張弦桁架鋼結構雨棚設計

朱丹暉，淳于銘，張秀山

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022;2.山東省水利勘測設計院，濟南 250011)

1 工程簡介

聊城火車站位于京九鐵路、邯濟鐵路、聊泰鐵路等鐵路干線交匯點，為了適應鐵路高速發展的需要，提高客運服務質量，鐵道部與聊城市聯合投資，對聊城火車站進行了改造，新建聊城站無站臺柱雨棚工程是其中一項。新建無站臺柱鋼結構雨棚縱向總長494 m，覆蓋水平投影面積為33 455 m2。雨棚采用張弦桁架結構體系、鍍鋁鋅屋面板、鋁鎂錳板吊頂，整個建筑造型輕盈通透、簡潔大方，富有結構美感，建成后實景如圖1所示。

圖1 聊城火車站無站臺柱雨棚實景

2 結構設計概述

張弦鋼結構自重較輕，結構構件輕盈，現代感較強，適用于大型公共建筑的屋蓋結構、大跨度火車站站臺雨棚結構等。隨著國民經濟的發展和技術的成熟，近年來張弦桁架結構得到了廣泛的應用，如北京農展館新館屋蓋、廣州國際會展中心展覽大廳鋼屋蓋、北京北站站臺雨棚等。結合建筑造型、安全、經濟因素，聊城火車站站臺雨棚亦采用了張弦鋼管桁架結構。

聊城站站臺雨棚位于聊城火車站站房西側，雨棚采用單跨張弦桁架結構，單榀桁架跨度為65.45 m，跨越3個站臺、7股道。雨棚縱向長度494 m，共設28榀鋼桁架，桁架標準間距18 m，站房范圍內雨棚結構鉸接于站房鋼筋混凝土柱側，為了適應站房柱布置，該處桁架間距15、20、21 m 不等(圖2，圖 3)。

圖2 雨棚結構平面(單位:mm)

圖3 雨棚橫斷面(單位:mm)

雨棚的結構體系為單向受力的張弦桁架結構，張弦主桁架鉸接于兩側格構柱或鋼筋混凝土牛腿上。為了保證主桁架平面外的剛度，避免主桁架縱向偏移，在主桁架間設置次桁架，次桁架上方垂直線路方向安裝H形鋼鋼梁，鋼梁作為檁條轉換構件，其上沿縱向設置C型鋼檁條，檁條間距1.5 m，檁條上覆0.7 mm厚鍍鋁鋅鋼板，檁條下掛0.8 mm厚鋁鎂錳吊頂板。為了實現股道上方露空，以便采光及空氣交換，股道上方不設次桁架、H形鋼鋼梁及C型鋼檁條等屋面系統。

圖4 張弦桁架截面(單位:mm)

雨棚張弦桁架主梁由倒放三角形鋼管桁架、桁架下弦撐桿、預應力鋼拉索組成桁架結構橫斷面如圖4所示。根據建筑美觀要求及結構安全經濟因素，鋼桁架矢高取5.0 m，為跨度的1/13，鋼管桁架全長等截面，截面高度2 m，寬度為2 m。下弦撐桿水平間距約6.3 m，撐桿上端均鉸接于桁架下弦節點位置，下端通過鑄鋼球節點與預應力鋼拉索鉸接連接。

張弦桁架拉索選用符合規范《塑料護套半平行鋼絲拉索》(GJ3058—96)及《斜拉橋熱擠聚乙烯拉索技術條件》(JT/T6—94)要求的高強度低松弛鍍鋅半平行鋼絲束鋼索，鋼索抗拉強度標準值1 670 MPa，拉索錨具采用冷鑄錨。拉索與下弦相交位置設置鑄鋼相貫節點(圖5)，拉索穿過下弦后固定于桁架支座上方三角形桁架形心錨固節點(圖6)，從而使得錨索錨定力能均勻的傳遞到桁架節點，保證了錨固節點的安全。桁架兩端通過支座鉸接于鋼管混凝土柱頂，局部站房位置桁架端部鉸接于站房結構牛腿上。為了使得張弦桁架結構受力簡單明確，支座設計為標準鉸接支座(圖7)，支座可自由沿桁架方向轉動，支座僅承擔軸力，也簡化了鋼管混凝土格構柱的受力情況，充分利用了張弦桁架結構自我變形調整能力。鋼桁架主要構件截面尺寸見表1。

圖5 鑄鋼相貫節點

圖6 預應力拉索錨固端

圖7 桁架端部支座(單位:mm)

表1 主鋼桁架構件截面規格

張弦桁架間采用1 000 mm高倒放正三角形鋼管次桁架作為次梁，次桁架間距約6.5 m，并在張弦桁架端部間設置與張弦桁架等高之橫向支撐次桁架，以加強結構整體性能。

3 荷載

工程設計使用年限為50年，結構重要性系數為1.0。根據結構受力的實際情況，本工程結構分析計算時考慮的荷載及效應有:恒載、活載、風壓、溫度效應和地震作用。由于聊城市雪荷載標準值小于活載標準值，故計算時雪荷載不參與組合計算。

3.1 基本數據

(1)恒載0.6 kN/m2，包括屋面檁條、吊頂、管線燈具等荷載，結構自重由程序自動計入。

(2)活載 0.5 kN/m2。

(3)基本風壓0.45 kN/m2，建筑場地周圍地貌為B類地貌。風壓高度變化系數1.25，風振系數1.1。風荷載體型系數根據《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)中四面開敞式雙坡屋面的體型系數取值。

(4)溫度效應考慮±30℃。

(5)抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，多遇水平地震影響系數最大值為0.08，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s，建筑結構阻尼比0.035。

3.2 荷載組合

考慮對結構最不利工況進行荷載組合，根據相關規范要求，工程計算考慮以下荷載組合:

(1)1.0D+1.0L;

(2)1.2D+1.4L;

(3)1.2D+1.4Wl;

(4)1.2D+1.4Wr;

(5)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.6Wl;

(6)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.6Wr;

(7)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.8T;

(8)1.2D+1.4×1.0L+1.4×0.8(-T);

(9)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8T+1.4×0.6Wl;

(10)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8T+1.4×0.6Wr;

(11)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8(-T)+1.4×1.0Wl;

(12)1.2D+1.4×0.7L+1.4×0.8(-T)+1.4×1.0Wr;

(13)1.2(D+0.5L)+1.3Ex;

(14)1.2(D+0.5L)+1.3Ey;

(15)1.2(D+0.5L)+1.3Ex+1.4×0.2Wl;

(16)1.2(D+0.5L)+1.3Ex+1.4×0.2Wr;

(17)1.2(D+0.5L)+1.3Ey+1.4×0.2Wl;

(18)1.2(D+0.5L)+1.3Ey+1.4 ×0.2Wr。

注:以上組合中D表示恒載(包括自重)，L表示活載，Wl、Wr分別表示左風和右風，T、-T分別表示升溫和降溫，Ex、Ey分別表示x、y向地震作用。

4 結構計算分析

4.1 結構計算

張弦桁架結構計算的關鍵在于確定鋼拉索的初始索力。一般通過控制主桁架下弦垂直位移在荷載標準組合(1.0D+1.0L)下的位移值來確定合適的初始索力，同時保證鋼拉索在其他荷載組合作用下均保持一定的拉力，且拉索最大拉應力不應超過拉索應力設計值的40%。

本工程采用有限元分析軟件Midas/Gen Ver7.1.2進行計算，建立三維空間模型(圖8)，并對其進行幾何非線性分析，計算時桁架下弦控制位移為桁架跨度的1/600(規范要求為L/300)，位移最大值約為109 mm，允許10 mm誤差，拉索最大拉力設計值為6 525 kN。通過多次試算，最終確定初始索力為1 400 kN，標準組合下桁架下弦最大位移為115 mm，拉索工作狀態下最小拉力為964 kN，最大拉力為2 210 kN，滿足控制條件。

圖8 三維空間有限元計算模型

4.2 抗震分析

抗震分析采用振型分解反應譜法，考慮雙向水平地震作用，反應譜函數為China(GB50011—01)，振型數量為9個。結構前3個振型的自振周期第1振型1.19 s，第2 振型 0.97 s，第3 振型 0.91 s。

結構自振主振型為上、下垂直振動，張弦桁架下部索面外的擺動較小，在地震作用下，結構安全，結構設計滿足抗震要求。

分析計算結果表明，由于采用了合理的結構設計方案，結構保持了很好的整體穩定性。

結構設計安全，滿足相關規范要求。

5 拉索張拉施工

本工程在屋面H形鋼鋼梁及檁條安裝完畢后進行張拉施工，通過程序中讀取該工況下拉索拉力及弦桿位移來確定拉索張拉監測數據。施工張拉力可在控制索力的基礎上變動±10%，保證張弦桁架上弦在恒載和自重作用下的撓度控制在設計允許范圍之內(本工程恒載及自重作用下設計允許撓度為80 mm)，實際觀測結構豎向位移可變范圍±15%，同時控制各榀之間相對位移控制為±10 mm。施工監測數據反饋控制索力及位移均在設計允許范圍內。

目前該工程已竣工并投入使用，極大改善了聊城火車站的客運設施條件及服務水平，提升了聊城市的城市形象。

6 結語

兩端鉸接的張弦桁架結構，自身內力能達到平衡，下部受力構件主要承受軸力，與其他結構形式能很好的結合，且結構質量較傳統鋼結構更輕，經濟性好，可以在大跨屋蓋體系中廣泛應用。通過本次設計，主要有以下幾點體會:

(1)張弦桁架結構兩端支座適宜做成鉸接支座;

(2)張弦桁架結構設計時應特別注意撐桿、支座、錨固端等節點設計，有條件時應對支座進行有限元分析;

(3)張弦桁架結構剛度較一般鋼結構要差，應加強主桁架間的縱向次梁設計，加強結構的整體剛度，避免主桁架平面外失穩破壞。

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