上海南站雨棚结构设计

2008年6月 第6期(总117) 铁道工程学报 JOURNAL0FRAILWAYENGINEERINGSOCIETY Jun2008 N0．6(Ser．117) 文章编号：1006—2106(2008)06—0080一04 上海南站站台雨棚结构设计· 李敬学¨ (中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉430063) 摘要：研究目的：上海铁路南站站台雨棚是车站的重要组成部分，是打造“2l世纪第1站”的精品工程。为了 达到建筑质量和美观的效果，对站台雨棚超长钢结构高应力区释放温度变形的可能性进行探讨；并对树权柱 端铰接节点进行优化，使各项指标达到设计要求。 研究结论：通过对上海铁路南站站台雨棚特定环境的研究，提出了超长钢结构高应力区设置温度变 形缝的新概念，开发的高应力区变形缝设计，在温度变形总量可控的条件下，达到了建筑结构连续、美观的效 果；通过理论分析和试验验证，提出的分层铰接节点设计，实现了树权柱端铰接节点的美化和安全可靠性。 关键词：上海南站；站台雨棚；结构设计；优化 中图分类号：Tu318文献标识码：A CalculationandDesignoftheCanopyofShanghaiSouthernRailwayStation LIJing—x眦 (ChinaRailwaySiYuanSurveyandDesigIlGroupCo．Ltd，Wuh肌，Hubei430063，China) Abstract：Researchpurpo∞s：Theplatfo瑚canopyisoneofthemaincomponentsofShanghaiSouthRailwayStation， thefirstrailwaystationinthe2lstcentury．Inthispaper，thediscussionismadeonthepossibilityofreleasingthe the瑚aldeformationofthesuper—longsteelstlllctureofShanghaiSouthRailwaySkItionplatfo肿canopy，andthe hingedjointsoftree—shapedcolumnsareoptimizedtomakeitsindexesmeetingthedesignrequirementsforthepu叩ose ofobtainingthebestaI℃hitectulIalefkcts． Researchconclusions：ThenewconceptionoftemperaturedefoHnationjointsinthehighstressareaofthesuper—long steelstlllctureisputforwardbasedontheanalysisofthespecialenvironmentofShanghaiSouthRailwayStationplaⅡ．om canopy．Thestmcturesarecontinuousandbeautifulbydoing80．Thejoint，sbeauti矗cationdesignwasrealizedbythe theoreticalanalysisandexperimentalVerification． Keywords：ShanghaiSouthRailwayStation；canopy；stlllcturedesign；optimum 1 工程概况 上海铁路南站为新建火车站，6个站台，于2006年 7月1日开通运营，车站站台雨棚与圆形主站房交相 辉映、相融一体，以“2l世纪第1站”的气魄成为上海 市标志性建筑。车站站台雨棚建筑面积42908m2，布 设在圆形主站房的两侧，并与主站房、高架匝道柱相 连，局部位于地铁L1线上。该雨棚设计打破了传统站 ·收稿日期：2008一03—19 ··作者简介：李敬学，1962年出生，男，高级工程师。 台建筑模式，将站台上雨棚立柱移至股道中间，站台上 不布设一根雨棚柱，形成宽阔、完整的旅客站台，方便 旅客自由流动，同时视线开阔，体现了铁路建设以人为 本的设计理念。造型上，雨棚沿横向起拱，整体呈波浪 形，即与主站房的圆形屋顶相呼应，又使得站台和股道 空问有了区别，雨棚柱子像大树的树干一样将雨棚撑 起，受力自然合理。鸟瞰图如图1所示。 万方数据 第6期 李敬学：上海南站站台雨棚结构设计 81 图1上海铁路南站站台雨棚外观效果图 2结构设计 上海铁路南站站台雨棚沿股道方向的长度为 353．5m，其中纵向2段分别为116．84m和236．66m， 柱间距18m，1轴和19轴各悬挑6．6m。站台雨棚主体 结构横向6连跨跨度分别为20．8m、20．5m、25．5m、 20．5m、20．5m、15．75m，A轴外挑5．4m。纵横向 桁架均采用正三角形桁架，其中横向6连跨起拱成曲 线形，三角形桁架宽1．8m，高1．2m，截面上弦杆 咖121×5，下弦杆吊102×5，纵向桁架与横向桁架等 高，上弦杆咖89×5，下弦杆函102×5，柱采用四权树形 柱，4根树权杆采用变截面杆，上截面西150×16，下截 面咖300×16，每柱支撑2纵2横交叉桁架。在7轴处 设置高应力区变形缝，结构平剖面布置图如图2所示。 图2结构平剖面布置图 两桁架之间布设了两榀竖向平面桁架，用以支撑 屋面系统，利用隅撑使平面桁架与屋面系统共同作用， 大大减轻了结构自重。屋面檩条设计成等高度方钢网 格檩条，中间布设交叉斜杆，利用横向弧形拱形成纵向 网壳体系，增强结构刚度。 在与圆形站房相交处进行弧形连接，雨棚采用弯 折向下进行交错搭接，在高架匝道柱处采用四边形桁 架铰接的方式搭接，在9道处预留了引入磁悬浮列车 的条件。主要构件选用如表l所示。 表1主要构件选用表 构件 材质 备注 纵向桁架上下弦杆、及其它(咖127×7，咖121×7，咖102×5，咖89×5)Q235B 无缝钢管 横向桁架上下弦杆(咖159×8，犯19×16，咖121×5，咖102×5) Q345B 无缝钢管 桁架腹杆 Q235B 无缝钢管 筇00×20，吊550×20(钢管混凝土柱) Q345B(C30) 焊接钢管 变截面树权撑杆(咖300～150×16) Q345B 焊接钢管 结构位移控制值：柱：在组合荷载作用下柱顶位 移控制在耽00。主桁架：挠度允许值为圳00；次桁 架为∥250。结构的前3周期分别为：0．68s，0．66s， O．62s。 3高应力区变形缝设计 如前所述，长段雨棚长236．66m，需设置温度伸 缩缝，但雨棚纵向间距为18m，韵律非常好，且柱子为 树杆形，不需设置双柱伸缩缝。若采用悬挑形式，并悬 挑9m，势必加大纵向桁架的高度，影响建筑美观。能 否在柱顶高应力区切出一道变形缝是我们面临的一大 课题，必须从温度变形受力的原理进行分析。 3．1温度作用影响的可控性 结构纵向桁架在温度作用下的线变形量可表示 万方数据 82 铁道工程学报 2008年6月 为： △L=以纪 (1) 式中0c——材料的线膨胀系数(1／℃)； △￡——温度变化差； 己——结构线向长度。 由式(1)看出，当结构的线向长度和温度变化值 一定时，则结构的变形量就可控制在一定的范围内。 3．2温度应力的相对性 温度变化对结构产生的直接影响是变形，只有当 变形受到约束时，它才以力的形式出现，无约束不产生 结构内力。 根据以上两原则，纵向桁架长度是定值，上海地区 极值温度是定值，故其变形总量可控。纵向桁架的变 形受到树形柱形成结构的约束，必然产生温度应力。 当温度变化恒定时，解决温度应力的有效途径是减小 结构的长度和释放温度变形。如果在中间的7轴柱顶 将纵向桁架切开，将纵向桁架一分为二，再在纵向桁架 侧面相距1m处设连接桁架，使连接桁架与横向桁架 形成“弹簧”状，就可以调节两边纵向桁架结构的伸缩 变形。当然，在正常使用及抗震设计情况下，也必须保 证结构的安全可靠。上海地区极端温度为40～ 一10℃，设计安装温度15℃，按升、降温度±25℃计 算，结构变形与不设缝进行对比的结果如图3一图5 所示。图3为整个结构236m长不设变形缝桁架位移 图，边轴1轴上D轴柱顶变形最大，为30．2mm；图4 为在7轴处设“弹簧”变形缝桁架位移图，相应D轴处 柱顶变形为28．6mm；图5为1—7轴半结构桁架位 移图，相应D轴处柱顶变形为19．1mm。“弹簧”变形 缝约束刚度最大时，结构变形接近于图3，“弹簧”变形 缝约束刚度最小时，结构变形接近于图5，“弹簧”变形 缝约束刚度为(28．6—19．1)／(30．2—19．1)一85％， 即设置“弹簧”变形缝后，结构变形及内力改善了 15％。 图3 236m长不设缝桁架位移 为了建筑的美观，并限制偶然荷载作用下树权节 点的变形，在变形缝节点处设计了1个变形限位节点， 图4 7轴柱设缝桁架位移 图5 1—7轴半结构位移 如图6、图7所示。当变形超过30mm时，结构就自然 形成一体，共同抵抗外荷载的作用。 ／ 一 占 一 ，，／ r_：Jn 乏二 J‘／ ／／／ ∥，，，／／，|，|，|／，|| 飞 1n嘤匕 百 ．]m ≯刮 一 ／ 图6变形限位节点(单位：mm) 纵向桁架 ／ | ＼ ／ | 、＼ ／ ＼ ／ⅪD∈＼ ／≥oob∈眵o<| ＼ ／ 一≤ ≥ ＼ ／ ><|D∈ ∈ ＼ ≥∈l≥∈兮∈I≥∈睁∈除<| ∈ ≥ ∈ ≥ ／ 、 ／ >＼ 连接桁架 ／ ＼ 图7“弹簧”变形缝 4树权杆端铰接节点设计 上海铁路南站站台雨棚采用了树杆形柱，柱截面 为西500×20、(b550×20的钢管混凝土柱。柱上4根 树杈杆截面为西300一150×16的变截面焊接钢管，根 部与柱相贯熔透焊，端部与纵横相交桁架的8根杆件 相连。其中纵向桁架下弦杆截面为咖127×7，横向截 面为咖159x8，腹杆为咖76×5、如8×3．5，节点无法直 万方数据 第6期 李敬学：上海南站站台雨棚结构设计 83 接相贯焊接。若采用常规的球节点，球直径必须大于 300mm，建筑效果和外观不美观。为此，我们设计了 如图8、图9、图10、图“所示的4种节点形式。 方案1：扩大头相贯焊。由于桁架下弦最大管径 为咖159，树权杆端部管径为咖150，无法直接相贯焊， 必须采用铸钢加大节点截面，但此节点具有一定的刚 性，不能形成理想的铰接节点。 方案2：顶托铰接节点。采用铸钢铰接节点，桁架 结构受力形式安树权柱支撑设计，但树权杆末端交于 节点形心，节点受力偏心，且形成双铰接节点，受力 复杂。 方案3：花瓣形铰接节点。此方案按节点形心交 于一点设计，为了满足建筑花瓣形状，杆件交汇太集 中，施工困难。 图8方案1扩大头相贯焊 图9方案2顶托铰接节点 图10方案3花瓣形铰节点 方案4：分层铰接节点是在方案2、方案3的基础 上进一步优化的结果，所有杆件交于一点。但将桁架 图11方案4分层铰接节点 下弦杆与腹杆铰接节点分成2层，在树权杆端设计成 1个假铰接节点，主要是防止形成二铰心节点。最终 选择此节点作为实施节点。理论分析中，由于无法考 虑节点制作过程中的各种缺陷，故为了确保结构的整 体安全，准确了解铸钢节点的承载性能和在设计荷载 下的应力应变分布及大小，特别进行了足尺节点试验。 铸钢节点主体模型图如图12所示。根据试验，节点强 度达到设计要求。 图12铸钢节点模型图 5 结论 (1)上海铁路南站雨棚建筑设计要求高，结构设 计开发的高应力区变形缝设计，满足了建筑整体效果 的需要。 (2)设计从温度变形原理出发，在站台雨棚温度 变形总量可控的条件下，开发的高应力区设置“弹簧” 变形缝，安全可靠。 (3)在充分比选相贯焊节点，顶托铰接节点，花瓣 形铰接节点的基础上，提出的分层铰接节点设计，经理 论分析和节点试验检验，强度达到设计要求。 参考文献： [1]GB50017_2003，钢结构设计规范[s]． [2]李和华．钢结构连接节点设计手册[K]．北京：中国建筑 工业出版社，1999． [3]钢构造结合部设计指南[z]．东京：日本建筑学会，2001． [4]陈绍番．钢结构设计原理[M]．北京：科学出版社，1987． (编辑梅志山) 万方数据