大連北站無站臺柱雨棚設計

康亞強,唐 虎

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 工程概況

大連北站位于大連市甘井子區(qū)南關嶺鎮(zhèn),距市中心約18 km。規(guī)劃的城市軌道交通2、4號線通過大連北站站區(qū)。新建的大連北站將建設成為以鐵路客運為中心,集城市軌道交通、市區(qū)公交、出租車以及社會車輛等各種交通設施及交通方式的客運綜合交通樞紐。車場規(guī)劃10個站臺面20條線,最外側站臺邊緣之間距離為227.6 m。雨棚沿站房中心對稱布置,鋼梁橫向為5跨,縱向共32榀,其橫剖面見圖1,縱剖面見圖2。

圖1 橫剖面(單位：mm)

圖2 縱剖面(單位：m)

2 結構設計

2.1 設計主要原則

建筑結構安全設計等級為二級,設計使用年限為50年,抗震設防類別為丙類。

2.2 設計荷載

雨棚設計應考慮的主要荷載包括恒載、活載、雪載、風載、溫度作用和地震作用。

恒載、活載和雪載按照荷載規(guī)范要求取用。

地震作用：地震基本加速度為0.15g,Ⅰ類場地,抗震設防烈度為7度。

溫度作用：升溫26 ℃,降溫42 ℃,合龍溫度為(15±5) ℃。

風荷載：基本風壓為0.75 kN/m2(重現(xiàn)期為100年),地面粗糙度類別為B類。

風荷載體型系數(shù)按風壓、風吸分別取+0.5、-0.8,風振系數(shù)取1.8。風荷載的水平力按《建筑結構荷載規(guī)范》表7.3.1第27項α<30°情況計算。

2.3 荷載組合

根據(jù)規(guī)范要求對結構分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設計,荷載的主要組合如下：

(1)1.2恒載+1.4活載；

(2)1.2恒載+1.4活載+1.4×0.6風載；

(3)1.2恒載+1.4活載+1.4×0.7溫度；

(4)1.2恒載+1.4活載+1.4×0.6風載+1.4×0.7溫度；

(5)1.2恒載+1.4風載；

(6)1.2恒載+1.4風載+1.4×0.7活載；

(7)1.2恒載+1.4風載+1.4×0.7溫度；

(8)1.2恒載+1.4風載+1.4×0.7活載+1.4×0.7溫度；

(9)1.35恒載+1.4×0.7活載；

(10)1.35恒載+1.4×0.6風載；

(11)1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.6風載；

(12)1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.7溫度；

(13)1.35恒載+1.4×0.6風載+1.4×0.7溫度；

(14)1.35恒載+1.4×0.7活載+1.4×0.6風載+1.4×0.7溫度；

(15)1.2(恒載+0.5活載)+1.3地震；

(16)1.2(恒載+0.5活載)+1.3地震+1.4×0.2風載。

2.4 結構計算

2.4.1 計算模型

采用有限元分析軟件Midas Gen(Ver.730)進行結構計算,計算模型見圖3,主要受力及支撐體系見圖4。

圖3 計算模型

圖4 主要受力及支撐體系

模型中柱底端與地剛接,梁兩端與地鉸接,柱分叉與箱梁鉸接,模型主要構件尺寸及材料見表1。

表1 主要構件尺寸及材料

2.4.2 梁截面設計

箱形曲梁的截面為400 mm×1 200 mm,在曲梁彎弧段由于彎矩變化較大(圖5),采用變截面梁,截面由400 mm×1 200 mm變?yōu)?00 mm×1 600 mm,再變?yōu)?00 mm×500 mm。梁截面依據(jù)內力的變化,分段增減其腹板及翼緣板的厚度。

圖5 梁面內彎矩包絡圖

2.4.3 強度、剛度及穩(wěn)定驗算

基本組合下,結構主要構件的最大應力及應力比見表2。標準組合或可變荷載下,主要構件最大位移及限值見表3。

表2 主要構件最大應力

梁的整體穩(wěn)定通過設置縱向支撐來保證,縱向支撐最大間距為18.98 m,曲梁截面滿足箱形截面簡支梁不計算整體穩(wěn)定的要求；通過設置系桿(間距3 m)增加檁條風壓下的穩(wěn)定,檁條在風壓、風吸下的最大折算應力比為0.66、0.77；柱及分叉柱按壓彎構件驗算穩(wěn)定,計算長度系數(shù)取2,柱、柱分叉的最大折算應力比分別為0.87、0.97。

表3 主要構件最大位移

3 溫度的影響

雨棚橫向長度較大,為227.6 m,且沒有設縫,因而需要研究溫度變化對結構的影響。依據(jù)大連的極端最高氣溫(35.3 ℃)和極端最低氣溫(-21.1 ℃),假定合龍溫度為(15±5) ℃,可得結構的溫度荷載為+26、-42 ℃。圖6～圖8分別為恒載、升溫、降溫工況的結構變形示意。

圖6 恒載工況結構變形

圖7 升溫工況結構變形

圖8 降溫工況結構變形

通過比較,可以看出,升溫工況下梁產(chǎn)生的變形幾乎與恒載工況下的梁變形相反,可見升溫對梁為有利工況。同時,位于外側的兩個柱子變形與恒載工況下的柱子變形趨勢幾乎相同,而中間的兩個柱子在升溫時變形很小,可見升溫對位于外側的兩個柱子為不利工況,對中間的兩個柱子影響不大。而降溫工況正好相反,可知其對梁為不利工況,對位于外側的兩個柱子為有利工況,對中間的兩個柱子影響也較小。

再者,可以看出,由于在梁與地相接處設置了鉸接節(jié)點,允許梁在溫度變化時可以自由轉動,達到了釋放梁部分溫度應力的目的。

為進一步分析,假定有3種荷載工況(暫忽略其他活荷載)：1.2恒、1.2恒+0.98升溫、1.2恒+0.98降溫,經(jīng)計算可得梁a～f點不同工況下的應力值(表4)以及各點不同工況下的應力變化值(圖9)。

表4 梁應力 MPa

圖9 梁應力變化

由圖9可以看出,升溫、降溫對梁有一定影響,梁應力最大變化值為23 MPa。升溫工況下除了梁a點的應力幾乎沒變外,梁其余部分應力均減小了,減小幅度約為20 MPa。降溫工況并不與升溫工況完全相反,降溫時梁a點應力也減小了約20 MPa,而梁其余部分應力均有不同程度的增加。

柱1～4及其分叉在不同工況下的應力值見表5、表6,不同工況下的應力變化值見圖10。

表5 柱應力 MPa

表6 柱分叉應力 MPa

圖10 柱及柱分叉應力變化

可以看出,溫度變化對位于外側的柱1、柱4影響最大,升降溫時柱應力變化值均約為40 MPa；對中間的柱2、柱3及柱分叉影響較小,柱2、柱3應力變化值在20 MPa以下,柱分叉應力變化值約在10 MPa以下。

4 結語

本工程的鋼結構部分在進行設計時,最大應力比控制在0.7～0.8,計算平均用鋼量(含節(jié)點及肋板)約為113 kg/m2。本結構橫向長度較大,應研究溫度對結構的影響,通過在梁與地相接處設置鉸接節(jié)點,可以達到釋放部分溫度應力的目的。經(jīng)過分析,溫度變化對位于外側的兩排柱子影響最大,柱應力最大變化值約40 MPa,對梁及中間的柱子影響較大,二者應力最大變化值約20 MPa,對所有柱分叉影響較小,其應力最大變化值約10 MPa,因此結構安裝時,應保證合龍溫度在設計的合龍溫度范圍內。

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