鐵路客站站臺雨棚風荷載計算探討

溫四清董衛(wèi)國邱 劍

（1中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 總工程師、教授級高級工程師；2中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 高級工程師；3中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 教授級高級工程師，湖北 武漢 430014）

1 概述

鐵路客站站臺雨棚覆蓋面積大、跨度大，一般四面開敞，形狀各異。雨棚屋蓋多采用輕型鋼屋蓋。站臺雨棚的安全問題主要為雨棚屋面系統(tǒng)的抗風安全問題。準確合理地進行站臺雨棚風荷載計算，對于控制投資、保證運行安全，十分重要[1]。本文就雨棚風荷載計算存在的一些問題進行探討并給出解決建議，主要研究探討的問題是：基本風壓、安全等級、體型系數(shù)、風振系數(shù)、陣風系數(shù)、抗臺風設(shè)計等。

2 基本風壓

GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版）（以下簡稱荷載規(guī)范）規(guī)定：“對于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風壓應(yīng)適當提高，并應(yīng)由有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定?！闭九_雨棚屬于對風荷載比較敏感的建筑，但到目前為止，尚無相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對雨棚的基本風壓如何提高做出規(guī)定。JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱高規(guī)）和CECS102:2002 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱門剛規(guī)程）對高層建筑及門式剛架風荷載基本風壓的規(guī)定可予以借鑒。

高規(guī)規(guī)定為：“對風荷載比較敏感的高層建筑，承載力設(shè)計時，應(yīng)按荷載規(guī)范規(guī)定的基本風壓值的1.1倍采用?！?/p>

門剛規(guī)程規(guī)定，基本風壓應(yīng)按荷載規(guī)范規(guī)定的基本風壓值的1.05倍采用。

高規(guī)和門剛規(guī)程的規(guī)定，與荷載規(guī)范的精神是相符的，即適當提高對風荷載敏感的建筑物的抗風能力。

輕鋼屋面雨棚也屬于對風荷載敏感的建筑，目前的意見是將其基本風壓按100年一遇取值，大致相當于50年一遇基本風壓的1.15倍。考慮到不論是雨棚的主體結(jié)構(gòu)還是金屬屋面系統(tǒng)，其安全問題主要是承載力問題，同時使基本風壓的重現(xiàn)期與設(shè)計基準期一致，建議基本風壓仍然取50年一遇對應(yīng)的基本風壓，并規(guī)定雨棚在進行承載力計算時，基本風壓值應(yīng)按荷載規(guī)范規(guī)定值的1.15倍采用，在進行變形計算時，則仍然采用荷載規(guī)范的規(guī)定值。

3 安全等級

雨棚的安全等級，以前一般定為二級。雨棚屋面系統(tǒng)出現(xiàn)一系列安全事故之后，雨棚的安全等級提升為一級。安全等級的定義出自GB 50068—2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準》和GB 50153—2008《工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準》，以結(jié)構(gòu)破壞后所引起的后果的嚴重程度來劃分。當破壞后果很嚴重時，應(yīng)劃分為一級。雨棚結(jié)構(gòu)破壞后，其后果無疑屬于很嚴重，故雨棚的安全等級應(yīng)定為一級。

4 體型系數(shù)

雨棚的體型系數(shù)，在荷載規(guī)范中，可以參照執(zhí)行的規(guī)定主要是荷載規(guī)范表7.3.1中的第27項，四面開敞式雙坡屋面，如圖1所示；第29項，單坡及雙坡屋蓋，如圖2所示。

圖1 雙面和四面開敞式結(jié)構(gòu)受風示意圖

圖2 單柱雙坡屋面

圖2-a的體型系數(shù)同表1，圖2-b的體型系數(shù)詳表2。

表1 雙面或四面開敞式雙坡屋面體型系數(shù)

表2 單柱雙坡上翹屋面體型系數(shù)

按照規(guī)范規(guī)定進行體型系數(shù)計算時，所存在的問題及建議的解決方式如下。

4.1 規(guī)范所規(guī)定的形狀種類，遠不能涵蓋雨棚結(jié)構(gòu)的實際情況

當雨棚體型復雜時，體型系數(shù)無規(guī)范可依，此時，雨棚的體型系數(shù)應(yīng)由風洞試驗確定。

每一項雨棚工程進行風洞試驗時，由于試驗條件、模型制作水平、數(shù)據(jù)采集分析水平等存在差異，不同的單位作出的風洞試驗結(jié)果差異很大，不能保證每一項風洞試驗的結(jié)果都能接近理想的結(jié)果。每一單項工程，僅根據(jù)該工程的風洞試驗結(jié)果進行雨棚設(shè)計，并不能完全保證雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在安全與節(jié)省投資之間達到最佳。這時需要有一種方法，對風洞試驗的結(jié)果進行評判。

到目前為止，已經(jīng)進行了一定數(shù)量的站房和雨棚的風洞試驗，每一種形狀的雨棚都有一定數(shù)量的風洞試驗。雨棚的形狀，對于荷載規(guī)范來說是復雜的，規(guī)范的規(guī)定涵蓋不了，但對于客站建設(shè)來說，大多數(shù)雨棚的形狀有規(guī)律可循，可以分類。為了在雨棚設(shè)計中，做到設(shè)計安全、造價合理，建議在已有的風洞試驗資料分析整理的基礎(chǔ)上，給出一般雨棚的體型系數(shù)，這樣，每一雨棚也可按照規(guī)范的方法進行計算。完成風洞試驗后，應(yīng)分別利用風洞試驗結(jié)果和按照規(guī)范方法對雨棚主體結(jié)構(gòu)和屋面系統(tǒng)分別進行計算，并進行比較分析。當二者結(jié)果接近，并與經(jīng)驗判斷相符，則風洞試驗結(jié)果可采信，并用于設(shè)計；否則，則要分析風洞試驗的結(jié)果是否可用。

4.2 按照四面開敞式屋蓋計算風荷載

按照四面開敞式屋蓋計算風荷載時，規(guī)范規(guī)定“圖1、圖2所示開敞式屋面對風有過敏反應(yīng)，設(shè)計時應(yīng)考慮μs值變號的情況”，但沒有說明什么情況下考慮變號，變號后，絕對值的大小是否改變；對于圖2所示單柱雙坡雨棚屋蓋，如果考慮變號，柱兩側(cè)是同時變號，還是只考慮一側(cè)變號，也未說明。以圖1對應(yīng)的四面開敞式結(jié)構(gòu)為例說明，如果要考慮變號，其體型系數(shù)可能性詳見表3。

表3 四面開敞式雙坡屋面體型系數(shù)

分析已有的風洞試驗數(shù)據(jù)，從局部來看，上述各種可能性均存在。直接采用風洞試驗數(shù)據(jù)計算時，可以將各點的等效荷載直接輸入，各處等效風荷載分布是否有規(guī)律沒有關(guān)系。但是，當按照規(guī)范的方法進行計算時，若沒有規(guī)律，計算和設(shè)計就無法進行。對于整體計算，主要關(guān)注的是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的控制應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)的整體變形，不必要求每一處都與實際受力或與風洞試驗結(jié)果相吻合，但要求總體上有一定規(guī)律，總體變形一致，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力相當。按照這種效應(yīng)等效的原則來進行分析，表3的情況可以大大簡化，簡化后的情況如表4。建議在設(shè)計計算中按表4考慮變號情況?？紤]單側(cè)受力的情況，系參考歐洲荷載規(guī)范[2]的規(guī)定。

表4 四面開敞式雙坡屋面體型系數(shù)建議考慮的情形

對于框架結(jié)構(gòu)的四面開敞雨棚，主體結(jié)構(gòu)起控制作用的主要是表4中的第2種情形，屋面系統(tǒng)起控制作用的主要是第1種情形。

對于單柱雙坡，詳表5。

表5 單柱雙坡上翹屋面體型系數(shù)建議考慮的情形

4.3 縱向風荷載的總水平力

縱向風荷載對屋面所引起的總水平力，當屋蓋與水平方向的夾角小于30°時，風荷載對屋面所引起的總水平力為0.1 Aωh（A為屋面水平投影面積，ωh為屋面高度h處的風壓）；當夾角大于30°時，風荷載對屋面所引起的總水平力為0.05 Aωh。規(guī)范僅給出了橫向風荷載的體型系數(shù)，縱向體型系數(shù)未給出，即如何計算ωh無規(guī)定。在計算縱向總水平力時，若橫向梁或桁架外漏，是否需要額外計算梁或桁架所承受的風力，也不明確。

根據(jù)風洞試驗結(jié)果統(tǒng)計，幾乎所有的雨棚縱向風荷載均小于橫向，計算ωh時，可以參照橫向風荷載體型系數(shù)，同時不再區(qū)分前坡和后坡，各處相同，均考慮兩種情況，體型系數(shù)考慮+1.0和-1.0。（說明：關(guān)于這一點，規(guī)范編制人員解釋，ωh為來流風壓，是基本風壓與風壓高度系數(shù)的乘積，不需要乘以體型系數(shù)。本文根據(jù)風洞試驗的結(jié)果，將體型系數(shù)取+1.0和-1.0，與規(guī)范編制人員的解釋一致。）

當有梁或桁架外露時，參照荷載規(guī)范表7.3.1第31～33項計算，并與按照0.1 Aωh計算的總水平力疊加。

4.4 各地均有主導風向，體型系數(shù)可否根據(jù)主導風向與雨棚的相對關(guān)系確定

主導風向是通常情況下起風的方向，但并不表示在一個設(shè)計壽命周期內(nèi)，總是這樣的方向，因此設(shè)計時，不考慮主導風向的問題。進行風洞試驗，各方向均進行吹風試驗，然后按照最不利組合考慮。

4.5 金屬屋面系統(tǒng)計算

在進行金屬屋面系統(tǒng)計算時，較多的屋面是雙層板，在荷載規(guī)范中，體型系數(shù)是疊加后的結(jié)果，屋蓋的上下表面的體型系數(shù)各是多少，沒有說明。之所以提出這一問題，是因為在進行雨棚屋面系統(tǒng)設(shè)計時，有較多的屋面采用的是雙層板系統(tǒng)，有的雙層板之間還有一定的距離，并有各自的檁條系統(tǒng)。上、下兩層板及連接計算時，需要分別知道上、下表面的體型系數(shù)。以圖2-b為例說明，μs1為+1.0，當為雙層板時，上層板體型系數(shù) μs1t（μs1，top）取多少，下層板體型系數(shù) μs1b（μs1，bottom）取多少，規(guī)范沒有明確。

根據(jù)風洞試驗結(jié)果統(tǒng)計分析，建議上層板體型系數(shù)按照±1.0考慮，下層板按照±0.8考慮。另外考慮局部風壓和瞬時風壓的影響。

5 風振系數(shù)

進行主體結(jié)構(gòu)驗算時，需要計算風振系數(shù)βz。荷載規(guī)范中有關(guān)風振系數(shù)的計算規(guī)定，均是針對高層建筑或高聳建筑，對類似雨棚屋面的大跨度屋蓋，如何計算風振系數(shù)沒有規(guī)定。大跨度輕型雨棚屋蓋的風振系數(shù)計算十分復雜，雨棚分別為懸挑結(jié)構(gòu)和框結(jié)構(gòu)時，其動力特性差別很大。同為框架結(jié)構(gòu)的各種雨棚，當跨度不同時，其動力特性也會有很大差異。

通過分析雨棚風洞試驗報告，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的風洞試驗報告中，雨棚的風振系數(shù)結(jié)果存在如下問題：風振系數(shù)的變化幅度過大，規(guī)律性不強，絕對值從1.4～10.0，不少位置甚至超過10.0很多；在平面上位置相近、結(jié)構(gòu)特性也相差不大的點上，風振系數(shù)往往出現(xiàn)跳躍性變化。設(shè)計人員對風振系數(shù)的合理性難以分析判斷，使用也不方便。

規(guī)范采用風振系數(shù)，用等效靜荷載的方法來考慮風的動力效應(yīng)，是為了方便設(shè)計人員的應(yīng)用。在工程設(shè)計中關(guān)心的，是得出風振系數(shù)后，用這些風振系數(shù)計算得出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件控制點的內(nèi)力與位移是否與根據(jù)動力分析得出的基本一致。到目前為止，大部分雨棚形狀還是比較有規(guī)律的，因此，有條件將雨棚分類后，在風洞試驗數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，對雨棚風振系數(shù)的計算給出指導意見，這樣就可以利用計算得出的風振系數(shù)，按照規(guī)范的方法，進行整體結(jié)構(gòu)的風荷載分析，并與按照風洞試驗結(jié)果直接進行整體分析相比較，以驗證風洞試驗的可靠性。

6 局部體型系數(shù)和陣風系數(shù)

在計算圍護結(jié)構(gòu)時，需要計算局部體型系數(shù)和陣風系數(shù)。局部體型系數(shù)體現(xiàn)的是局部風壓與整體風壓的差別，陣風系數(shù)體現(xiàn)的是瞬時風壓與平均風壓的差別。作為圍護結(jié)構(gòu)，尤其是圍護結(jié)構(gòu)的支座和連接件，其強度由局部瞬時風壓決定。

即將頒布的新的荷載規(guī)范，對圍護結(jié)構(gòu)風荷載計算進行了較大的修訂。明確了圍護結(jié)構(gòu)計算應(yīng)同幕墻一樣，考慮陣風系數(shù)的影響，對局部體型系數(shù)進行了補充規(guī)定，給出了矩形平面屋面的局部風壓體型系數(shù)。因新的荷載規(guī)范尚未正式頒布，在設(shè)計計算中參照新荷載規(guī)范計算時，應(yīng)注意如下事項：1）隨時關(guān)注新荷載規(guī)范最終版本的內(nèi)容變化；2）新荷載規(guī)范給出的矩形平面局部風荷載體型系數(shù)，為封閉結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，可以在站房圍護結(jié)構(gòu)計算時直接參考，但雨棚結(jié)構(gòu)四面開敞，其局部風壓體型系數(shù)可以按照整體計算體型系數(shù)的1.25倍計算。圍護結(jié)構(gòu)的次檁條計算時，風荷載體型系數(shù)可以參照新荷載規(guī)范規(guī)定并根據(jù)次檁條受荷面積打折后計算。

7 抗臺風設(shè)計

荷載規(guī)范所給出的基本風壓，是在一定的實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按照概率的方法，進行統(tǒng)計分析的結(jié)果。

在臺風多發(fā)地區(qū)進行雨棚設(shè)計時，當發(fā)生超過設(shè)計規(guī)范規(guī)定的50年一遇的基本風壓值，如果仍然按照設(shè)計的一般原則控制變形和應(yīng)力，設(shè)計就很難進行。首先，設(shè)計人不知按照什么原則控制；其次，不知要考慮多大的臺風。

文獻[3]借鑒建筑物抗震設(shè)計中的三水準設(shè)計原則進行抗風設(shè)計的思路，值得在臺風地區(qū)的雨棚設(shè)計中考慮。

設(shè)計基準期為50年時，不同的超越概率對應(yīng)的重現(xiàn)期及基本風壓如表6。

表6 不同的超越概率對應(yīng)的重現(xiàn)期和基本風壓

若參照抗震三水準的設(shè)計原則，三水準抗風原則即為常遇風壓不壞，偶遇風壓可修，罕遇風壓不倒。常遇風壓、偶遇風壓、罕遇風壓對應(yīng)的超越概率分別為63.5%、10%和2%。

風災與地震災害有些不同：地震災害臨震預報不可為，不可能提前幾天預測到地震是否會發(fā)生，而風災是可以預報的；罕遇風壓與常遇風壓的對應(yīng)關(guān)系為1.57∶1，罕遇地震與頻發(fā)地震的地震力的關(guān)系約為5∶1。從風災與地震災害的這兩點不同，可以認為，有條件將抗風設(shè)計做得更安全。

本文所述抗臺風設(shè)計，實際為超過規(guī)范風荷載設(shè)防標準下的抗風設(shè)計，建議按照如下原則進行抗風設(shè)計。

第一水準，對應(yīng)超越概率為63.5%的基本風壓，按照規(guī)范控制結(jié)構(gòu)整體變形；按照荷載的基本組合進行承載力驗算通過，且有一定的安全冗余度，冗余度標準可以按照1.15×1.1控制。

第二水準，對應(yīng)超越概率10%的基本風壓1.32 ωo,要求所有構(gòu)件不屈服。荷載按照標準組合驗算，滿足承載力要求。構(gòu)件及連接按照不屈服原則驗算，并有一定的冗余度。整體變形進行限制，但可以比規(guī)范的限制適當放寬。

第三水準，對應(yīng)超越概率2%的基本風壓1.57 ωo,主體結(jié)構(gòu)框架柱不屈服，連接件不拉脫，框架梁允許進入塑性階段，但框架的整體變形予以控制。屋面板允許變形超出規(guī)范，但不允許吹落。

8 結(jié)論

綜上討論，對雨棚的風荷載計算所遇到的問題有如下建議：

1）基本風壓建議取規(guī)范50年一遇對應(yīng)的基本風壓，承載力驗算時，基本風壓應(yīng)乘以1.15。

2）安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

3）體型系數(shù)按照風洞試驗確定。建議在已有風洞試驗的基礎(chǔ)上，給出各類較有代表性的雨棚的體型系數(shù)，并根據(jù)體型系數(shù)按照規(guī)范方法驗算，并同按照風洞試驗數(shù)據(jù)計算的結(jié)果對比。用規(guī)范方法進行整體計算時，體型系數(shù)應(yīng)考慮變號的情況，變號后考慮絕對值適當減小或不變；對于單柱雙坡雨棚屋面，應(yīng)考慮一側(cè)變號、一側(cè)不變的情況。屋面有雙層板時，應(yīng)分別考慮上下兩層板的體型系數(shù)。

4）建議在已有風洞試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對風振系數(shù)的計算給出指導意見。

5）局部風壓系數(shù)，規(guī)范已經(jīng)明確者，按規(guī)范規(guī)定執(zhí)行；未明確者，按照整體計算風壓系數(shù)的1.25倍考慮。

6）圍護結(jié)構(gòu)驗算時，陣風系數(shù)應(yīng)予以考慮。

7）臺風地區(qū)的抗風設(shè)計，可以借鑒抗震三水準的設(shè)計原則，進行三水準的抗風設(shè)計，以達到安全與投資的平衡。

[1]韓志偉.鐵路客站大型復雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟研究，2011（6）：28-32

[2]prEN 1991-1-4,Eurocode 1:Actions on Structures－General Actions－Part 1-4:Wind Actions

[3]安玉成.站臺雨棚抗臺風的設(shè)計研究[C]//中國鐵路客站技術(shù)交流會論文集.成都，2011