關于高鐵站臺遮雨篷設計的研究

孫國兵

北京中航天業科技有限公司，北京，100041

0 引言

隨著我國經濟的發展，生活水平的日益提高，國家加大對高鐵的建設，因此高鐵的相關設計也應運而生。高鐵站臺作為地方的地標性建筑，不僅為旅客遮風擋雨，還要求有更高的觀賞性，同時又要考慮一定的安全性和經濟性。筆者做了大量的分析對比之后，發現采用圓形鋼柱雙側懸挑鋼梁形式的站臺具有較高的實用性及觀賞性。然而，此結構形式對風荷載和雪荷載都較為敏感，且需要考慮高速列車通過時的局部風荷載沖擊，所以如何全面考慮荷載選取與組合，對結構計算至關重要，另外鋼結構設計，在保證結構強度、剛度、穩定問題的同時，細部節點及連接的做法也是不容忽視的，而目前計算分析軟件對個別結構并不能十分準確地分析計算，所以一定要對計算結果進行人為判別，并加以修正。鐵路事業不斷發展壯大，高鐵車站的新建工程也逐漸增多，所以對此類結構形式高鐵站臺進行探討分析，對類似項目具有借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 自然條件

設計使用年限：50年；結構安全等級：一級；結構重要性系數：1.1；基本風壓：0.45kN/m2（R=100）；地面粗糙類別： B類；基本雪壓：0.45kN/m2（R=100）；抗震設防烈度：7度（0.1g）；設計地震分組：第二組；場地類別：Ⅱ類；特征周期：0.4s；水平地震影響系數αmax=0.16。

1.2 結構形式

根據此高鐵站的規模、人流密度及使用需求，綜合考慮實用性、建筑美觀性及經濟性等要求，最終采用鋼柱雙側懸挑焊接H型鋼梁結構體系，每榀鋼架間搭次梁連接，雨篷伸縫按≤120m設置，計算時不考慮溫度荷載作用。鋼架檐口高度6.1m。

計算簡圖如圖1、圖2。

2 結構計算

2.1 荷載取值與荷載組合

（1）荷載取值

永久荷載：0.5kN/m2（金屬屋面板+檁條+預留光伏面板）；

可變荷載：活荷載0.5kN/m2；基本風壓0.45kN/m2（R=100）；基本雪壓0.45kN/m2（R=100）。

根據《建筑結構荷載規范》表8.3.1第29項[1]，α＜10°，體型系數分別取1.0和0.7，站臺雨篷體型系數取值見圖3。

（2）荷載組合。本項目采用盈建科建筑結構計算軟件（YJK V1.8.3版）進行分析計算。

根據荷載規范5.3.3條“不上人屋面的均布活荷載，可不與雪荷載和風荷載同時組合”[1]的規定及相關參考資料，取活荷載、雪荷載、風荷載三者中較大的兩者進行組合設計，即考慮雪荷載、活荷載同時組合進行計算。因軟件默認只能輸入單種活荷載且無法進行組合計算，故軟件中輸入活荷載后應自定義“雪荷載”工況，輸入雪荷載。生成荷載組合數據見圖4。

2.2 鋼柱計算長度的確定

軟件計算模型共輸入兩個標準層：地下部分（含地梁）；地上鋼結構部分見圖5。

經程序自動計算，鋼柱平面外的長細比超限，顯示為140.3。據長細比計算公式[2]：

逆向推導，可知軟件自動計算鋼柱計算長度為28.4m。考慮地下混凝土短柱部分剛度遠遠大于鋼柱，此處可作為上部鋼結構的嵌固端，視為剛接，故可判定軟件的計算結果不符合規范的相關規定，經分析，軟件自動識別平面外鋼柱實際長度為14.20m，即兩個標準層層高之和，見圖6。

究其根本，地梁層混凝土柱平面外無框架梁約束，此情況下程序會自動識別并計算，柱的長度在X向為兩層柱子高度之和，這顯然不滿足規范要求，需要人為干預，可采用人工修正系數，或只取鋼結構部分建立模型對長細比進行復核，復核計算后，鋼柱長細比滿足規范要求。

3 梁柱截面的確定

3.1 鋼柱

結合本項目結構特點及結構受力要求，考慮建筑的美觀性，鋼柱采用圓管，長細比理論值為小于120，經驗控制在100，計算長度為12.2m，求得回轉半徑iy=12.2/100=12.2cm，查型鋼選用表選用圓管600×18，考慮鋼柱穩定性要求，且整個雨篷結構載荷不大，建議采用Q235B材質，在滿足鋼材強度要求的前提下應盡量采用較薄的壁厚，以此保證截面的回轉半徑較大，較容易滿足構件的長細比要求。

綜上所述，采用圓管600×18軸壓比，位移、周期比等均滿足規范要求。

3.2 鋼梁

因雨篷鋼梁跨度較大，優先選用Q345B材質，考慮建筑美觀性及經濟性，減輕自身重量等因素，懸挑梁采用變截面形式?？v向次梁也采用Q345B材質，跨度不同的次梁盡量通過調整翼緣厚度來滿足應力要求。除強度方面，懸挑構件對撓度也較為敏感，次梁跨度也較大，一定要注意對構件撓度進行驗算并復核，此時應注意，對于懸挑構件，撓度限制中構件跨度應取兩倍懸挑實際長度。

除計算要求外，結構還要對建筑專業的特殊要求需求加以配合。因建筑專業要求，雨篷縱向中心位置需設置600寬檐溝用于排水，顯然，采用普通H型鋼難以實現此功能要求，故中心位置鋼梁采用格構式截面，將兩上下不等寬翼緣的工字型截面用鋼板焊接相連（下翼緣連續，上翼緣僅梁梁連接節點相連），以此滿足建筑要求。

4 節點設計

4.1 梁柱、梁梁節點

梁柱采用常規栓焊剛接，分別對腹板螺栓群、腹板連接板、加勁肋角焊縫、梁腹凈截面承載力進行驗算。

縱向次梁與鋼架鋼梁一般為螺栓鉸接連接，因個別柱距較大又需對截面高度加以控制，鉸接連接較難滿足次梁強度、穩定、撓度要求，故少數大跨度次梁與鋼架鋼梁采用栓焊剛接連接，此時應注意。因鋼架鋼梁單方向平面外與次梁剛接，次梁對鋼架鋼梁會產生較大扭矩，此種情況下應將相鄰跨次梁該端節點也作剛接，以此平衡次梁傳遞給主梁的彎矩。

4.2 柱腳節點

柱腳采用埋入式柱腳。柱腳軸向壓力由柱腳底板直接傳給基礎，應驗算柱腳底板下混凝土的局部承壓。抗震設計時，在基礎頂面處柱可能出現塑性鉸的柱腳應按埋入部分鋼柱側向應力分布驗算在軸力和彎矩作用下基礎混凝土的側向抗彎極限承載力，極限受彎承載力不應小于鋼柱全塑性抗彎承載力，與極限受彎承載力對應的剪力不應大于鋼柱的全塑性抗剪承載力。

5 設計應注意及探討的問題

5.1 關于結構整體指標的控制

根據《抗規》[4]及《高規》[5]規定，結構計算應滿足“樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍”且“結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，不應大于0.9”。然而由于此結構作為站臺雨篷，有其一定的特殊性，單柱雙側懸挑并沿站臺長度方向布置的結構形式決定了此結構是較難滿足規范周期比的要求的，考慮其為單層結構及其用途的特殊性，并未對結構周期比進行嚴格控制，但對位移等其他方面做了嚴格要求，放寬要求。

5.2 活荷載的不利布置

本結構為雙側懸挑結構，主模型考慮了結構可變荷載滿布的情況。然而，當僅某一單側懸挑部分滿布可變荷載時，有可能會對結構和基礎產生更為不利的影響，而這種不利布置軟件模型中是無法與滿布活荷載同時考慮的，故在其他條件不變的情況下，需要再新建此種可變荷載不利布置的模型作為補充模型對結構進行復核。

5.3 風荷載體形系數

本項目風荷載根據相關工程經驗及《荷載規范》[1]確定。然而此種結構對風荷載較為敏感，且地處位置特殊，作為站臺雨篷，高鐵進站時產生的氣流較為復雜，對雨篷的影響也很大。所以，結合以往的工程經驗，根據工程規模、復雜程度等實際情況，慎重地確定結構的風荷載體型系數，必要時應進行風洞試驗。

5.4 關于金屬屋面注意事項

此次設計任務并未包含雨篷金屬屋面部分，但有些問題還是值得考慮和探討的。金屬屋面板應考慮承載能力極限狀態下和正常使用極限狀態下恒荷載、活荷載的作用。同時，風吸力的作用也不容忽視。在風荷載較大的地區，許多建筑金屬屋面板由于設計計算錯誤或施工質量問題導致被局部甚至全部掀起，造成經濟損失甚至造成人員傷亡。其主要原因就是設計人員和施工人員對風吸力的影響缺乏充分的考慮，特別是金屬屋面板與檁條或主結構的連接節點較為薄弱。所以設計中應充分考慮風吸力對金屬屋面的不利作用，加強與主體連接處的構造處理，保證結構的安全可靠。

6 結語

通過對此項目結構的分析對比，有如下結論：

（1）鋼柱雙側懸挑焊接H型鋼梁，每榀鋼架間搭次梁連接的雨篷結構體系，是一種常見的站臺雨篷結構，具有較高的實用性及觀賞性、抗震性能較好、空間布置合理、承載力高等特點，在高鐵站廣泛應用，但此類結構對風荷載和雪荷載都較為敏感，且需要考慮高速列車通過時的局部風荷載沖擊，所以如何全面考慮荷載選取與組合，對結構安全至關重要，本文對類似計算做了詳細闡述，另外對于鋼結構設計，在保證結構強度、剛度、穩定問題的同時，細部構造及連接的做法也要保證安全可靠。

（2）結構設計不可完全依據軟件，軟件只是一個輔助工具。對于軟件計算結果，結構設計人員應經分析判斷確認其合理、有效后，方可用于工程設計。

（3）結構設計中，首先應重視概念設計和方案設計，結構形式合理，分析假定正確，另外應將各種工況分析清楚，各種荷載考慮全面，尤其應注意某些不利工況對結構產生的不利影響。同時應適當加強一些構造措施，這樣才能實現最佳設計。