武廣鐵路客運(yùn)專線車站雨棚鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用

羅云燦

(武廣鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司,武漢 430060)

隨著我國鐵路建設(shè)的加速推進(jìn),客站建設(shè)也拉開了帷幕。截至2009年10月底,已建成北京南、天津、上海南、青島、武昌、拉薩、揚(yáng)州、延安等鐵路新客站124座,到2009年底,還有呼和浩特東、福州、武漢、漢口、長沙南等100多座客站陸續(xù)開通運(yùn)營。這些新時(shí)代客站,為廣大旅客提供了快捷、方便、舒適的乘車環(huán)境,顯著提升了中國鐵路運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)。而作為車站重要組成部分的站臺,為旅客進(jìn)站上車的必經(jīng)之處,其雨棚屋蓋不僅為旅客避風(fēng)遮雨,還要求與站房主體的建筑形態(tài)和諧統(tǒng)一,融為一體。筆者選取了武廣鐵路客運(yùn)專線上幾個(gè)有代表意義的車站,通過對站臺雨棚鋼結(jié)構(gòu)體系的分析研究,提出了各種結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及其適用范圍。

1 武廣鐵路客運(yùn)專線車站概況

武廣鐵路客運(yùn)專線除兩端的武漢站和廣州南站外,沿線有12個(gè)新建站房,分別是咸寧北、赤壁北、岳陽東、汨羅東、長沙南、株洲西、衡山西、衡陽東、耒陽西、郴州西、韶關(guān)及清遠(yuǎn)等12個(gè)車站,其中長沙南為始發(fā)站,其余站為中間站。為了適應(yīng)新時(shí)期的新特點(diǎn)和新要求,鐵道部黨組有針對性地提出,客站建設(shè)要體現(xiàn)“功能性、系統(tǒng)性、先進(jìn)性、文化性、經(jīng)濟(jì)性”的原則。大空間、大跨度結(jié)構(gòu)的車站站臺雨棚,因其貫徹了無站臺柱的設(shè)計(jì)理念,既最大限度地為旅客提供了進(jìn)出站的空間,又集中體現(xiàn)了現(xiàn)代化車站的通透、無障礙理念,因而成為新型鐵路客站的首選建筑形態(tài)。

2 武廣客站雨棚結(jié)構(gòu)主要形式

雨棚結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在屋蓋結(jié)構(gòu)和支撐體系上,而此類空間要求較高的建筑往往采用大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)體系和剛度較大的鋼柱或鋼筋混凝土柱。在武廣鐵路客運(yùn)專線根據(jù)不同的車站站臺規(guī)模和站臺數(shù)量,采用了空間桁架、空間剛架以及單臂懸挑結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式。下面具體分析這些結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。

2.1 空間桁架結(jié)構(gòu)體系

空間桁架指的是桁架梁,是格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)由于多用于建筑的屋蓋體系,通常也被稱作屋架。各桿件受力均以單向拉、壓為主,通過對上下弦桿和腹桿的合理布置,可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了自身平衡,整個(gè)結(jié)構(gòu)不對支座產(chǎn)生水平推力,結(jié)構(gòu)布置靈活,應(yīng)用范圍較廣。

2.2 空間剛架結(jié)構(gòu)體系

空間剛架是指梁、柱之間為剛性連接的結(jié)構(gòu)。單層剛架為梁、柱合一的結(jié)構(gòu),梁柱截面高度小,造型輕巧,內(nèi)部凈空較大,故被廣泛應(yīng)用于廠房、體育館、禮堂、食堂等中等跨度的建筑中。其主要特點(diǎn)是:節(jié)點(diǎn)形式較為簡單,外觀簡潔,剛度大,幾何特性好；鋼管截面流體動(dòng)力特性好,對于風(fēng)荷載等作用效應(yīng)遠(yuǎn)低于其他形式。

2.3 空間懸臂結(jié)構(gòu)體系

懸臂結(jié)構(gòu)通常由懸臂梁和支撐系統(tǒng)所組成。其主要特點(diǎn)是:構(gòu)形簡潔,富有建筑表現(xiàn)力;懸臂可以充分利用鋼材強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)自重較輕,但跨度適用范圍不大。該結(jié)構(gòu)體系主要用于商場、酒店、寫字樓入口門樓。

當(dāng)然,結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形式的選擇不是模式化的,在具體選擇時(shí)要充分考慮站房雨棚的建筑造型和站臺寬度,同時(shí)要與主站房建筑效果相適應(yīng)。可選擇上述一種結(jié)構(gòu)或幾種結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)體系來配合建筑,使建筑布置更具靈活性。

3 車站雨棚結(jié)構(gòu)形式的具體應(yīng)用

(1)長沙南站站臺雨棚采用縱橫向樹狀支撐剛架結(jié)構(gòu),屋面為單曲面形式,水平投影面積約5.0萬m2。屋面板采用帶吸聲降噪功能的壓型鋼板屋面,局部采用透光遮陽板,檁條為熱鍍鋅冷彎薄壁型鋼。雨棚剛架結(jié)構(gòu)分布于主站房兩側(cè),每側(cè)為獨(dú)立的兩部分,平面尺寸每側(cè)各為135 m×77.5 m、135 m×101.875 m兩部分。整個(gè)屋面為順著東西軸線波浪形屋面,鋼架為縱、橫向單層弧形鋼梁結(jié)構(gòu),主次梁截面主要為□850×400×12×18、H850×300×12×16兩種。弧形梁頂高程最高為16.5 m,最低14.5 m。雨棚柱采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的樹狀形鋼管混凝土柱,承受屋蓋結(jié)構(gòu)的荷載,高程為-5.00～7.35 m,下部柱截面為4φ500 mm×25 mm鋼管組合而成,上部共形成11個(gè)分叉支點(diǎn),分支截面由下至上為φ500 mm×20 mm、φ351 mm×14 mm等。如圖1所示。

圖1 長沙南站站臺雨棚

(2)株洲西站站臺雨棚位于站房一側(cè),沿縱向設(shè)置2道伸縮縫兼防震縫,將站臺雨棚分為3個(gè)結(jié)構(gòu)單元,站棚與站房完全脫開。站臺雨棚采用鋼柱支撐的管桁架結(jié)構(gòu),主桁架兩跨跨度分別為34.5 m及44.8 m,開間有16.8 m及25.2 m兩種,每榀管桁架均為倒三角形立體桁架。管桁架桿件采用圓鋼管,柱采用圓形截面直縫焊鋼管,柱與基礎(chǔ)固結(jié)。在管桁架上弦采用H型鋼梁及C型冷彎薄壁型鋼檁條承托雨棚屋面板。雨棚屋面板及吊頂均以桁架上弦承重,在中部鋼軌上方為透空部分。如圖2所示。

圖2 株洲西站站臺雨棚

岳陽東站雨棚位于站房主體建筑東側(cè),為單層結(jié)構(gòu),簡支于鋼柱上,跨越各站臺,鋼桁架最大間距為18 m。與站房相交處,由站房柱設(shè)牛腿支撐鋼桁架。整個(gè)站臺鋼雨棚設(shè)置2條橫向溫度縫將雨棚分為3部分。魚腹形桁架斜腹桿形式為三角形,由鋼管組成。如圖3所示。

圖3 岳陽東站站臺雨棚

(3)汨羅東站站臺雨棚為鋼管混凝土柱單側(cè)懸挑焊接H型鋼梁結(jié)構(gòu)體系。雨棚長450 m,沿縱向設(shè)置2道伸縮縫兼防震縫,分為3個(gè)結(jié)構(gòu)單元。雨棚H型鋼梁懸挑長度10.9 m,雨棚開間為16.8 m。站臺雨棚在縱向柱列上的鋼梁支承在柱上,縱向柱列之間的鋼梁與鋼管混凝土柱剛接,柱與基礎(chǔ)固結(jié)。鋼梁上設(shè)置屋面檁條,屋面板采用壓型彩鋼板。如圖4所示。

圖4 汩羅東站站臺雨棚

衡山西站站臺雨棚為一單層單臂懸挑鋼結(jié)構(gòu),位于主站房的一側(cè),與站房分開,共分2塊,每塊按溫度縫分為3個(gè)區(qū)域,柱網(wǎng)尺寸為15 m×10.5 m,柱采用鋼管混凝土柱。站臺雨棚采用壓型彩色鋼板屋面系統(tǒng)。如圖5所示。

圖5 衡山西站站臺雨棚

4 幾種體系的優(yōu)缺點(diǎn)比較

(1)剛架屬于以受彎為主的結(jié)構(gòu),材料強(qiáng)度沒有充分發(fā)揮作用,這就造成了剛架結(jié)構(gòu)自重較大,用料較多,從材盡其用的要求來看,剛架結(jié)構(gòu)并不是十分合理的結(jié)構(gòu)。但在剛架結(jié)構(gòu)與縱橫向樹狀結(jié)構(gòu)支撐相結(jié)合后,由于樹狀柱支撐范圍較大,內(nèi)力分布均勻,跨度可以做得較大,適用于站臺數(shù)量較多的特大型站房。此外,剛架結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu),剛度好、結(jié)構(gòu)內(nèi)力小,但因柱腳處有彎矩、軸向壓力、水平剪力共同作用于基礎(chǔ),對基礎(chǔ)地基要求較高。當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時(shí),將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力,所以在地基條件較差時(shí)宜慎用。

(2)桁架梁在抗彎方面,由于將受拉與受壓的截面集中布置在上下兩端,增大了內(nèi)力臂,使得以同樣的材料用量,實(shí)現(xiàn)了更大的抗彎強(qiáng)度。在抗剪方面,通過合理布置腹桿,能夠?qū)⒓袅χ鸩絺鬟f給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪,桁架結(jié)構(gòu)都能夠使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮,從而適用于各種跨度的建筑屋蓋結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,在客運(yùn)專線車站建設(shè)中,由于受站臺上不能立柱,線路間立柱又要保證建筑限界的限制,跨度一般不超過3個(gè)站臺,適用于站臺數(shù)量不多的中型站房。

(3)單臂懸挑鋼梁結(jié)構(gòu)體系由于利用了鋼材抗拉及抗壓能力強(qiáng)的特性,跨度能比普通鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)有所突破,但由于懸臂結(jié)構(gòu)的受力特性所限,在武廣鐵路客運(yùn)專線車站建設(shè)中,適用于站臺數(shù)量較少(一般為2個(gè)站臺)的小型站房。

(4)以上3種體系的支撐系統(tǒng)一般都采用鋼管混凝土柱,可充分發(fā)揮混凝土受壓好、鋼材受拉好的特點(diǎn),且柱的截面尺寸比受相同荷載的混凝土柱或鋼管柱都要小。

5 結(jié)語

從以上分析可得到以下結(jié)論:

(1)客專站房雨棚的結(jié)構(gòu)體系選擇要適應(yīng)新型站房的大型化特征；

(2)大跨度結(jié)構(gòu)體系形式多樣,這些結(jié)構(gòu)體系各有優(yōu)缺點(diǎn),雨棚建筑宜根據(jù)實(shí)際需要來選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式；

(3)通過結(jié)構(gòu)體系和武廣鐵路客運(yùn)專線工程實(shí)例分析,建議雨棚結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步研究采用混合結(jié)構(gòu)體系,如張弦梁與網(wǎng)架的組合、剛架與樹形柱的組合、桁架與懸臂結(jié)構(gòu)的組合等,既考慮建筑功能性要求,又符合結(jié)構(gòu)受力原理,且還能滿足經(jīng)濟(jì)性的要求,節(jié)能環(huán)保,是當(dāng)今站房建設(shè)發(fā)展的趨勢。

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