荆州站站台雨棚结构设计71Word格式文档下载.docx
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1.工程概况
荆州站位于荆州市荆北村，属中型站房，三台八线，采用线侧候车，为“下进下出”旅客候车模式。
客运用房建筑面积11980平方米，站台雨棚建筑面积35536平方米。
客运用房采用预应力钢筋混凝土结构，中间屋顶为钢网架；
站台雨棚采用钢管柱+管桁架结构体系。
雨棚平面尺寸：
428米*83.75米。
平面图如图一所示。
图一：
雨棚平面布置图
2.设计标准
基本雪压：
0.45kN/m2（按100年一遇取值）；
抗震设防：
荆州市的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。
设计地震分组为第一组。
场地土类别为Ⅱ类。
荆州地区最高气温43℃，最低气温-12℃。
站台雨棚为室外结构，无室内外温差，结构温度可取基本气温；
太阳辐射温度取5℃。
钢雨棚合拢温度区间取为10～25℃，则设计结构升温为43-10+5=38℃，设计结构降温为-12-25=-37℃。
由于温度作用取的是极值温度，所以其分项系数取1.0，组合值系数取0.7。
基本风压：
0.35kN/m2（按100年一遇取值），地面粗糙度为B类；
屋盖体形系数按四面开敞式屋面取-1.3；
风振系数：
2.0（悬挑部位）。
3.结构设计
荆州站的站台雨棚，顺轨向长428米，该方向柱距为18米或24米；
横轨向，根据线路要求，在股道1和2之间及股道7和8之间立柱。
在站房范围外，第一跨跨度53米，悬挑23.15米，如图二所示；
在站房范围内，为两跨，第一跨跨度53米，第二跨的跨度29.9米，和站房砼柱的牛腿铰接连接，如图三所示。
结构分析主要采用Midas和Ansys两种计算软件。
图二
图三
3.1雨棚金属屋面方案
金属屋面一般设在桁架的上弦，这样做的优点是防水处理简单，但桁架的下弦暴露在外，对于中型站房，为降低造价，一般不在下弦设置吊顶，空间效果不如本工程采用的方案。
本工程的金属屋面设在桁架的下弦，这样做的优点是站台面以上的雨棚空间整洁，视角效果良好；
缺点是防水施工较麻烦。
该雨棚的檩条采用下挂式，檩托和檩条间为螺栓加角焊缝连接。
檩条为单向布置，且为顺轨向布置。
檩条每隔三至四跨设置椭圆孔与檩托连接，目的是释放檩条顺轨向的温度应力。
图四：
站台雨棚施工阶段实景照片
图五：
桁架下弦杆位置屋面防水处理节点图
图六：
HV-470屋面板截面图及泛水大样
3.2雨棚桁架的形状的比选
桁架的计算结果表明，桁架在柱顶的弯矩大，跨中弯矩小。
桁架的下弦，为减少积水荷载，采用结构找坡。
自然，我们想到了拱形截面。
支座截面，取4.5米高，跨中截面取2.25米高。
悬挑23.15米，23.15/4.5=5.14倍的跨高比。
跨中弯矩约为支座弯矩的一半，正好截面高度也是一半的关系，桁架的形状和弯矩图有较好的吻合。
所以桁架各杆件的截面种类较少，构造简单。
排水坡度=2.25/（53/2）=8.5%>
5%，排水通畅。
因为檩条和桁架下弦连接，管桁架做成正三角，可减少檩条的跨度。
正三角管桁架和钢柱的连接，一般采用柱顶分四叉或设置双肢柱。
本工程采用柱顶分四叉、倒四角锥的铸钢件。
这样做的好处是一可以减少桁架的跨度；
二是四角锥是一个稳定的结构体系。
四角锥顶和桁架间做一个托盘式样的铸钢件，该铸钢件和桁架的下弦焊接连接，没有做成通常的销轴连接。
这样做有几点考虑：
一是销轴连接对施工精度要求高，托盘连接反之；
二是托盘连接，造型美观。
横向桁架的下弦间的距离保证4.5米不变，保证了檩条的规格一致。
这样，相邻的腹杆所构成的面和竖直面的夹角是变化的。
4.结构关键性问题
4.1超长雨棚结构的设计
钢桁架的温度计算长度若大于200米，温度作用和变形均较大。
本工程钢桁架为露天结构，温度作用等更显著。
为降低温度作用和变形，一般设置双柱，通过抗震缝把结构分成几个子单元。
本工程的方法是：
该雨棚顺轨向428米没有设置传统意义上的结构缝（抗震缝），结构没有布置双柱。
而是纵向桁架每隔三至四跨，设置椭圆孔+销轴（可滑动销轴）和主桁架连接，连接处，仅传递竖向力，水平力和弯矩均释放，也就是说在连接处，可滑动和转动。
这样，温度计算长度约为70米。
檩条的分缝位置邻近纵向桁架的可滑动销轴，如图七。
檩条H400*175*6*6在下弦处各悬挑2.2米，在桁架的下弦平面内设置变形缝。
通过计算分析，不分缝且取消可滑动销轴方案在温度作用下的顺轨方向的端柱顶点位移为70mm；
本工程采用的方案在温度作用下的顺轨方向的端柱顶点位移为21mm，说明此方案对释放温度作用有明显的效果，也更好地展现了建筑效果。
更重要的是，用钢量也降了下来。
可滑动销轴
图七：
桁架局部照片
4.2雨棚铸钢节点的设计
一般雨棚落水管从柱内空腔直至柱顶分叉处就出柱了，并顺斜叉方向外露设置雨水管与屋面雨水沟连接。
国内已建的站台雨棚也是这么做的，结构工程师一般避免在铸钢件上开孔洞，因为这样会消弱铸钢件的承载力，而且分析起来也相当麻烦。
本工程的落水管不但进了直柱的空腔，还进了斜叉内空腔，最大限度地保证了雨水管不外露。
通过ansys分析，铸钢件开洞和安装手孔等，同样能满足设计要求。
铸钢节点受力分析：
建立如图九有限元模型，在分叉顶端的托盘面上施加荷载，在模型底部施加固定约束。
在分析过程中发现应力较大处主要集中在孔洞的周围，根据这个结果对孔洞周围进行了加强处理。
图十，图十一为最终的计算结果，可以看出节点应力较大的地方主要发生在洞口边缘，而其它部位应力则相对较小。
节点等效应力最大值均未超过应力设计值300MPa。
可以看出节点的承载力明显大于杆件的承载能力。
图八节点局部照片
图九有限元模型
安装手孔
图十局部节点等效应力云图（Pa）
图十一局部节点等效应力云图（Pa）
4.3构件主要截面及材质
编号
杆件规格
钢号
柱截面1
Φ800x20
Q345GJC
主桁架下弦截面2
‚Φ273x12
Q345B
柱截面2
Φ800x25
次桁架上弦截面1
‚Φ168x6
Q235B
主桁架上弦截面1
Φ325x14
次桁架下弦截面1
主桁架上弦截面2
Φ273x10
次桁架腹杆1
‚Φ114x4
主桁架腹杆1
Φ180x8
次桁架腹杆2
‚Φ102x4
主桁架腹杆2
Φ168x6
次桁架腹杆3
Ф89X4
主桁架腹杆3
‚Φ140x5
次桁架腹杆4
Ф168X6
主桁架腹杆4
檩条1
H400x175x6x8
主桁架下弦截面1
‚Φ273x10
檩条2
H400x250x8x10
4.4结构计算结果
4.4.1柱顶位移
工况
顺轨向最大位移（mm）
柱顶位移/柱高
垂直轨向最大位移（mm）
风荷载
2.58
1/6046
20.03
1/779
温升
16.08
1/970
10.43
1/1496
温降
21.5
1/725
13.9
1/1122
X向地震
5
1/3120
2.6
1/6000
Y向地震
5.6
1/2785
满足规范要求【1】
4.4.2结构竖向挠度：
悬挑端最大竖向挠度（mm）
挠度/跨度
跨中最大竖向挠度（mm）
恒载
39
1/1067
63
1/767
恒+活载
59.8
1/696
85
1/568
4.5结构经济技术指标
包括钢柱、钢桁架、檩条等全部受力构件，按水平投影面积用钢量为80kg/m2。
5.施工方案简述
5.1铸钢件内水管埋设方法
该工程落水管要求是全预埋在管内，不准外露，分两部分预埋，一部分是在钢管柱内埋设，另一部分是在铸钢件内埋设，然后将两部分预埋的落水管对接起来.具体操作过程如下：
（1）由于该工程钢管柱及柱内落水管早期有一部分预埋在混凝土基础里。
先将落水管接长，使其高度离铸钢件顶面200mm，钢柱吊装完成后，使其与钢柱固定。
如下图
（2）将分叉内的直管与弯头接好，同时将带落水口的铸钢节点与分叉锥形钢管焊好，将接好弯头的落水管穿到铸钢件内。
（3）将上述拼好的构件整体吊装到柱顶铸钢件节点拼装胎架上，与另三个分叉及柱顶铸钢件焊接成整体。
如下图:
（4）将焊接成整体的柱顶节点吊装到钢柱顶，并在柱顶铸钢件预留手孔处将落水管接好。
图十二铸钢件就、开孔照片图十三手孔处穿管照片
5.2钢桁架安装方法
本工程主桁架全长分为76.15米和82.9米两种长度，构长件长度太大，无法运输，在施工过程中，采用将梁分段在加工厂加工好，将构件分段运输至现场，再在现场进行整拼，然后整榀吊装的方法进行安装。
经实践证明，这种在地面将梁构件拼成整体然后整体吊装的方案有如下几点好处：
（1）大部分的焊接工作均在地面完成，避免高空施焊，提高了焊接质量和施工速度。
（2）有利于加快整个工程的施工进度，桁架安装就位后，立即可以进入下道工序。
（3）钢结构的防腐涂装工作均可在地面完成，大大提高喷涂速度，并能对施工质量有效监控。
（4）有利于安全生产，避免了高空施工。
（5）避免了传统大型构件的高空拼装胎架，全部工作均在地面完成，有利于节约成本。
（6）高空拼装胎架施工，严重干扰其下轨道层的施工。
而整体吊装方案只是在吊装的时候影响轨道层的施工，某一榀或几榀吊装完毕到下次吊装的空隙，可以穿插进行轨道层的施工。
图十四桁架地面拼装照片图十五单榀桁架吊装照片
6.结语
荆州站雨棚钢结构在结构方案和细节推敲方面做了一些新的尝试，希望本文能给同行带来一些启示。
参考文献
【1】钢结构设计规范（GB50017-2003）
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