斜拉索桁架無柱雨棚的預應力改造設(shè)計

田承昊，余 洋，董 城，劉 明，馬迎軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

斜拉索桁架無柱雨棚的預應力改造設(shè)計

田承昊，余 洋，董 城，劉 明，馬迎軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

沈陽北站無站臺柱雨棚由17榀鋼桁架組成，桁架間通過鋼檁條連接，上鋪彩鋼板．由于雨棚功能不足，因此進行了屋面增設(shè)鋪板改造．根據(jù)模擬計算，從增加覆蓋面積、增加斜拉索、全覆蓋等幾個方面對方案進行了比選研究，確保改造工程的安全性、經(jīng)濟性、可實施性．改造方案最終確定為增加斜拉索方案．對沈陽北站需改造的無站臺柱雨棚，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布來滿足改造后結(jié)構(gòu)的受力要求，回避了對既有雨棚結(jié)構(gòu)桿件加固補強問題，確保了雨棚改造的可實施性，為今后類似鐵路無站臺柱雨棚改造工程提供參考．

無站臺柱雨棚；預應力；斜拉索桁；施工模擬

1 概 述

1.1 既有雨棚現(xiàn)狀

沈陽北站既有無站臺柱雨棚覆蓋1—6站臺高架以外的站臺部分，由17榀鋼桁架組成，結(jié)構(gòu)采用斜拉索桁架體系．鋼桁架由三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱、雙肢格構(gòu)柱、鋼桁架梁、H型實腹檁條組成，桁架梁采用空間三角形鋼管桁架．第一跨橫跨1、2站臺，第二跨橫跨3、4、5站臺，懸挑跨覆蓋6站臺，在第一跨間股道上空有10.4,m開洞，在第二跨的股道上空分別有9.5,，4.5,m的開洞．該雨棚開洞范圍過大，在沈陽地區(qū)多雨雪天氣下，有飄雨雪及檐部掛結(jié)冰柱的現(xiàn)象，不方便旅客候車，存在車站管理的不安全隱患．

1.2 雨棚露空局部封堵后引發(fā)的結(jié)構(gòu)問題

為改善站臺飄雨雪問題，利用沈陽北站改造的機會，對既有雨棚股道間開洞的位置局部鋪彩鋼板覆蓋，達到改善站臺旅客候車條件及保證運營安全的目的．另根據(jù)線路規(guī)劃，在懸挑端外側(cè)，新增一跨全覆蓋雨棚，在外觀上形成三連跨波型屋蓋．雨棚局部封堵后引發(fā)了以下三個關(guān)鍵問題：現(xiàn)役狀態(tài)既有索力、風荷載變化和現(xiàn)役狀態(tài)構(gòu)件應力．針對這些問題，對索桁大跨度雨棚進行了改造、檢測、鑒定、評估、方案比選、方案實施及受力分析．

1.3 既有結(jié)構(gòu)可靠性鑒定報告

本次設(shè)計增加了雨棚的覆蓋面積，加大了主桁架的荷載，因此需對既有雨棚進行可靠性鑒定．由天津大學和遼寧省工程質(zhì)量檢測中心對既有雨棚結(jié)構(gòu)評估鑒定的結(jié)論是：對主體結(jié)構(gòu)實施加固補強，可按原設(shè)計狀態(tài)進行雨棚改造設(shè)計及施工．

2 關(guān)鍵問題分析

2.1 既有結(jié)構(gòu)索力值的測定

在運營一段時間后，由于桁架的變形及斜拉索的松弛效應，索力會發(fā)生變化．對在役拉索的張力進行測定，結(jié)果的準確與否直接關(guān)系到改造工程的成?。谜駝臃ㄟM行索力測定是目前常用的方法．采用兩端固支受拉的水平直梁對拉索進行模擬，利用頻率方程計算索力．斜拉索索力實用計算公式[1-4]如下(測定的索力誤差在5%以內(nèi))

經(jīng)計算，中柱既有索力值約280,kN，邊柱既有索力值約300,kN．

2.2 風洞試驗確定風荷載變化

沈陽北站無柱雨棚是大跨度帶懸挑結(jié)構(gòu)，屬于對風荷載敏感的結(jié)構(gòu)型體．為準確確定新改造方案對應結(jié)構(gòu)風荷載體形系數(shù)，并進行方案的優(yōu)選和結(jié)構(gòu)計算，委托北京大學空氣動力學實驗室對該雨棚二期改造工程進行了風洞試驗，確定了雨棚結(jié)構(gòu)改造方案的風載體形系數(shù)[1,5]．試驗模型見圖1．對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理得到：①無論是局部平均風壓系數(shù)，還是單元平均風壓系數(shù)平均值，沈陽北站無站臺柱雨棚二期改造工程方案的都要比改造前??；②如果將雨棚作為圍護結(jié)構(gòu)考慮，上表面局部最大負壓系數(shù)在雨棚的迎風前沿可以達到－1.7以上；下表面局部最大負壓系數(shù)也在雨棚的迎風前沿部分，數(shù)值都在－0.8左右；③雨棚中心部分風壓分布非常均勻，僅在邊緣區(qū)域會出現(xiàn)較高的壓力值；④風荷載無論是作為主體承重還是圍護結(jié)構(gòu)考慮，負壓風荷載都是主要的．

圖1 風洞試驗縮比模型

3 既有雨棚改造方案的評估原則

必須統(tǒng)籌考慮沈陽北站既有雨棚改造，改造的方法是對其既有露空部分加設(shè)鋪板，這等同改變了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸入，相應會引起結(jié)構(gòu)體系響應的改變，如構(gòu)件應力、結(jié)構(gòu)撓度、柱底反力等，需要研究系統(tǒng)響應是否滿足規(guī)范．首先研究系統(tǒng)響應變化的層級．本研究基于模糊理論，對層級給予評定，分5級，詳見表1，其中“不利改變”指不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求．

表1 評估等級

評定不利級別后，相應給出經(jīng)濟性評估．應對各級情況的對策及加固改造可行性分析見表2．

表2 改造對策及加固改造可行性

4 改造方案比選

結(jié)合其他同類工程經(jīng)驗，根據(jù)既有雨棚實際情況，為滿足改造要求，提出以下三種改造方案．

4.1 利用結(jié)構(gòu)安全冗余增加覆蓋面積

該方案保持雨棚結(jié)構(gòu)不動，最大限度地減小開洞范圍．通過對桁架單榀計算模型分析得到，最大應力比在0.95以下，結(jié)構(gòu)維持不動，屬于評定D級．

4.2 控制雨棚間露空范圍

該方案改造后股道上空留4,m或3,m的開洞，增加多層拉索方案，將雨棚盡可能多覆蓋．本方案的目的是通過研究減小開洞范圍，只增加拉索，不需加固其他結(jié)構(gòu)桿件來改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，從而降低工程風險及工程造價．

通過對桁架單榀計算模型計算分析得到，每榀桁架增加12根拉索，B、C軸于鋼柱頂部增加4四根斜桿，其他構(gòu)件不動，屬于評定E級．

4.3 對雨棚開洞部分全覆蓋

對雨棚高點全部覆蓋方案僅在B、C軸雨棚柱頂留有1.5,m寬的開洞，其他部位全部封閉．本方案可最大限度地改善防飄雨效果，但此方案B軸基礎(chǔ)需要加固，上部需增加拉索及加固弦桿、腹桿，此方案的工程風險及工程造價都很高．評定屬于B級．從使用效果、施工難度、工程費用等方面進行比較可知，控制雨棚間露空范圍方案屬于最優(yōu)方案．

5 施工模擬驗算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比

通過增加拉索預應力加固，使得該加固方案便于制作、施工，且不影響列車運營．通過預應力引入，可以有效調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值，并能避免由大范圍焊接而引起的應力復雜化[6-7]．

5.1 增加拉索預應力加固

通過對施工過程模擬，為施工方案的確定以及順利進行提供理論依據(jù)；通過健康監(jiān)測，得到關(guān)鍵施工階段與使用階段桿件、預應力索的應變以及節(jié)點、支座的位移，為結(jié)構(gòu)使用階段的安全提供評估指標．沈陽北站雨棚鋼結(jié)構(gòu)屋蓋監(jiān)測以監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力、索力和結(jié)構(gòu)的位移為主．

施工過程采用大型通用有限元軟件ANSYS 進行模擬分析，索采用LINK10單元模擬，其余鋼結(jié)構(gòu)桿件用BEAM44單元模擬[2-3]．預應力張拉過程的模擬采用等效降溫法．由于分批張拉過程中其他拉索的內(nèi)力值會不斷變化，因此在施加荷載時，需充分考慮由于結(jié)構(gòu)變形而引起的拉索內(nèi)力變化[4]．結(jié)合實際張拉過程及調(diào)整后的施工方案，雨棚單榀和空間整體有限元計算模型見圖2．

圖2 計算模型

5.2 施工模擬分析與實測數(shù)據(jù)對比研究

通過圖3-4給出施工階段部分代表性測點的計算模擬值與實測值在關(guān)鍵工況下的對比．東、西側(cè)三個軸同一監(jiān)測位置的桿件應力變化幾乎相同，現(xiàn)選取兩側(cè)的計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進行比較，如圖3-4所示．

圖3 東側(cè)雨棚AB跨應力變化曲線

圖4 西側(cè)雨棚AB跨應力變化曲線

由圖3-4可知：在整個改造過程中，僅在個別工況桿件的應力出現(xiàn)突變，但很快趨于平穩(wěn)變化；不同桁架同一位置的被監(jiān)測桿件，變化趨勢基本相同，而且BC跨腹桿應力變化的大小也相差不大；此外，midas模擬的計算結(jié)果與施工監(jiān)測的結(jié)果除在BC跨上弦桿位置外，在其他監(jiān)測點處二者的變化趨勢基本保持一致，但在應力變化數(shù)值大小上差異較大．這是由于模擬過程中鑒于施工荷載和堆載的任意性和隨機性，而未對其進行考慮以及忽略了施工過程中的風荷載和溫度作用所致．所以，施工過程的有限元模擬可以在一定程度上反映結(jié)構(gòu)的受力變化．但在BC跨上弦桿處，模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果之間出現(xiàn)了完全相反的變化趨勢，如果單一的以模擬計算結(jié)果來評估結(jié)構(gòu)在施工期間的安全性，在某些情況下，會與實際情況相差較大．

6 結(jié) 論

最終選定局部封堵、增加斜拉索調(diào)整結(jié)構(gòu)體系受力并使之滿足規(guī)范要求的方案，針對該方案進行了施工模擬分析，并現(xiàn)場實測了施工過程中索及指標構(gòu)件的應力變化，對二者數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算與施工測試數(shù)據(jù)基本吻合，證實了方案的經(jīng)濟性和可實施性，得到主要結(jié)論：①改造方案是合理的，改造方案的評估辦法使用便捷；②使用階段監(jiān)測表明，沈陽北站雨棚鋼屋蓋在竣工后，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及拉索內(nèi)力變化很?。虎劢Y(jié)構(gòu)安全、索力平穩(wěn)．沈陽北站雨棚施工模擬與監(jiān)測說明，對于預應力鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬與監(jiān)測是十分必要的．

［1］ ZHOU De-liang．Renovation project inspection report of Beijing West Railway Station introduced by Beijing—Shijiazhuang passenger dedicated railway line[R]. [S.l.]：National Center for Quality Supervision and Test of Building Engineering，2011．

［2］ RAFTOYIANNIS. Nonlinear dynamic stability of multisuspended roof systems[C]// MICHALTSOS G T. Proceedings Congress of Theoretical & Applied Mechanics. New York：[s.n.]，2004：153-159．

［3］ 李國豪． 橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M]. 北京：中國鐵道出版社，1992.

［4］ 鄭憲政，郝 超．用振動法估計拉索張力的實用公式[J]. 國外橋梁，1997(3)：297-321．

［5］ 顧志福．沈陽北無站臺柱雨棚二期改造工程風荷載風洞實驗[R]. 北京：北京大學，2011.

［6］ CECS 212—2006，預應力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．

［7］ RAFTOYIANNIS I G．Behavior of suspended roofs under blast loading[J]. Engineering Structures，2007，29：88-100.

Prestress Reconstruction Design of the Existing Stayed-cable Truss Without Column

TIAN Cheng-hao，YU Yang，DONG Cheng，LIU Ming，MA Ying-jun
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Co. Ltd.，Tianjin 300251，China)

The canopy without station column in Shenyang North Railway Station consisted of 17 steel trusses which connected by steel purlines and the upside was paved with color plate. Due to insufficient function，the study of roof additional ceiling reconstruction project was carried out. According to the simulation calculation，the comparison study among the seismic assessment，strengthening and reinforcement of web patch were carried out to guarantee the security，economy and enablement of the engineering. Reconstruction program was finally confirmed to increase stayed-cable. The canopy without station column in Shenyang North Railway was adjusted to the structure of the internal force distribution so as to satisfy the requirement stress of the reconstructed structure，avoiding the reinforcement of the existing canopy structure bar and guaranteeing the engineering enablement of the canopy. A reference of the similar reconstruction project of railway canopy without station column was provided in the future.

canopy without station column；prestress；cable-stayed truss；construction simulation

TU393.3

A

2095-719X(2014)04-0242-05

2014-05-04；

2014-07-01

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2010G009-B)

田承昊（1980—），男，河南扶溝人，鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司工程師，碩士．