武廣鐵路客運專線車站雨棚鋼結構體系的應用

羅云燦

(武廣鐵路客運專線有限責任公司,武漢 430060)

隨著我國鐵路建設的加速推進,客站建設也拉開了帷幕。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多座客站陸續開通運營。這些新時代客站,為廣大旅客提供了快捷、方便、舒適的乘車環境,顯著提升了中國鐵路運輸服務品質。而作為車站重要組成部分的站臺,為旅客進站上車的必經之處,其雨棚屋蓋不僅為旅客避風遮雨,還要求與站房主體的建筑形態和諧統一,融為一體。筆者選取了武廣鐵路客運專線上幾個有代表意義的車站,通過對站臺雨棚鋼結構體系的分析研究,提出了各種結構體系特點及其適用范圍。

1 武廣鐵路客運專線車站概況

武廣鐵路客運專線除兩端的武漢站和廣州南站外,沿線有12個新建站房,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、韶關及清遠等12個車站,其中長沙南為始發站,其余站為中間站。為了適應新時期的新特點和新要求,鐵道部黨組有針對性地提出,客站建設要體現“功能性、系統性、先進性、文化性、經濟性”的原則。大空間、大跨度結構的車站站臺雨棚,因其貫徹了無站臺柱的設計理念,既最大限度地為旅客提供了進出站的空間,又集中體現了現代化車站的通透、無障礙理念,因而成為新型鐵路客站的首選建筑形態。

2 武廣客站雨棚結構主要形式

雨棚結構主要體現在屋蓋結構和支撐體系上,而此類空間要求較高的建筑往往采用大跨度屋蓋結構體系和剛度較大的鋼柱或鋼筋混凝土柱。在武廣鐵路客運專線根據不同的車站站臺規模和站臺數量,采用了空間桁架、空間剛架以及單臂懸挑結構等結構形式。下面具體分析這些結構的主要特點。

2.1 空間桁架結構體系

空間桁架指的是桁架梁,是格構化的一種梁式結構。桁架結構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,可適應結構內部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓內力實現了自身平衡,整個結構不對支座產生水平推力,結構布置靈活,應用范圍較廣。

2.2 空間剛架結構體系

空間剛架是指梁、柱之間為剛性連接的結構。單層剛架為梁、柱合一的結構,梁柱截面高度小,造型輕巧,內部凈空較大,故被廣泛應用于廠房、體育館、禮堂、食堂等中等跨度的建筑中。其主要特點是:節點形式較為簡單,外觀簡潔,剛度大,幾何特性好；鋼管截面流體動力特性好,對于風荷載等作用效應遠低于其他形式。

2.3 空間懸臂結構體系

懸臂結構通常由懸臂梁和支撐系統所組成。其主要特點是:構形簡潔,富有建筑表現力;懸臂可以充分利用鋼材強度,結構自重較輕,但跨度適用范圍不大。該結構體系主要用于商場、酒店、寫字樓入口門樓。

當然,結構體系和結構形式的選擇不是模式化的,在具體選擇時要充分考慮站房雨棚的建筑造型和站臺寬度,同時要與主站房建筑效果相適應。可選擇上述一種結構或幾種結構組合結構體系來配合建筑,使建筑布置更具靈活性。

3 車站雨棚結構形式的具體應用

(1)長沙南站站臺雨棚采用縱橫向樹狀支撐剛架結構,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。雨棚剛架結構分布于主站房兩側,每側為獨立的兩部分,平面尺寸每側各為135 m×77.5 m、135 m×101.875 m兩部分。整個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構,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。雨棚柱采用鑄鋼節點的樹狀形鋼管混凝土柱,承受屋蓋結構的荷載,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個分叉支點,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,沿縱向設置2道伸縮縫兼防震縫,將站臺雨棚分為3個結構單元,站棚與站房完全脫開。站臺雨棚采用鋼柱支撐的管桁架結構,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,柱與基礎固結。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,為單層結構,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,由站房柱設牛腿支撐鋼桁架。整個站臺鋼雨棚設置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懸挑焊接H型鋼梁結構體系。雨棚長450 m,沿縱向設置2道伸縮縫兼防震縫,分為3個結構單元。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,柱與基礎固結。鋼梁上設置屋面檁條,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構,位于主站房的一側,與站房分開,共分2塊,每塊按溫度縫分為3個區域,柱網尺寸為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。如圖5所示。

圖5 衡山西站站臺雨棚

4 幾種體系的優缺點比較

(1)剛架屬于以受彎為主的結構,材料強度沒有充分發揮作用,這就造成了剛架結構自重較大,用料較多,從材盡其用的要求來看,剛架結構并不是十分合理的結構。但在剛架結構與縱橫向樹狀結構支撐相結合后,由于樹狀柱支撐范圍較大,內力分布均勻,跨度可以做得較大,適用于站臺數量較多的特大型站房。此外,剛架結構為超靜定結構,剛度好、結構內力小,但因柱腳處有彎矩、軸向壓力、水平剪力共同作用于基礎,對基礎地基要求較高。當地基發生不均勻沉降時,將在結構內產生附加內力,所以在地基條件較差時宜慎用。

(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,增大了內力臂,使得以同樣的材料用量,實現了更大的抗彎強度。在抗剪方面,通過合理布置腹桿,能夠將剪力逐步傳遞給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪,桁架結構都能夠使材料強度得到充分發揮,從而適用于各種跨度的建筑屋蓋結構。當然,在客運專線車站建設中,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個站臺,適用于站臺數量不多的中型站房。

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

(4)以上3種體系的支撐系統一般都采用鋼管混凝土柱,可充分發揮混凝土受壓好、鋼材受拉好的特點,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 結語

從以上分析可得到以下結論:

(1)客專站房雨棚的結構體系選擇要適應新型站房的大型化特征；

(2)大跨度結構體系形式多樣,這些結構體系各有優缺點,雨棚建筑宜根據實際需要來選擇相應結構形式；

(3)通過結構體系和武廣鐵路客運專線工程實例分析,建議雨棚結構可進一步研究采用混合結構體系,如張弦梁與網架的組合、剛架與樹形柱的組合、桁架與懸臂結構的組合等,既考慮建筑功能性要求,又符合結構受力原理,且還能滿足經濟性的要求,節能環保,是當今站房建設發展的趨勢。

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[2] 張 凱.高速鐵路車站站房結構體系[J].鐵路工程造價管理,2008(3):25-27.

[3] 潘國華.無站臺柱雨棚設計若干問題的探討[J].鐵道標準設計，2008(6)：113-117.