張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)雨棚設(shè)計(jì)

朱丹暉，淳于銘，張秀山

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250022;2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250011)

1 工程簡(jiǎn)介

聊城火車站位于京九鐵路、邯濟(jì)鐵路、聊泰鐵路等鐵路干線交匯點(diǎn)，為了適應(yīng)鐵路高速發(fā)展的需要，提高客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，鐵道部與聊城市聯(lián)合投資，對(duì)聊城火車站進(jìn)行了改造，新建聊城站無(wú)站臺(tái)柱雨棚工程是其中一項(xiàng)。新建無(wú)站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚縱向總長(zhǎng)494 m，覆蓋水平投影面積為33 455 m2。雨棚采用張弦桁架結(jié)構(gòu)體系、鍍鋁鋅屋面板、鋁鎂錳板吊頂，整個(gè)建筑造型輕盈通透、簡(jiǎn)潔大方，富有結(jié)構(gòu)美感，建成后實(shí)景如圖1所示。

圖1 聊城火車站無(wú)站臺(tái)柱雨棚實(shí)景

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

張弦鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕盈，現(xiàn)代感較強(qiáng)，適用于大型公共建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、大跨度火車站站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)等。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的成熟，近年來(lái)張弦桁架結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，如北京農(nóng)展館新館屋蓋、廣州國(guó)際會(huì)展中心展覽大廳鋼屋蓋、北京北站站臺(tái)雨棚等。結(jié)合建筑造型、安全、經(jīng)濟(jì)因素，聊城火車站站臺(tái)雨棚亦采用了張弦鋼管桁架結(jié)構(gòu)。

聊城站站臺(tái)雨棚位于聊城火車站站房西側(cè)，雨棚采用單跨張弦桁架結(jié)構(gòu)，單榀桁架跨度為65.45 m，跨越3個(gè)站臺(tái)、7股道。雨棚縱向長(zhǎng)度494 m，共設(shè)28榀鋼桁架，桁架標(biāo)準(zhǔn)間距18 m，站房范圍內(nèi)雨棚結(jié)構(gòu)鉸接于站房鋼筋混凝土柱側(cè)，為了適應(yīng)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(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

圖3 雨棚橫斷面(單位:mm)

雨棚的結(jié)構(gòu)體系為單向受力的張弦桁架結(jié)構(gòu)，張弦主桁架鉸接于兩側(cè)格構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)換構(gòu)件，其上沿縱向設(shè)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(shí)現(xiàn)股道上方露空，以便采光及空氣交換，股道上方不設(shè)次桁架、H形鋼鋼梁及C型鋼檁條等屋面系統(tǒng)。

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(yù)應(yīng)力鋼拉索組成桁架結(jié)構(gòu)橫斷面如圖4所示。根據(jù)建筑美觀要求及結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)因素，鋼桁架矢高取5.0 m，為跨度的1/13，鋼管桁架全長(zhǎng)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(jié)點(diǎn)位置，下端通過(guò)鑄鋼球節(jié)點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力鋼拉索鉸接連接。

張弦桁架拉索選用符合規(guī)范《塑料護(hù)套半平行鋼絲拉索》(GJ3058—96)及《斜拉橋熱擠聚乙烯拉索技術(shù)條件》(JT/T6—94)要求的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅半平行鋼絲束鋼索，鋼索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 670 MPa，拉索錨具采用冷鑄錨。拉索與下弦相交位置設(shè)置鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)(圖5)，拉索穿過(guò)下弦后固定于桁架支座上方三角形桁架形心錨固節(jié)點(diǎn)(圖6)，從而使得錨索錨定力能均勻的傳遞到桁架節(jié)點(diǎn)，保證了錨固節(jié)點(diǎn)的安全。桁架兩端通過(guò)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(jié)構(gòu)牛腿上。為了使得張弦桁架結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單明確，支座設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)鉸接支座(圖7)，支座可自由沿桁架方向轉(zhuǎn)動(dòng)，支座僅承擔(dān)軸力，也簡(jiǎn)化了鋼管混凝土格構(gòu)柱的受力情況，充分利用了張弦桁架結(jié)構(gòu)自我變形調(diào)整能力。鋼桁架主要構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1。

圖5 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)

圖6 預(yù)應(yīng)力拉索錨固端

圖7 桁架端部支座(單位:mm)

表1 主鋼桁架構(gòu)件截面規(guī)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(shè)置與張弦桁架等高之橫向支撐次桁架，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性能。

3 荷載

工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際情況，本工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)考慮的荷載及效應(yīng)有:恒載、活載、風(fēng)壓、溫度效應(yīng)和地震作用。由于聊城市雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于活載標(biāo)準(zhǔn)值，故計(jì)算時(shí)雪荷載不參與組合計(jì)算。

3.1 基本數(shù)據(jù)

(1)恒載0.6 kN/m2，包括屋面檁條、吊頂、管線燈具等荷載，結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)入。

(2)活載 0.5 kN/m2。

(3)基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，建筑場(chǎng)地周圍地貌為B類地貌。風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.25，風(fēng)振系數(shù)1.1。風(fēng)荷載體型系數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)中四面開(kāi)敞式雙坡屋面的體型系數(shù)取值。

(4)溫度效應(yīng)考慮±30℃。

(5)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，多遇水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比0.035。

3.2 荷載組合

考慮對(duì)結(jié)構(gòu)最不利工況進(jìn)行荷載組合，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，工程計(jì)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(fēng)和右風(fēng)，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(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

張弦桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵在于確定鋼拉索的初始索力。一般通過(guò)控制主桁架下弦垂直位移在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0D+1.0L)下的位移值來(lái)確定合適的初始索力，同時(shí)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(yīng)力不應(yīng)超過(guò)拉索應(yīng)力設(shè)計(jì)值的40%。

本工程采用有限元分析軟件Midas/Gen Ver7.1.2進(jìn)行計(jì)算，建立三維空間模型(圖8)，并對(duì)其進(jìn)行幾何非線性分析，計(jì)算時(shí)桁架下弦控制位移為桁架跨度的1/600(規(guī)范要求為L(zhǎng)/300)，位移最大值約為109 mm，允許10 mm誤差，拉索最大拉力設(shè)計(jì)值為6 525 kN。通過(guò)多次試算，最終確定初始索力為1 400 kN，標(biāo)準(zhǔn)組合下桁架下弦最大位移為115 mm，拉索工作狀態(tài)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(jì)算模型

4.2 抗震分析

抗震分析采用振型分解反應(yīng)譜法，考慮雙向水平地震作用，反應(yīng)譜函數(shù)為China(GB50011—01)，振型數(shù)量為9個(gè)。結(jié)構(gòu)前3個(gè)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(jié)構(gòu)自振主振型為上、下垂直振動(dòng)，張弦桁架下部索面外的擺動(dòng)較小，在地震作用下，結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抗震要求。

分析計(jì)算結(jié)果表明，由于采用了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)保持了很好的整體穩(wěn)定性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，滿足相關(guān)規(guī)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(jìn)行張拉施工，通過(guò)程序中讀取該工況下拉索拉力及弦桿位移來(lái)確定拉索張拉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。施工張拉力可在控制索力的基礎(chǔ)上變動(dòng)±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(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)(本工程恒載及自重作用下設(shè)計(jì)允許撓度為80 mm)，實(shí)際觀測(cè)結(jié)構(gòu)豎向位移可變范圍±15%，同時(shí)控制各榀之間相對(duì)位移控制為±10 mm。施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋控制索力及位移均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

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(yùn)設(shè)施條件及服務(wù)水平，提升了聊城市的城市形象。

6 結(jié)語(yǔ)

兩端鉸接的張弦桁架結(jié)構(gòu)，自身內(nèi)力能達(dá)到平衡，下部受力構(gòu)件主要承受軸力，與其他結(jié)構(gòu)形式能很好的結(jié)合，且結(jié)構(gòu)質(zhì)量較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)更輕，經(jīng)濟(jì)性好，可以在大跨屋蓋體系中廣泛應(yīng)用。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，主要有以下幾點(diǎn)體會(huì):

(1)張弦桁架結(jié)構(gòu)兩端支座適宜做成鉸接支座;

(2)張弦桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意撐桿、支座、錨固端等節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，有條件時(shí)應(yīng)對(duì)支座進(jìn)行有限元分析;

(3)張弦桁架結(jié)構(gòu)剛度較一般鋼結(jié)構(gòu)要差，應(yīng)加強(qiáng)主桁架間的縱向次梁設(shè)計(jì)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，避免主桁架平面外失穩(wěn)破壞。

［1］黃明鑫.大型張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工［M］.濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005(3):4-16.

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