车站无站台柱雨棚风荷载设计探讨

蒋 凡

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

风荷载是屋面结构设计、幕墙设计和结构设计的重要荷载之一。无站台柱雨棚属于大跨结构,周边未封闭,其上下表面均受到风荷载作用,且由于其样式各异的造型,使得风在其表面存在着分离、再附、旋涡、回流等多种复杂的三维流动现象,因此，其表面风荷载分布也是较为复杂的。目前我国的《建筑结构荷载规范》对诸如车站大跨度雨棚这样的结构没有明确的风荷载设计要求,而形状类似的挑檐等结构虽可查到体型系数,但对这样的大型雨棚而言仅有借鉴意义。《建筑结构荷载规范》第7.3.1条规定房屋和构筑物与规范中表7.3.1中的体型不同时,可参考有关资料,当无参考资料可借鉴时,宜由风洞试验确定。因此,为确定准确的雨棚设计荷载,较多的车站雨棚进行了风洞模拟试验,得到了丰富的风洞试验结果及分析数据。这些试验结果及分析数据对指导具体单体雨棚风荷载设计具有明确的意义,但这些单体试验结果尚未经总体共性分析,还不具备普遍理论指导作用。本文拟就系列无柱雨棚风洞试验结果进行初步分析,讨论无柱雨棚风荷载作用的普遍典型特点及规律,得出能指导工程实践的无柱雨棚风荷载设计结论。

2 无柱雨棚风洞试验数据分析

风洞模拟试验是风工程研究中应用最广泛、技术也相对比较成熟的研究手段。其基本做法是,按一定的缩尺比将建筑结构制作成模型,在风洞中模拟风对建筑作用,并对相关物理量进行测量。

对上述雨棚风洞试验结果统计分析,可以得出如下结论。

(1)雨棚的边缘部分(其中主要包括雨棚悬挑端部)压力随风向的变化最为剧烈,且表面平均风压值的最大点通常都出现在该区域。表1为各雨棚风洞试验的平均压力系数突变数据统计。

表1 雨棚平均压力系数突变比较

从表1中不难看出,雨棚正风压系数变化相对雨棚负风压小, 表中正风压平均压力系数差值最大的只有0.5,而对于负风压,差值基本在-0.5以上。平均压力系数为体型系数和风压高度变化系数的乘积,风压高度变化系数是固定的,因此,平均压力系数代表了体型系数,两者是1.1～1.2倍的关系。仔细分析表1,找出体型系数变化原因：一是站房对雨棚在风荷载作用下的影响,从图1和表1中可以看出,雨棚在站房范围内的体型系数相对站房范围外的体型系数在很大范围内要小,因此,站房立于雨棚侧,影响了雨棚表面的体型系数分布；二是雨棚悬挑端在负风压下,体型系数变化剧烈。从表1中看出,盐城站、南通站、张家界站、泰州站雨棚悬挑端负风压体型系数变化都较大,而南京站和其他站的非悬挑端相对变化较少。

同时,由各雨棚风洞试验测量得到的脉动压力系数也表明雨棚的边缘区域的压力脉动非常大。二者综合作用的结果导致该区域的极值风压系数要高于其他区域。因此在进行结构设计时,这一区域需着重考虑。

(2)雨棚的横断面形状对平均压力系数影响较大,一般平坦、向内收缩形状的平均压力系数相对较小,而断面外翘、凹凸不平的雨棚的平均压力系数相对较大。为了比较雨棚横断面形状对雨棚风荷载作用的影响,特作雨棚风荷载作用平均压力系数曲线图,如图2、图3所示。图中包含了雨棚横断面位置与压力系数关系。

从图2中可以看出,雨棚大部分正风压平均压力系数在0.3以下,仅有张家界和南通雨棚部分区域系数达到0.8,对应图1,雨棚此区域截面向上翘曲,倾斜角度较大,与水平夹角成21°左右。由此表明,雨棚的横断面形状对正风压平均压力系数影响较大,一般平坦、向内收缩形状的平均压力系数相对较小,而断面外翘、凹凸不平的雨棚的平均压力系数相对较大,其中,主要表现在截面倾斜较大区域。

图2 雨棚风荷载作用平均压力系数曲线(正风压)

图3 雨棚风荷载作用平均压力系数曲线(负风压)

由图3可以看出,雨棚负风压平均压力系数相对规范GB50009—2001表7.31规定要大。规范表7.31中一般负风压区域体型系数在-0.6以下,对于比较敏感区域在-1.3以下；而图3中,雨棚大部分区域风压平均系数在-0.7以上,因此,对雨棚负风压体型系数应该特别注意,以防在结构设计中取值偏小。

从图3中同时可以看出,张家界站、南通站和泰州站的悬挑部分负风压平均压力系数均接近-2.0,较其他区域要大得多。这表明雨棚的悬挑部分属于风荷载特别敏感区域,在设计中尤需注意。

从以上分析可以得出：一是无站台柱雨棚表面形状一般较平,没有明显的迎风面,同时雨棚采用压型钢板屋面,外形圆滑流畅,因此,雨棚的大部分区域正风压不太大；而无站台柱雨棚结构由于没有四周围护结构,同时,雨棚建筑高大、空旷,从内到外的风荷载作用明显,这也使雨棚的负风压作用较大。二是雨棚的横断面形状对平均压力系数影响较大,一般平坦、向内收缩形状的平均压力系数相对较小,而断面外翘、凹凸不平的雨棚的平均压力系数相对较大,特别是雨棚悬挑端的负风压体型系数。

3 结 语

雨棚风洞试验对雨棚的设计具有重要的指导意义，对于做了风洞试验的雨棚,风洞试验结果能够指导雨棚设计中风荷载体型系数的取值,同时通过风洞试验能了解雨棚在风荷载响应下的变形反应等,从而根据响应相应对结构进行调整。不过对于未进行风洞试验的雨棚来说,需要根据上述研究成果,获取较为准确的风荷载体型系数,以作出合理的结构布置。

3.1 雨棚体型系数建议取值

通过数个雨棚风洞试验研究,同时结合《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)的规定,得出雨棚在风荷载作用下,雨棚体型系数的建议参考取值,见表2。

表2 雨棚体型系数建议取值

注：对于雨棚屋面倾斜角度位于10°～30°间按线性插值取。

3.2 风荷载作用下雨棚结构布置

在风荷载作用下,雨棚在各区域的响应并不一致,有的地方反应强烈,而有的部位则弱一些,这一方面是各区域体型系数大小不一,另外是风致振动在各处表现不一。因此,相应风荷载对雨棚的结构作用,应作出合理结构布置。

(1)雨棚檩条及支撑布置

在采用统一高度屋面檩条的情况下,应结合风荷载作用,在作用区域大的部位布置密一些,而在作用小的部位布置稀一些。雨棚的边缘部分风荷载作用较中间部分反应更大,相应,可以在雨棚的边缘或外围一周布置屋面支撑,加强屋面的整体性,从而提高抵抗雨棚局部风荷载剧变的作用。

(2)悬挑端结构布置

雨棚悬挑端一方面要承担雨棚自重和雨、雪等活载作用,同时,又受到风荷载作用。通常情况下,考虑较多的是雨棚在恒载、活载和风压作用下,悬挑端的强度、稳定和变形问题。但值得注意的是,由于悬挑端负风压体型系数大,在风吸的作用下,雨棚自重并不一定能抵消向上的风荷载作用。此时,一方面可通过增加雨棚自重方法达到平衡,但有时这种方法不经济,此时,可以在雨棚悬挑端上方改拉索为拉压杆,拉压杆在结构受到向下作用时起到拉杆作用,而在受到向上作用时则可以用作压杆,抵抗部分向上推力。

[1] GB50010—2002 建筑结构荷载规范[S].中国工业建筑出版社，2002.

[2] 中国建筑科学研究院.南通火车站无站台柱雨棚风荷载风洞模拟实验报告[R].北京：中国建筑科学研究院，2006.

[3] 中国建筑科学研究院.张家界火车站无站台柱雨棚风荷载风洞模拟实验报告[R].北京：中国建筑科学研究院，2005.

[4] 中国建筑科学研究院.泰州火车站无站台柱雨棚风荷载风洞模拟实验报告[R].北京：中国建筑科学研究院，2005.

[5] 中国建筑科学研究院.盐城火车站无站台柱雨棚风荷载风洞模拟实验报告[R].北京：中国建筑科学研究院，2005.

[6] 中国建筑科学研究院.南京火车站无站台柱雨棚风荷载风洞模拟实验报告[R].北京：中国建筑科学研究院，2006.

[7] 丁浩明，方江生，王田友.复杂体型大跨度屋盖结构的抗风研究[J].建筑结构，2006(6).

[8] 崔 佳,唐 毅,龙莉萍.大跨度骨架式膜结构风振响应分析[J].建筑结构,2007(1).

[9] 高 剑.无站台柱雨棚大跨开敞结构的风工程设计研究[J].铁道标准设计，2009(S).

[10] 潘国华.无站台柱雨棚设计若干问题的探讨[J].铁道标准设计，2008(6):113-117.