汉口火车站大跨度钢结构无站台柱雨棚结构设计

汉口火车站大跨度钢结构无站台柱雨棚结构设计 文章编号,,,,,,,,,,,,:,,:,:,,,:, ,,, 汉口火车站大跨度钢结构无站台柱雨棚结构设计 杨劲 ,中铁第四勘察设计集团有限公司,湖北 武汉 , ,,::,, 摘要,设计了汉口火车站无站台柱雨棚,着重阐述了其结构布置和受力体系对结构在各种荷载工况下进行了计算 ,通过优化雨棚的拱轴曲线,得到了最合理的拱 轴 线,从而有效降低刚架梁截面高度计算分析了温度作用对 ,,超长大跨度拱结构的影响,结果明温度荷载对刚架和基础均产生较大内力从特征值屈曲和非线性屈曲两个方 , 面,对结构的整体稳定性进行了分析,分析表明大跨度拱结构具有良好的稳定性和承载能力, ,,,,关键词无站台柱雨棚合理拱轴线温度作用屈曲分析 ,中图分类号 文献标志码 ,,,,,,,,, ;,;,,,:,,,,,,,,,,;;,,,,～:,～,,,,:,,,,,:,,,::,～,, ,,,, :,,::，,,，:～,,,,,,:, ,,,,,,!!, ,,，,，,, ,,,,,,:～,,,,,,,,,,,～,,,～,,;,,,,;,,,,:～::,，,,,,～～,,,,::,,:～,,,, !!!, ,,,:,,,,,～,,,,:,:,:～,,,,::，,,，:～,,,,,,:,,,:,～,,,,,:,;;,,::,,,,,:;;;:,,,,,,,,,,,,,,,,,,!!! ,, ,～,,～,,,,～;,～:～,,::,:,,,,:,,,,,;,;;,;,,～～;::,,,,,,,,～;,～:～,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,,!, ,,, ,,;～,,;,;;,:,,,::,,,,:,,～; ,:,;,,:,,,;:～,,～;::,,:,;:;,;,,～:～ ::,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,, ～～,,;:;,,;,～;::,,,;::,,～;:,;;,;,, ;;:,;,::,,:,,;,～,,～:,～,～; ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,～,;,,,～,;,:,,,,,;,,,,:,,,;,,,;,,,,,:,:;,,,,～;,,,,,,,,;,,,,:～,,,,,:,,:,,～;,～;,,,,;,,, :～,,,,,,,,,;,,～:～;,,～;,～:，,,,,,;,:,:～～;:～,;::～,,:;,:,,～;,,,,～;,:,,;,,,～;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!!, , ,,～;;,;,～:～,,,,,,～,;,,,～;;,～,,～:,～,,:～,,,,,,,;,,:,,::,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,!!!,, ,,～;,,,;,,,,,:～,,,～:,～,;,,;:～,,,,,,,,, ，;,:,,,,:,,,,,:,,,::,～,,:,,:,;,,:,,,,;,,,,:,,,,!,!,,,,,～,,～,:,,～，,,,,,,:,;;,,,;:,:,,,,,, !, , 速度为,建筑场地类别为类,场地特征周期为汉口火车站位于武汉市汉口金家墩为既有火车:,:, ,? ,,,站原站经过多年的使用其规模和功能已无法满 抗震设防类别为丙类设计地震分组为第一组,,::,,,,, ,年对汉口站进行改造改造后的汉 ,,::,足使用需求, 基础设计,万 原既有雨棚拆除新建 , ,,,,,,口站总建筑面积为 ,,,,建筑总面积万 ,,,,,无站台柱雨棚位于高架站房两侧工程基础设计等级为丙级桩基安全等级为 ,,,,分为东西两块西侧雨棚长度东侧雨棚长 ,,,,,,,,,,,二级经比较采用钻孔灌注桩桩端持力层为层,, ,,车站站场设座站台条股道线新建无 ,,,,,,,,,,度粉质细砂,桩径,有效桩长,承载力 , ,:::,,,:,,台线总跨度结构平面 ,,,,,,,,, ,,站台柱雨棚跨,特征值不小于 抗拔承载力特征值 ,,::，，,,:: ,标准轴结构剖面见图,,, 布置见图桩长按有效桩长和进入持力层深度不小于 ，，,, , ,工程的结构设计基准期为设计使用年限为,:, ,的原则双控边跨柱下采用四桩承台各中柱下采用 ,,,,安全等级二级抗震设防烈度为度基本地震加,:,, ,,桩间距不小于倍桩径以使双向均充分, 三桩承台 收稿日期,,:,,:,,: ,,,,,,,,,,,作者简介杨劲,,,,男高级工程师一级 注册结构工程师从事土木工程结构设计与研究,,,::,,:,, ,,，,,,!,,!～::,::,,:,, 武汉大学学报,工学版, 第卷 ,, ,,, ,,图雨棚结构平面布置图 , ,, ,,图雨棚结构剖面图 ,,, ,,,,,,,且不小于格构柱柱外侧皮尺寸取考虑 径利用桩的承载力同时基础亦具有足够抗弯刚度使,,, ,, 柱底满足嵌固条件到通过栓钉将柱底压力和弯矩传递给承台需一定的 , ,,,,,传递长度且不能完全充分地传递在格构柱各分 ,考虑到多拱结构中柱柱底以轴力为主弯矩和剪 ,,柱底板下设置锚栓由锚栓和栓钉共同承担柱底反 力较小采用外露式刚接柱脚边跨柱弯矩和剪力均 , ,,, ,力采取此能减短钢柱埋入深度且传力直接较大柱脚采用埋入式刚接柱脚钢柱伸入承台内并 ,, 更经济安全中柱和边柱柱脚详图分别见图和,,,,, 在 柱 上 设 置 栓 钉 伸 入 承 台 深 度 不 小 于倍 柱 管, 雨棚中柱柱脚详图 雨棚边柱柱脚详图 图 图 ,, ,,方向典型柱距 局部 根据建 筑 要 求 和 ,: ,,, ,, 主体结构分析和设计, ,,结构特点横向主刚架采用了钢结构矩形桁架弧椭 ,,圆拱梁 和 直 立 格 构 柱 直 立 格 构 柱 的 单 肢 ,，,,主体结构的布置 ,,, 同桁架拱梁的下弦相切连接,,,, 雨棚 的 基 本 柱 网横 向 垂 直 股 道 方 向 为 纵向在柱顶设置矩形桁架,屋面采用的高频焊,,纵向顺股道 ,,,,, ,，,,,: ,，,,,: ,，,,,: , 第期 杨劲,汉口火车站大跨度钢结构无站台柱雨棚结构设计 , ,,, , ,,接工字钢檩条 设置 在 拱 桁 架 的 上 弦 平 面因 结 总体来看汉口火车站雨棚的表面风压比较 ，, ,，，,, ,,,构横向跨度甚大除了在柱顶设置纵向桁架外其余 低对雨棚上表面来说几乎所有风向角大部分区域 , , 未设置纵向刚架为了减少拱桁架平面外计算长度,,,都不出现正压仅在靠近中间高架站房处在顺轨道 ,,,将部分檩条兼用作纵向系杆横向每风向下出现较小正风压在边缘区域平均压力系 设置 ,:,: , , ,,,,一道这些檩条兼系杆在设计时按压弯构件考虑且 数在对应体型系数左右局部可达到,,,,,,,,, 需考虑传递一定轴向作用力为了加强屋面系统的 ,,,除边缘外其他部分负风压略有降低雨棚下 ,,,,,,整体刚度在拱桁架上弦层设置纵横双向水平支撑 ,表面风压分布相当平均平均负压系数在 :: ,:,,,,纵向支撑按净距不超过横向支撑设 设置 , ,:,,,之间变化计算出的雨棚合压力考虑正风压为,:,, , , 置在屋面洞口处两侧和屋顶上方刚架倾斜角度较大 ,,,考虑负风压为根据风致风振 ，，,,,,,，，,,的位置, ,,,分析风振系数为其中洞口边缘和屋盖 ,,::,,,,, 本工程雨棚檩条跨度较大达到和,, , ,, ,,边缘考虑大值取其余取,,,,,,, ,,同时因屋面随雨棚刚架曲度变化部分檩条倾斜度 ,荷载组合时雪荷载不与活荷载同时考虑风载 ,,,极大最大达 到 檩 条 设 计 采 取 以 下 措 施一 方 ,,?,,因存在正风压和负风压两种情况与恒载和活载组 ,、,面通过采用板件薄刚度大的高频焊接工字钢减 合时按有利和不利分别考虑温度作用考虑的 ,:,,, ,,,少檩条自重另一方面采用连续刚性连接方式减 ,组合系数均参与组合控制工况为 恒载,,,,×,,: ,,少檩条的跨 中 弯 矩同 时为了保证檩条平面 外 稳 活载 风压 温 ，,,,×:,, ，,,,×,,: ，,,:×:,,, ,,定设置了双层拉条在边檩条处设置刚性檩条撑杆 度作用, ,通过这些措施提高屋面平面内的几何稳定 ，,:,, ,性使之具有足够的空间刚度和空间整体性, 主体结构的设计,,, 构件的校核和设计,,,,, , 雨棚主刚架设计为空间矩形桁架结构上下弦 ,,, 主体结构的计算 ,主管采用矩形钢管连接腹杆采用圆钢管模型分析 ,结构采用和 软件进行分析 ,,,,,,: ,,,,::: ,,和设计两者的模态计算结果见表对比分析结构 时假定上下弦杆为连续主管支管与主管铰接钢 ,,,, 管结构中支管和主管的轴心内力设计值不应超过由 、、,振型杆件内力节点位移等两种软件的计算结果 基本一致《》,,, 钢结构 设 计 规 范第 章 确 定 的 ,,,::,,,,::,, ,杆件承载力设计值支管的轴心内力设计值也不应 表 周期计算结果 , ,,,, 超过节点承载力设计值, 计算软件 第一周期 第二周期 第三周期 ,根据模型初定杆件分析结果桁架下弦与腹杆 ,,,,::: ,,:,, :,,,, :,,,: ,连接节点主要为搭接节点而上弦与腹杆连接节点 ,,,,,,: ,,:,: :,,,, :,,,, ,,,主要为有间隙节点按文献对于节点为搭接节 ,, 、、, 考虑压型钢板屋面高频焊接工字钢檩条铝合点的桁架按所有杆件铰接分析得到的桁架挠度是 、、,金扣板吊顶及管线站台铭牌灯具等屋面恒荷载 ,,,,保守的超过实际值对搭接节点桁架更精确的计 , , ,,取屋 面 活 载 基 本 雪 压 为,:,,，，,,:,,，，,, 算假定为主管是连续的和支管铰接于主管对于间 , ,,隙节点桁架由于节点的柔性按铰接分析得到的桁 ,,屋 面 积 雪 分 布 系 数 对 于 拱 间 考 虑 为 :,, ，，, ,架挠度一般低 于 实 际 值 基 于 此本 工 ,,,, :,,, ,边拱外侧按拱形屋面考虑取安装合拢温 ,,,:,,,, ,程设计中在校核荷载标准值下桁架挠度是否满足 ,度取左右武汉市的历史日最高和最低气温分 ,,? ,,使用要求时按铰接分析得出的最大挠度放大别为 故 计 算 温 差 分 别 取 ,,,, 和 和,,,, ,,,? ，,, ,倍进行校核温度作用分项系数取, ,,,? ,,:, 大跨结构无站台柱雨棚的表面风荷载分布十分 ,,复杂而且上下表面均同时承受风压难以根据现行 《》,,雨棚桁架高度设计的建筑 结 构 荷 载 规 范确 定 风 荷 ,,,,, ,,,:::,,,::, ,,载体型系数本工程雨棚跨 度 最 大 达 到 需通过风洞试验研究实际风压分布情 按 常 规 受 ,,,,, , , ,,,弯梁进行设 计梁 截 面 高 一 般不小于跨度的 况为雨棚主体结构设计提供依据本工程通过风洞 ,,,,,,,,,初次试 算 时雨 棚 梁 高 为 不 能 满 足 建 筑 要 试验和风致响应分析确定风荷载值根据风洞试 ,,, ,, ,,,求为满足建 筑 要 求尽 量 减 少 雨 棚 刚 架 梁 截 面 高 验雨棚在各个风向下各测点重现期的 ,,::, ,,,绝对值最高的平均压力体型系数与高度变化系数 度在设计中对雨棚的曲线进行结构分析利用合理 ,,,, ,,拱轴概念即在给定的荷载作用下使拱尽量处于 ,,,的乘积为 极 值 压 力 系 数 ,:,,, ，，,,,,,, ,,无弯矩的状态这种结构能合理地利用材料性能降 武汉大学学报,工学版, 第卷 ,, ,,, ,,,低拱刚架截面高度设计中改变雨棚矢高进行累次 柱下桩数有所增加特别是边跨柱计算结果表 后,, ,,,,,明温度作用对主结构影响较大是大跨度雨棚结构 试算比较拱的内力情况从而找到合理拱轴线此 ,,设计的控制因素之一时雨棚刚架 的 内 力 主 要 表 现 为 轴 力弯 矩 相 对 较 , ,,小钢桁架的材料性能得到充分的利用从而有效降 ,低了梁高调整后雨棚梁高为梁跨高比约为,,,, , ,,综合考虑建筑美观和结构的力学性能要求最 ,,,, ,终确定雨棚的拱矢高及雨棚曲线见图,, 升温工况雨棚变形示意图 图, 降温工况雨棚变形示意图 图 , 雨棚刚架拱轴曲线 图 , 主体结构稳定性分析, 温度内力和变形,,,,, 主体结构的特征值屈曲分析 ,,, ,,,雨棚横向跨 度 垂 直 股 道 方 向 纵 ,,,,,, ,主体结构的 稳 定 分 析 采 用 软 件分 析,，,,, , ,,,向跨度顺股道方向最大为为满足建筑 ,,,,, ,,组 合 一工况选 用 荷 载 组 合 情 况恒 荷 载 , ,,,: ，,,,,,,,, 功能要求中间不 设 缝结 构 长 度 均 超 文 献 ,,,,活荷载组合二考虑 恒活载 雪荷载,,:,,: ，,,: ,,第设 计 需 考 虑 温 度 应 条温度区段长度值,,,,, ,,雪荷载分布系数后雪荷载为计 和 ,:,,,:,,，，,,力和变形的影响利用 计算主结构 软件 ,,,,,:::,算 得到的结构第一阶 整 体稳定系 数组 合 一 为 ,升温和降 温 两 种 工 况分析温度作用 对 大 跨 度 钢 ,,组合二为组合下的其余各阶稳定 ,,,,,,,,,,,,, ,,结构的影 响由 计 算 可 知在 升 温 工 况 时雨 棚 刚 ,系数均较为接近结构最先呈现的特征值屈曲模态 ,,,架升温膨胀刚 架 总 体 向 上 和 向 外 侧 变 形见 图 , ,主要表现为主桁架拱之间的局部联系杆屈曲由于 ,,,,考虑雨棚基本对称只列 出 左 侧 部 分在 降 温 工 ,相互平行的主桁架拱有很多榀致使局部联系杆的 ,,,况时雨棚变形如图刚架降温收 缩从 而 向 下 和 ,,屈曲模态轮次出现且极其密集, ,,向内变形刚架在 边 柱 柱 顶 和 边 跨 跨 处 ,,,:,, 的变形见表温度作用对刚架 内 力 影 响 可 以 从 表,, ,,, 主体结构的非线性屈曲分析,,,在 雨 棚 边 跨 的 中看出跨 处 和 两 拱 连 , ,,:,, ,特征值屈曲分析未考虑屈曲前变形的影响仅 接部分 的 钢 架 梁 均 由 于 温 度 作 用 产 生 较 大 的 内 ,适合于理想结构而实际结构存在着各种缺陷和偏 ,,力同时可 以 看 出温 度 作 用 能 在 柱 底 产 生 较 大 ,,差非线性稳定分析平衡条件建立在变形后的位形 ,的剪力和 弯 矩设计中适当考虑温度 应 力 对 基 础 ,,上考虑变形对平衡的影响故其得到的结果更为真 的 影 响 是 必 要 的 设计时考虑了 温 度应力的影响 , 实可靠, 本工程采用一致缺陷模态法来处理非线性屈曲 ,分析的初始缺陷问题假定按一定比例进行缩放的 温度作用刚架变形对比 表 ,,, ,最低阶屈曲模态就是结构初始缺陷的基本形态分 工况 柱顶侧移 ,,刚架边跨,,,,处 : 析时只考虑几何非线性初始缺陷按主桁架拱跨度 ,升温 ,,,, ,,,,, ,,的取值拱跨度取最低阶特征值屈曲模态最,,:: 降温 ,,,,, ,,,, 恒载,,,,, ,,,,, 大位移点所在跨跨度 当按恒荷载活荷载组合进, ， 表 温度作用刚架内力对比 , ,,行分析时拱跨度具体值取初始缺陷最大 ,,,,, , 两拱交汇侧刚架 柱底 ,, ,刚架边跨,,,,处 位移为当按恒荷载雪荷载组合进行分析 ::,,, ,， 上弦杆 下弦杆 上弦杆 下弦杆 ,,时拱跨 度 具 体 值 取 初 始 缺 陷 最 大 位 移 为,, , 工况 弯矩 剪力 轴力 轴力 轴力 轴力 组合情况 下 的非线性屈曲分析变 形 示意 ,,?,,:,,, ,,, ，，,，， ,,,, ，， ，， ，， ，， 、图见图图,,, 升温 ,, ,,:, ,,,: ,,: ,:, ,,, ,从非线性屈曲分析的变形情况来看主桁架拱 降温 ,,, ,,, ,,, ,,,, ,,,, ,, 恒载 两边跨变形比中间跨要明显图中最右侧柱列柱高, ,,,, ,,, ,, ,,,, ,,,, ,,,, 第期 杨劲,汉口火车站大跨度钢结构无站台柱雨棚结构设计 , ,,, ,节约了工程投资通过对主体结构的设计分析得出 , ,如下结果 ,,在建筑造型初步确定采用拱形结构后通过结 , ,构计算优化拱曲线有效地降低了刚架梁高度这一结 , ,构体系满足了建筑造型和结构经济的双重要求, ,温度作用对主结构和基础影响较大计算结 ,, ,果表明温度荷载对刚架的梁跨中和梁柱连接部位 ,,均产生较大拉压力在刚架的柱底特别是边柱产生 较大的剪力和弯矩温度作用是大跨度雨棚结构设 , ,计的控制因素之一在雨棚刚架和基础设计时必须 考虑, ,从特征值 屈 曲 和非线性屈曲两个方 面 对结 , ,构的整体稳定性进行分析可以较为实际地评价结 组合一非线性屈曲分析变形示意图 图 , ,,构的承载能力了解结构的薄弱部位从而指导并完 善结构设计, ,参考文献 ,, 中铁第四勘察设计集团有限公司武 汉 枢 纽 汉 口 站 改 ,, 造工程高架候车及无柱雨棚岩土工程勘察报告 ,,,, ,::,, 李星荣,魏才昂,丁峙崐,等钢结构连接节点设计手册, ,, ,,,第版北京,中国建筑工业出版社,,,, , ,::,, 曾涛,王俊平,汪胜辉浅谈钢拱结构的稳定山西 ,,,，,,, ,图 组合二非线性屈曲分析变形示意图 ,,,,,,,,,,,,,::,,,, 建筑 中国建筑科学 研 究 院汉口火车站无柱雨棚 风 洞 试 验 ,, 度自前向后逐渐减小致使右前处柱给予对应的桁,, ,研究报告,,,北京,,,::,, ,,架拱约束作用相对偏弱所以桁架拱的变形大, ,从结构的特征值屈曲的分析结果来看结构的 ,, ,,,,,,,::,,,::,钢结构 设 计 规 范 ,,北 京中 国 计 划 ,, ,布置形式适当最 小 的 非 线 性 屈 曲 系 数 为 ,,,,,,出版社, ,::,,《》,,参考网壳结 构 技 术 规 程中 系 数 ，,，,,,,::,， ,, 空心管结构连接设计指南,,北 京,科 ,,,:，;,，,,,,,,,:,大于的可以判断此结构的整体稳定性满 , , ,,,,,学出版社足要求, ,,,,,, 孙俊结构力学重庆重庆大学出版社 ,,,,,,,,,潘国华无站台柱雨棚设计若干问题的探讨,,铁道 ,，,,, ,,,,,,,,,,,,,,,::,, 标准设计 结论, 高剑无站台柱雨棚特点与设计 ,,铁 道 工 程 学 报, ,，,,, ,汉口火车站无站台柱钢结构雨棚采用了大跨度 ,,,,,::,,,,,,,,, ,,,钢拱桁架结构造型优雅大方结构轻巧既较好地 ,,,,,,:，,，,,,::,网壳结 构 技 术 规 程,,北 京中 国 建 筑 ,,,满足了建筑美观的需要同时也具有良好的经济性 工业出版社, ,::,,