大连北站无站台柱雨棚设计

康亚强,唐 虎

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 工程概况

大连北站位于大连市甘井子区南关岭镇,距市中心约18 km。规划的城市轨道交通2、4号线通过大连北站站区。新建的大连北站将建设成为以铁路客运为中心,集城市轨道交通、市区公交、出租车以及社会车辆等各种交通设施及交通方式的客运综合交通枢纽。车场规划10个站台面20条线,最外侧站台边缘之间距离为227.6 m。雨棚沿站房中心对称布置,钢梁横向为5跨,纵向共32榀,其横剖面见图1,纵剖面见图2。

图1 横剖面(单位：mm)

图2 纵剖面(单位：m)

2 结构设计

2.1 设计主要原则

建筑结构安全设计等级为二级,设计使用年限为50年,抗震设防类别为丙类。

2.2 设计荷载

雨棚设计应考虑的主要荷载包括恒载、活载、雪载、风载、温度作用和地震作用。

恒载、活载和雪载按照荷载规范要求取用。

地震作用：地震基本加速度为0.15g,Ⅰ类场地,抗震设防烈度为7度。

温度作用：升温26 ℃,降温42 ℃,合龙温度为(15±5) ℃。

风荷载：基本风压为0.75 kN/m2(重现期为100年),地面粗糙度类别为B类。

风荷载体型系数按风压、风吸分别取+0.5、-0.8,风振系数取1.8。风荷载的水平力按《建筑结构荷载规范》表7.3.1第27项α<30°情况计算。

2.3 荷载组合

根据规范要求对结构分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计,荷载的主要组合如下：

(1)1.2恒载+1.4活载；

(2)1.2恒载+1.4活载+1.4×0.6风载；

(3)1.2恒载+1.4活载+1.4×0.7温度；

(4)1.2恒载+1.4活载+1.4×0.6风载+1.4×0.7温度；

(5)1.2恒载+1.4风载；

(6)1.2恒载+1.4风载+1.4×0.7活载；

(7)1.2恒载+1.4风载+1.4×0.7温度；

(8)1.2恒载+1.4风载+1.4×0.7活载+1.4×0.7温度；

(9)1.35恒载+1.4×0.7活载；

(10)1.35恒载+1.4×0.6风载；

(11)1.35恒载+1.4×0.7活载+1.4×0.6风载；

(12)1.35恒载+1.4×0.7活载+1.4×0.7温度；

(13)1.35恒载+1.4×0.6风载+1.4×0.7温度；

(14)1.35恒载+1.4×0.7活载+1.4×0.6风载+1.4×0.7温度；

(15)1.2(恒载+0.5活载)+1.3地震；

(16)1.2(恒载+0.5活载)+1.3地震+1.4×0.2风载。

2.4 结构计算

2.4.1 计算模型

采用有限元分析软件Midas Gen(Ver.730)进行结构计算,计算模型见图3,主要受力及支撑体系见图4。

图3 计算模型

图4 主要受力及支撑体系

模型中柱底端与地刚接,梁两端与地铰接,柱分叉与箱梁铰接,模型主要构件尺寸及材料见表1。

表1 主要构件尺寸及材料

2.4.2 梁截面设计

箱形曲梁的截面为400 mm×1 200 mm,在曲梁弯弧段由于弯矩变化较大(图5),采用变截面梁,截面由400 mm×1 200 mm变为600 mm×1 600 mm,再变为400 mm×500 mm。梁截面依据内力的变化,分段增减其腹板及翼缘板的厚度。

图5 梁面内弯矩包络图

2.4.3 强度、刚度及稳定验算

基本组合下,结构主要构件的最大应力及应力比见表2。标准组合或可变荷载下,主要构件最大位移及限值见表3。

表2 主要构件最大应力

梁的整体稳定通过设置纵向支撑来保证,纵向支撑最大间距为18.98 m,曲梁截面满足箱形截面简支梁不计算整体稳定的要求；通过设置系杆(间距3 m)增加檩条风压下的稳定,檩条在风压、风吸下的最大折算应力比为0.66、0.77；柱及分叉柱按压弯构件验算稳定,计算长度系数取2,柱、柱分叉的最大折算应力比分别为0.87、0.97。

表3 主要构件最大位移

3 温度的影响

雨棚横向长度较大,为227.6 m,且没有设缝,因而需要研究温度变化对结构的影响。依据大连的极端最高气温(35.3 ℃)和极端最低气温(-21.1 ℃),假定合龙温度为(15±5) ℃,可得结构的温度荷载为+26、-42 ℃。图6～图8分别为恒载、升温、降温工况的结构变形示意。

图6 恒载工况结构变形

图7 升温工况结构变形

图8 降温工况结构变形

通过比较,可以看出,升温工况下梁产生的变形几乎与恒载工况下的梁变形相反,可见升温对梁为有利工况。同时,位于外侧的两个柱子变形与恒载工况下的柱子变形趋势几乎相同,而中间的两个柱子在升温时变形很小,可见升温对位于外侧的两个柱子为不利工况,对中间的两个柱子影响不大。而降温工况正好相反,可知其对梁为不利工况,对位于外侧的两个柱子为有利工况,对中间的两个柱子影响也较小。

再者,可以看出,由于在梁与地相接处设置了铰接节点,允许梁在温度变化时可以自由转动,达到了释放梁部分温度应力的目的。

为进一步分析,假定有3种荷载工况(暂忽略其他活荷载)：1.2恒、1.2恒+0.98升温、1.2恒+0.98降温,经计算可得梁a～f点不同工况下的应力值(表4)以及各点不同工况下的应力变化值(图9)。

表4 梁应力 MPa

图9 梁应力变化

由图9可以看出,升温、降温对梁有一定影响,梁应力最大变化值为23 MPa。升温工况下除了梁a点的应力几乎没变外,梁其余部分应力均减小了,减小幅度约为20 MPa。降温工况并不与升温工况完全相反,降温时梁a点应力也减小了约20 MPa,而梁其余部分应力均有不同程度的增加。

柱1～4及其分叉在不同工况下的应力值见表5、表6,不同工况下的应力变化值见图10。

表5 柱应力 MPa

表6 柱分叉应力 MPa

图10 柱及柱分叉应力变化

可以看出,温度变化对位于外侧的柱1、柱4影响最大,升降温时柱应力变化值均约为40 MPa；对中间的柱2、柱3及柱分叉影响较小,柱2、柱3应力变化值在20 MPa以下,柱分叉应力变化值约在10 MPa以下。

4 结语

本工程的钢结构部分在进行设计时,最大应力比控制在0.7～0.8,计算平均用钢量(含节点及肋板)约为113 kg/m2。本结构横向长度较大,应研究温度对结构的影响,通过在梁与地相接处设置铰接节点,可以达到释放部分温度应力的目的。经过分析,温度变化对位于外侧的两排柱子影响最大,柱应力最大变化值约40 MPa,对梁及中间的柱子影响较大,二者应力最大变化值约20 MPa,对所有柱分叉影响较小,其应力最大变化值约10 MPa,因此结构安装时,应保证合龙温度在设计的合龙温度范围内。

[1]中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

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[3]GBT19879—2005,建筑结构用钢板[S]．

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