高架車站單柱鋼雨棚計(jì)算分析

張英杰

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

寧和城際軌道交通一期工程S3線全長(zhǎng)約26.743 km，共設(shè)19座車站，其中，地下站10座，高架站8座，地面站1座。蘭花塘站是第14座車站，位于雙峰路與豐子河路平交口北側(cè)豐子河路路中，車站呈東北—西南走向，為路中高架三層島式站，車站總長(zhǎng)121.22 m，站臺(tái)最大寬度處10.72 m。地面一層為設(shè)備層，地面二層為站廳層，通過東西兩側(cè)天橋與地面出入口相連接，地面三層為站臺(tái)層。

蘭花塘站為南京市首個(gè)單柱鋼雨棚高架魚腹式車站，如圖1所示，雨棚方案以“簡(jiǎn)約”為設(shè)計(jì)主題，形態(tài)處理簡(jiǎn)潔明快，建筑造型及內(nèi)部使用空間較為規(guī)整。方案不僅滿足了使用功能，還減少了車站的體量感，投資相應(yīng)減少，達(dá)到“快、省”的設(shè)計(jì)原則。

圖1 蘭花塘站單柱鋼雨棚現(xiàn)場(chǎng)圖

2 設(shè)計(jì)原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，鋼結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為乙類。

恒荷載：鋼結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算，金屬屋面系統(tǒng)部分取0.8 kN/m2，玻璃屋面部分取1.0 kN/m2。

活荷載：不上人屋面活荷載取0.7 kN/m2。

風(fēng)荷載：考慮到本結(jié)構(gòu)屬于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓按100年重現(xiàn)期取0.45 kN/m2，地面粗糙度為B類。屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)參照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]表8.3.1取值。

雪荷載：考慮到本結(jié)構(gòu)屬于對(duì)雪荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，基本雪壓取0.75 kN/m2（100年一遇），屋面積雪分布系數(shù)按文獻(xiàn)[1]表7.2.1取值。

地震作用：該地區(qū)的設(shè)防烈度為7度，由于本項(xiàng)目為乙類建筑，提高一個(gè)抗震等級(jí)采取抗震構(gòu)造措施，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，水平地震影響系數(shù)最大值取GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中的規(guī)定值和地震安評(píng)報(bào)告中給出值的較大者。

溫度作用：所在地區(qū)最高溫度37℃，最低溫度-6℃，合龍溫度15℃±5℃，升溫工況+27℃，降溫工況-26℃。

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)概述

蘭花塘站鋼雨棚結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)129.22 m，最大寬度約為19.8 m；沿縱向有12榀主剛架，縱向鋼結(jié)構(gòu)柱距12 m，除1，4，9，12軸為橫向雙鋼結(jié)構(gòu)柱外，其余軸線均為單鋼結(jié)構(gòu)柱。在每榀主剛架之間設(shè)主、次縱梁，次剛架與主縱梁采用剛接連接。鋼柱中灌注混凝土，與站臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)采用剛接連接的節(jié)點(diǎn)形式。

3.2 設(shè)計(jì)方案比選

單柱結(jié)構(gòu)橫向梁懸挑距離較大，所以在柱頂設(shè)置鋼拉桿，以減小主梁彎矩。本文對(duì)比了3種方案對(duì)結(jié)構(gòu)的影響——方案一，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為120 m，在柱頂設(shè)置2道鋼拉桿，如圖2所示；方案二，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為60 m，在柱頂設(shè)置2道鋼拉桿，如圖3所示；方案三：結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為60 m，在柱頂設(shè)置6道鋼拉桿，如圖4所示。3個(gè)方案的橫剖面如圖5所示。

圖2 方案一整體軸測(cè)圖

圖3 方案二整體軸測(cè)圖

圖4 方案三整體軸測(cè)圖

圖5 3種方案的橫剖面圖

3.3 靜力分析

本文對(duì)比了3種方案對(duì)構(gòu)件尺寸和懸臂梁撓度的影響，計(jì)算結(jié)果如下。

方案一：鋼柱截面為圓管P500×47，懸臂梁為方管B（500～1 000）×250×20，支撐為圓管 P402×30.懸臂梁最大相對(duì)位移為48.1 mm，懸臂梁長(zhǎng)度為9 900 mm，撓度允許值為 48.1/（2×9 900）＝1/411＜1/400，滿足規(guī)范要求[3]。

方案二：鋼柱截面為圓管P500×47，懸臂梁為方管B（500～1 000）×250×20，支撐為圓管 P402×30.懸臂梁最大相對(duì)位移為38.8 mm，懸臂梁長(zhǎng)度為9 648 mm，撓度允許值為38.8/（2×9 648）＝1/497＜1/400，滿足規(guī)范要求。

方案三：鋼柱截面為圓管P500×30，懸臂梁為方管B（400～850）×250×20，支撐為圓管 P299×20.懸臂梁最大相對(duì)位移為48.7 mm，懸臂梁長(zhǎng)度為9 834 mm，撓度允許值為48.7/（2×9 834）＝1/404＜1/400，滿足規(guī)范要求。

比較方案一和方案二的結(jié)果，可以看出在其他條件相同的情況下，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為60 m時(shí)，懸挑梁的撓度允許值小于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為120 m的結(jié)構(gòu)。因此本項(xiàng)目的鋼雨棚采用左右對(duì)稱的兩個(gè)60 m的鋼結(jié)構(gòu)形式。

比較方案二和方案三的結(jié)果，可以看出在其他條件相同僅柱頂設(shè)置鋼拉桿數(shù)量不同的情況下，懸臂梁撓度均滿足規(guī)范要求，設(shè)置兩道鋼拉桿時(shí)，獨(dú)柱壁厚很大，需要定做，造價(jià)較高。設(shè)置6根鋼拉桿后，構(gòu)件截面尺寸優(yōu)化了很多。因此本項(xiàng)目在屋面設(shè)置6道鋼拉桿?？紤]到單柱鋼柱腳過大會(huì)影響樓扶梯處的建筑布置，并且在車站端頭設(shè)置雙柱對(duì)抗震有利，將方案三進(jìn)一步優(yōu)化為在樓扶梯處和端頭設(shè)置雙柱。

3.4 抗震分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，目的是確定結(jié)構(gòu)的頻譜特性，反映結(jié)構(gòu)的總體動(dòng)力性能。模態(tài)分析為線性分析，分別考慮沿結(jié)構(gòu)X，Y方向?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)。經(jīng)過計(jì)算，結(jié)構(gòu)前12階振型質(zhì)量參與率為Ux＝92.1%，Uy＝91.4%，達(dá)到了90%以上，能保證本結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析結(jié)果基本準(zhǔn)確，符合抗震規(guī)范要求。

根據(jù)前面所述地震作用的初始條件，本工程采用規(guī)范的地震影響系數(shù)曲線。計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.504＜1，滿足要求。

3.5 抗風(fēng)分析

考慮到本結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，進(jìn)行屋面結(jié)構(gòu)在體型系數(shù)2.0風(fēng)吸作用下的驗(yàn)算。在懸挑端添加體形系數(shù)為-2.0的風(fēng)吸荷載，按6 m跨度將面荷載導(dǎo)成線荷載。

圖6 在體型系數(shù)2.0風(fēng)吸作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖

圖7 在體型系數(shù)2.0風(fēng)吸作用下的結(jié)構(gòu)位移圖

計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.629＜1，滿足要求。在恒風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，中跨懸挑部分撓度為13.520－0＝13.52 mm＜7 200/200＝36 mm，邊跨懸挑部分撓度為14.02－2.31＝11.71 mm＜4 423/200＝22.115 mm，端部懸挑撓度為10.03－7.8＝2.23 mm＜3 900/200＝19.5 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文對(duì)比了不同的結(jié)構(gòu)布置形式對(duì)單柱鋼雨棚的影響，結(jié)果表明，合理地設(shè)縫和設(shè)置鋼拉桿可以有效地減小懸挑梁位移，并且使構(gòu)件尺寸得到優(yōu)化。經(jīng)過計(jì)算，單柱鋼雨棚可以滿足不同荷載組合下的承載力和正常使用要求，可以在高架車站中使用，是高架車站雨棚形式的一種創(chuàng)新。

［1］中國(guó)建筑科學(xué)研究院，同濟(jì)大學(xué)，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院，等.GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］中國(guó)建筑科學(xué)研究院，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院，等.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院，重慶大學(xué)，西安建筑科技大學(xué)，等.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.