结构竖向振动的加大，引起较大的结构 附加内力，这在悬索结构等柔性结构体系中尤其显著。 另外，悬索及斜拉结构的刚度较小，拉索为受拉单元， 在风荷载等反向荷载作用下拉索将失去作用，构件变 形过大，超出规范允许挠度值。沈阳北站采用屋面铺 预制混凝土板增加配重措施解决。同时，拉索施工需 精确控制拉应力，施工难度相对较大。 由于现场空间狭小，不具备悬索及斜拉结构索锚 固条件 ，索的张力均需两端立柱提供 ，且要求柱高较 田3 格构柱示意 (单位 ：mm) 大。经验算，柱截面高度很大，基本站台占用较大，影 响观瞻，且 1O股外侧则不具备立柱条件。 (2)水平承载体系 由于悬索或斜拉结构的分析设计理论与常规结构 水平承载体系按传力层次依次为屋面板、檩条、横 相 比较为复杂，一般施工单位没有相关施工经验 ，专业 向钢梁、纵向次桁架、横向主桁架。 悬索施工单位较少 ，施工难度相对较大。 横 向主桁架采用稳定性好 的三角形断面 ，由于本 纵上分析，根据现场条件，笔者认为钢管桁架方案 工程为开敞结构，根据荷载规范及风洞试验结果，风荷 技术相对成熟，施工方便，造型美观，质量易于保证，经 载作用于屋面的控制荷载为上吸力，其作用值大于 济指标相对合理，综合指标较优 ，决定采用钢桁架结构 “恒荷载 +屋面活荷载”，因此确定采用正放三角形断 方案。结构布置见图 1。 面，而不是常见体育建筑等封闭结构采用的倒放三角 2．2 结构体系 断面。经验计算，这种断面具有变形较小、杆件连接比 本工程采用格构式刚架。结构简图如图2所示。 较简单、用钢量经济等优势。 (1)竖向承载体系 根据建成及在建各站使用 H型钢檩条 的经验及 风雨棚格构柱采用46450mm ×16mm钢管混凝 教训，同时为增加结构空间刚度 ，减小檩条跨度 ，本工 88 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2006(7，) 维普资讯 赵建强一济南站大跨度钢结构风雨棚结构设计 · 房屋建筑 · 程采用增加纵向次桁架、横向钢梁，最后再铺檩条的结 净空高度进行了调整，使其最低点距轨面 10m，最高 构方案。纵向次桁架同样采用三角形截面钢管桁架， 点距轨面 16m。 以主桁架下弦节点为受力点，次桁架间距为主桁架两 雨棚结构高度进一步优化后采用变高度 曲线m。主次桁架间除次桁架伸缩缝外均 面。跨中截面高度为4．5m，端部截面高度为6．5m， 为相贯连接。纵向次桁架平面内平面外刚度较大，为 除端部外，基本满足铁路平板车运输条件。根据北京 施工吊装创造了较好的条件，也是主桁架间重要的纵 站、北京西站、沈阳北站 的经验，可采用端部临时割掉 向刚性系杆。 下弦杆的方式满足平板车运输条件。 具体结构构件尺寸如下： (5)屋面系统 主桁架正放三角形底边尺寸为 3m等宽，截面高 屋面支撑采用张紧4,16mm钢绞线，仅于每侧雨 度端部为6．5m，跨 中4．5m，其 中上弦杆为矢高5m 棚两端开间及 中间开间设置 ，在满足结构整体稳定的 的圆弧，下弦为矢高7m的圆弧。为满足建筑立面及 条件下。节约用钢量 。 节约材料，施工简便的要求，横向各轴桁架以最大跨沿 针对大跨度钢结构雨棚的特点，借鉴已建成的类 中心线投影所得，达到各榀桁架腹杆通用的效果，可以 似结构屋面的经验，考虑到将来的维护费用及高空作 大大提高钢结构加工速度 ，提高加工及安装质量。主 业的安全及难度 ，该工程采用高强耐腐蚀的镀铝锌钢 桁架上弦杆管径跨 中为 4,402mm ×20mm，端部为 板直立接缝机械锁边屋面系统以及与之配套的檐口收 4,402mm ×16mm；下弦杆管径跨 中为 24,402mm ×16 边及防水节点设施和屋面采光系统，从而解决了因钢 mm，端部为24,402mm×20mm，腹杆分别为4,377mm、 材的腐蚀导致屋面的漏水问题，也减少了屋面的频繁 4,273mm、4,140mm、121mm不等。 维护与维修工作。 钢管混凝土格构柱44,450mm×16mm，腹杆分别 (6)柱间支撑 为~b402mm、4,325ITIITI、4,273ITIITI。桁架与钢管混凝土 柱间支撑于每侧雨棚两端跨及中跨，即屋面支撑 柱相交处设置4,402mm钢管斜撑 。 对应跨设置。 次桁架为等截面正放三角形桁架，底边尺寸为宽 3 结构计算分析及参数 0．35m，截面高度为 0．9m。为保证屋面平整，次桁架 采取预拱措施 (预拱40mm)。 3．1 设计依据 次桁架上沿横向铺 H型钢钢梁，间距4～5m。 (1)结构安全等级一级，设计使用年限50年。 采用焊接 H型钢作为檩条，兼作建筑 吊顶主龙 (2)本工程抗震设防烈度为 6度 ，设计基本地震 骨 ，根据吊顶及屋面铺板 的要求 ，檩距不大于 1．5m。 加速度值为0．05g，设计地震分组为第二组，水平地震 檩条现场接长拼接采用高强螺栓等强连接。上铺压型 影响系数最大值为0．04，建筑场地类别为 Ⅱ类，特征 镀铝锌钢板，下面设龙骨，采用彩钢板 吊顶。 周期值为0．4s，建筑结构阻尼比0．05。 主要承重结构钢材均采用Q345B低合金高强钢。 (3)基本风压为0．45kN／m ，地面粗糙度 B类。 (3)节点连接方式 鉴于风雨棚的结构重要性，为确保结构安全，委托国内 根据结构试算及向专家咨询的意见 ，为减小雨棚结 设备及技术较先进的同济大学风洞实验室对本工程进 构高度，保持桁架跨度范围内弯矩绝对值尽可能小，因 行了风洞实验。实验结果表明，风雨棚屋面曲线平缓 此 ，桁架梁与格构柱连接保持刚接 ，柱脚与桩基为刚接。 及股道上空开敞等因素对结构抗风非常有利 ，结构对 桁架梁与格构柱铰接可较好解决温度应力问题， 全周24个方向风荷载均不敏感，各测点的点体型系数 即为 “放”，但铰接将造成跨 中弯矩大，结构高度大，结 均小于 《建筑结构荷载规范》(GB50011—2002)规定 构变形大。刚接意味着 “抗”，跨 中弯矩小，结构高度 数值，因此采用规范数值是安全的。 小，结构变形小，能充分发挥高强钢材的力学性能。温 (4)基本雪压为0．30kN／m 。 度应力作为荷载作用于结构 ，由于结构起拱 ，对温度应 (5)屋面活荷载为0．50kN／m 。 力有所缓解 ，经多次核算，温度应力增加用钢量不超过 (6)根据济南地区气候资料，温度荷载考虑桁架合 10％，而且随结构优化后结构用钢量减少和刚度降低 ， 龙施工时温度与使用过程中温度的最大差值为 ±30℃。 温度应力效应相应减小。 (7)工程场地所处地貌单元为山前冲洪积平原， 纵向通过次桁架断开，铰支于主桁架，从而满足温 由于修建铁路、站房建设等活动，原地貌形态有所改 度伸缩区间长度的要求。 变。表层为约2．0m厚杂填土，向下依次分布素填土、 (4)雨棚高度 粉质黏土 、姜石土 ，下卧全风化辉长岩、强风化辉长岩 、 根据部工程鉴定 中心评审意见要求 ，对雨棚 吊顶 中风化辉长岩。 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2006() 89 维普资讯 · 房屋建筑 · 铁路南京站改造工程优化设计 钱桂枫 (上海铁路局总工程师室 ，上海 200071) 摘 要 ：介绍南京站改造工程设计优化 的内容，提 出铁路客站 以及景观广场组成。新建南京站站房和站场改扩建工 建设 “以人为本”的细节要求和具体做法。并根据工程实践得出 程由铁道部、江苏省、南京市共同投资兴建，由上海铁 新时期建设铁路客站的几点启示。 路局负责建设实施 。站房按每小时集聚 1万名旅客设 关键词 ：铁路客站 ；设计优化 ；以人为本 计，主站房总建筑面积4．1万 m ，配套新建地道、天桥 中圈分类号：TU248．1 文献标识码 ：B 等跨线设施。南京站站场改造扩建包括新建无站台柱 文章编号：1004—2954(2006)07—0090一O3 雨棚，增建第四站台以及既有线路、站台与相关的站场 设备改造等。 1 概况 2 建设过程 南京火车站连接津浦、沪宁、宁芜、宁启等主要干 铁路南京站改造工程是 2000年开始进行可研和 线，是华东铁路枢纽的重要客运站。老南京站兴建于 方案设计的，2002年6月开工建设站前广场和新建站 1968年，随着客货运量的增长，宁启、宁西线月开始全面进行站场改造。由于设 接发列车能力无法满足客运作业 的要求，有改造扩能 计方案早，分阶段实施 ，因此总体设计思想、设计理念 的需要。铁路南京站改造工程按照实施主体和实施时 有进一步提升的需要，前后阶段深化设计也有优化衔 间段划分为3个部分：车站站前广场改造、车站新建站 接的要求 。按照铁道部党组提出的 “以人为本，服务 房和车站站场改扩建。 运输、强本简末、系统优化、着眼发展”的铁路建设理 站前广场改造工程 由南京市政府独家投资并负责 念，和铁路站房建设要综合体现 “功能性、系统性、先 建设实施，总面积 3．6万 m，由高架平台、两侧高架桥 进性、文化性、经济性”的原则要求，经过优化，目前已 建成的南京火车站展示了良好的形象，得到了广大市 收稿 日期：2006—0l一23 作者简介 ：钱桂枫 (1964一)，女，高级工程师。1988年毕业于东南大学 民和旅客的肯定。 土木工程系，工学硕士。 3．2 计算模型 4 结论 本风雨棚工程采用空间桁架模型进行计算，钢管 混凝土柱整体建模，作为桁架弹性约束，线)作为路内跨度最大的站台风雨棚，大跨度钢 结构工作状况 。综合恒载、活载、风载、雪载、地震荷载 管桁架结构用于既有站 由于线间距、运能等因素无法 等各种组合，选取最不利组合内力对构件进行验算，确 实现线间立柱的结构及形式，经理论论证、计算分析、模 保结构安全。计算采用同济大学3D3SV8．0进行辅助 型试验等证 明是可行 的。 设计，同时采用 PKPM空间结构分析模块进行校核。 (2)大跨度钢管桁架空间结构体系必须采取如设 经计算，结构 自振周期、挠度、变形等参数均符合规范 立纵向次桁架等可行措施加强平面外刚度及设置屋 要求。 面、柱间支撑 ，确保空间结构整体性 。 3．3 设计计算 (3)大跨度结构应采取了合理屋面形式，减少风荷 设计考虑恒载 、活载 、风载 、正负温度荷载、地震荷 载等外因的不利影响。 载各种组合，经计算分析结构应力及稳定验算主要有 参考文献 ： 以下2种工况组合控制：1．35恒载 +1．4×0．7活载 + [1] 蓝 天。张毅刚．大跨度屋盖结构抗震设计 [M]．北京：中国建筑 1．3×0．7负温度荷载；1．0恒载 +1．4风载。在考虑 工业出版社，2000． [2] 周学军．《钢结构设计规范》(GBS0017)应用指导 [M]．山东：山东 活荷载时，考虑半跨布置及不利组合 。 科学技术出版社，2004． 3．4 计算结果 [3] 李星荣，魏才昂，丁峙崛，李和华．钢结构连接节点设计手册[K]． 位移、强度分析均能满足规范要求。 北京：中国建筑工业 出版社，2005． [4] GB50017~2003，钢结构设计规范[s]． 铁道撂准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2006()

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