車站無站臺柱雨棚風荷載設計探討

蔣 凡

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

風荷載是屋面結構設計、幕墻設計和結構設計的重要荷載之一。無站臺柱雨棚屬于大跨結構,周邊未封閉,其上下表面均受到風荷載作用,且由于其樣式各異的造型,使得風在其表面存在著分離、再附、旋渦、回流等多種復雜的三維流動現象,因此，其表面風荷載分布也是較為復雜的。目前我國的《建筑結構荷載規范》對諸如車站大跨度雨棚這樣的結構沒有明確的風荷載設計要求,而形狀類似的挑檐等結構雖可查到體型系數,但對這樣的大型雨棚而言僅有借鑒意義。《建筑結構荷載規范》第7.3.1條規定房屋和構筑物與規范中表7.3.1中的體型不同時,可參考有關資料,當無參考資料可借鑒時,宜由風洞試驗確定。因此,為確定準確的雨棚設計荷載,較多的車站雨棚進行了風洞模擬試驗,得到了豐富的風洞試驗結果及分析數據。這些試驗結果及分析數據對指導具體單體雨棚風荷載設計具有明確的意義,但這些單體試驗結果尚未經總體共性分析,還不具備普遍理論指導作用。本文擬就系列無柱雨棚風洞試驗結果進行初步分析,討論無柱雨棚風荷載作用的普遍典型特點及規律,得出能指導工程實踐的無柱雨棚風荷載設計結論。

2 無柱雨棚風洞試驗數據分析

風洞模擬試驗是風工程研究中應用最廣泛、技術也相對比較成熟的研究手段。其基本做法是,按一定的縮尺比將建筑結構制作成模型,在風洞中模擬風對建筑作用,并對相關物理量進行測量。

對上述雨棚風洞試驗結果統計分析,可以得出如下結論。

(1)雨棚的邊緣部分(其中主要包括雨棚懸挑端部)壓力隨風向的變化最為劇烈,且表面平均風壓值的最大點通常都出現在該區域。表1為各雨棚風洞試驗的平均壓力系數突變數據統計。

表1 雨棚平均壓力系數突變比較

從表1中不難看出,雨棚正風壓系數變化相對雨棚負風壓小, 表中正風壓平均壓力系數差值最大的只有0.5,而對于負風壓,差值基本在-0.5以上。平均壓力系數為體型系數和風壓高度變化系數的乘積,風壓高度變化系數是固定的,因此,平均壓力系數代表了體型系數,兩者是1.1～1.2倍的關系。仔細分析表1,找出體型系數變化原因：一是站房對雨棚在風荷載作用下的影響,從圖1和表1中可以看出,雨棚在站房范圍內的體型系數相對站房范圍外的體型系數在很大范圍內要小,因此,站房立于雨棚側,影響了雨棚表面的體型系數分布；二是雨棚懸挑端在負風壓下,體型系數變化劇烈。從表1中看出,鹽城站、南通站、張家界站、泰州站雨棚懸挑端負風壓體型系數變化都較大,而南京站和其他站的非懸挑端相對變化較少。

同時,由各雨棚風洞試驗測量得到的脈動壓力系數也表明雨棚的邊緣區域的壓力脈動非常大。二者綜合作用的結果導致該區域的極值風壓系數要高于其他區域。因此在進行結構設計時,這一區域需著重考慮。

(2)雨棚的橫斷面形狀對平均壓力系數影響較大,一般平坦、向內收縮形狀的平均壓力系數相對較小,而斷面外翹、凹凸不平的雨棚的平均壓力系數相對較大。為了比較雨棚橫斷面形狀對雨棚風荷載作用的影響,特作雨棚風荷載作用平均壓力系數曲線圖,如圖2、圖3所示。圖中包含了雨棚橫斷面位置與壓力系數關系。

從圖2中可以看出,雨棚大部分正風壓平均壓力系數在0.3以下,僅有張家界和南通雨棚部分區域系數達到0.8,對應圖1,雨棚此區域截面向上翹曲,傾斜角度較大,與水平夾角成21°左右。由此表明,雨棚的橫斷面形狀對正風壓平均壓力系數影響較大,一般平坦、向內收縮形狀的平均壓力系數相對較小,而斷面外翹、凹凸不平的雨棚的平均壓力系數相對較大,其中,主要表現在截面傾斜較大區域。

圖2 雨棚風荷載作用平均壓力系數曲線(正風壓)

圖3 雨棚風荷載作用平均壓力系數曲線(負風壓)

由圖3可以看出,雨棚負風壓平均壓力系數相對規范GB50009—2001表7.31規定要大。規范表7.31中一般負風壓區域體型系數在-0.6以下,對于比較敏感區域在-1.3以下；而圖3中,雨棚大部分區域風壓平均系數在-0.7以上,因此,對雨棚負風壓體型系數應該特別注意,以防在結構設計中取值偏小。

從圖3中同時可以看出,張家界站、南通站和泰州站的懸挑部分負風壓平均壓力系數均接近-2.0,較其他區域要大得多。這表明雨棚的懸挑部分屬于風荷載特別敏感區域,在設計中尤需注意。

從以上分析可以得出：一是無站臺柱雨棚表面形狀一般較平,沒有明顯的迎風面,同時雨棚采用壓型鋼板屋面,外形圓滑流暢,因此,雨棚的大部分區域正風壓不太大；而無站臺柱雨棚結構由于沒有四周圍護結構,同時,雨棚建筑高大、空曠,從內到外的風荷載作用明顯,這也使雨棚的負風壓作用較大。二是雨棚的橫斷面形狀對平均壓力系數影響較大,一般平坦、向內收縮形狀的平均壓力系數相對較小,而斷面外翹、凹凸不平的雨棚的平均壓力系數相對較大,特別是雨棚懸挑端的負風壓體型系數。

3 結 語

雨棚風洞試驗對雨棚的設計具有重要的指導意義，對于做了風洞試驗的雨棚,風洞試驗結果能夠指導雨棚設計中風荷載體型系數的取值,同時通過風洞試驗能了解雨棚在風荷載響應下的變形反應等,從而根據響應相應對結構進行調整。不過對于未進行風洞試驗的雨棚來說,需要根據上述研究成果,獲取較為準確的風荷載體型系數,以作出合理的結構布置。

3.1 雨棚體型系數建議取值

通過數個雨棚風洞試驗研究,同時結合《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)的規定,得出雨棚在風荷載作用下,雨棚體型系數的建議參考取值,見表2。

表2 雨棚體型系數建議取值

注：對于雨棚屋面傾斜角度位于10°～30°間按線性插值取。

3.2 風荷載作用下雨棚結構布置

在風荷載作用下,雨棚在各區域的響應并不一致,有的地方反應強烈,而有的部位則弱一些,這一方面是各區域體型系數大小不一,另外是風致振動在各處表現不一。因此,相應風荷載對雨棚的結構作用,應作出合理結構布置。

(1)雨棚檁條及支撐布置

在采用統一高度屋面檁條的情況下,應結合風荷載作用,在作用區域大的部位布置密一些,而在作用小的部位布置稀一些。雨棚的邊緣部分風荷載作用較中間部分反應更大,相應,可以在雨棚的邊緣或外圍一周布置屋面支撐,加強屋面的整體性,從而提高抵抗雨棚局部風荷載劇變的作用。

(2)懸挑端結構布置

雨棚懸挑端一方面要承擔雨棚自重和雨、雪等活載作用,同時,又受到風荷載作用。通常情況下,考慮較多的是雨棚在恒載、活載和風壓作用下,懸挑端的強度、穩定和變形問題。但值得注意的是,由于懸挑端負風壓體型系數大,在風吸的作用下,雨棚自重并不一定能抵消向上的風荷載作用。此時,一方面可通過增加雨棚自重方法達到平衡,但有時這種方法不經濟,此時,可以在雨棚懸挑端上方改拉索為拉壓桿,拉壓桿在結構受到向下作用時起到拉桿作用,而在受到向上作用時則可以用作壓桿,抵抗部分向上推力。

[1] GB50010—2002 建筑結構荷載規范[S].中國工業建筑出版社，2002.

[2] 中國建筑科學研究院.南通火車站無站臺柱雨棚風荷載風洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學研究院，2006.

[3] 中國建筑科學研究院.張家界火車站無站臺柱雨棚風荷載風洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學研究院，2005.

[4] 中國建筑科學研究院.泰州火車站無站臺柱雨棚風荷載風洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學研究院，2005.

[5] 中國建筑科學研究院.鹽城火車站無站臺柱雨棚風荷載風洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學研究院，2005.

[6] 中國建筑科學研究院.南京火車站無站臺柱雨棚風荷載風洞模擬實驗報告[R].北京：中國建筑科學研究院，2006.

[7] 丁浩明，方江生，王田友.復雜體型大跨度屋蓋結構的抗風研究[J].建筑結構，2006(6).

[8] 崔 佳,唐 毅,龍莉萍.大跨度骨架式膜結構風振響應分析[J].建筑結構,2007(1).

[9] 高 劍.無站臺柱雨棚大跨開敞結構的風工程設計研究[J].鐵道標準設計，2009(S).

[10] 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.