某车站雨篷悬索钢结构屋盖设计研究

摘要：本文结合某车站雨篷悬索钢结构屋盖工程实际，对其屋盖钢结构进行了分析，期待与同行交流讨论。

关键词：悬索钢结构；屋盖；雨篷；设计

1工程概况

某车站工程包含主站房及站台雨篷两部分，总建筑面积为181035。其中：房屋建筑面积：74573；站前平台面积：34146；主体屋面南北侧悬挑面积：4292；无站台柱雨篷面积68024。

2屋盖结构形式

站台雨篷部分被主站房分为绕轴对称的左右两翼，采用以四边形环索弦支双向连续网格钢梁体系为屋盖基本单元，顶端汇交四向分叉钢管斜柱的钢管混凝土柱网为支承的连续多跨空间结构体系，面积约68024m2。

主站房部分为超长无缝结构，下部主体结构采用钢管混凝土柱与钢-混凝土楼板组合梁框架结构体系，上部屋盖采用“上平下曲”形态的纵横双向桁架体系；站台雨篷部分被主站房分为绕轴对称的左右两翼，采用以四边形环索弦支双向连续网格钢梁体系为屋盖基本单元，顶端汇交四向分叉钢管斜柱的钢管混凝土柱网为支承的连续多跨空间结构体系，面积约68024m2，图1给出了单块雨篷钢结构示意图。

工程钢拉杆、拉索的总数量为都为864根。钢棒型号为RODD60、RODD70、RODD85三种型号，拉索直径为Ф30 (37Ф5)和Ф40(55Ф5)两种型号，其中索体总重量为79T，钢拉杆体总重量为178T，锚具重量约为300T，则钢拉杆与拉索（索体、杆体+锚具）总重量约为550T。

3.结构体系分析与设计

3.1结构分析

该车站雨篷的拱梁的跨高次为1:100，所以索拱体系较柔，刚性强度较弱，索拱体系均有悬索和拱梁组成的。这与斜拉结构、张弦结构在受力方面有很大的不同，此结构的索中预应力的施加和建立的差异有较大的不同。在结构张拉的时候，施加预应力时，虽然在索中的应力只是一小部分，由于索拱体系较柔，索长的变化绝大部分让结构体系的变形抵消。在设计计算的时候索的初始应变尽量取值较大，这时张拉的时候伸长值就会变大。

设计要求在屋面荷载(包括屋面板、檩条和支撑共0.525kN/m2)和索梁自重作用下下拉索中建立227MPa的拉应力，同时保证水平撑杆水平。故必须确定下拉索中预应力的大小、在这种拉应力作用下索梁几何形状的分布(水平撑杆和桅杆的转角、拱梁的位移)以及其它索的应力值。

拉索中应力的变化与初应变变化具有一定的相关关系，具体变化关系见下表1（索应力与初始应变的对应关系），可以通过表中可以得出：①索的应力值与索初应变呈线性增加相关，增加的幅度占初始应力的6%左右，幅度不大，这主要是因为结构刚性弱。比如桅杆、撑杆和拱梁的连接都是铰接，张拉容易变形，使得索长产生几何形状的变化。因此，当索的初应变很大的时候，加上索长的重新分布，索力也会重新分布。②设计要求在屋面荷载和索梁自重作用下下拉索中建立227MPa的拉应力，保证水平撑杆水平，初始应变必须达到13×10-3，所以当外荷载（屋面荷载+索梁自重）和初应变确定后，就能找出惟一的索拱几何形状分布。

3.2竖向荷载作用下屋盖设计

屋盖结构恒载和活载标准值见表2。车站工艺要求较高，照明设备、风管、马道以及大型显示屏等局部吊挂荷载较大，重载区吊挂荷载为2.0kN/m2。屋面活荷载与雪荷载不同时发生，但考虑屋面活荷载或雪荷载不均匀分布。

在钢屋盖结构安装结束并施加部分附加恒载(如屋面系统)，简称施工阶段1，屋盖桁架在支承柱顶采用聚四氟乙烯滑动支座；桁架与支承柱连接后施加剩余的附加恒载，简称施工阶段2。

在施工阶段1，由支座处周边拉力环形析架和屋面析架形成自平衡状态，缓和柱顶水平推力对下部结构影响。采用滑动支座期间施加恒载越多，施加后续竖向荷载对柱顶水平推力越小，但析架挠度以及构件内力增加；反之，采用滑动支座期间施加恒载越少，施加后续竖向荷载对柱顶水平推力越大，但有利于控制桁架挠度以及减小桁架构件内力。因此，在竖向荷载作用下，应在减小屋盖析架对支座产生水平推力以及保证桁架刚度之间找到平衡点。

设计考虑今后承建商可以有不同施工方案的选择，定义了施工上限及施工下限概念，施工下限即在施工阶段1施加的荷载为屋盖自重+25%附加恒载，施工上限即在施工阶段1施加的荷载为屋盖自重+50%附加恒载。施工阶段1桁架的竖向变形通过起拱解决，起拱值取恒荷载作用下的析架变形值，活荷载作用下桁架竖向变形控制在跨度的1/500。

3.3节点设计

节点设计不仅对结构安全有重要的影响，而且直接影响钢结构的制作、安装及造价。因此节点设计是整个钢结构设计工作的重要环节，其受力性能对结构设计至关重要。对本工程中构造比较复杂的支座节点，应用有限元软件ANSYS进行了三维非线性分析，计算模型如图2所示。节点主要有：1）钢管柱顶部汇交四向分叉钢管斜柱节点；2）主次梁不等高且不等截面连接节点（方管主梁、H钢次梁连接节点）；3）斜柱顶部节点（弧形主梁、拉杆耳板、斜柱顶部汇交节点）；4）竖向撑杆顶部节点（H钢主次梁连接，下部连接竖向撑杆耳板节点）等。结构示意图如图2所示。

通过对有限元模型的大量数值模拟，综合分析了节点的承载力和刚度。支座节点应力最大值位于下支撑板处，但该值未超过钢材的屈服强度，且达到该应力值的面积很小，考虑到钢板在受力时会变形从而减小应力集中程度，实际受力时钢板的应力会更小，节点的安全度是有保证。

4.钢结构预应力方案

4.1预应力张拉

根据总包钢结构安装进度以及结构设计张拉原则以及顺序，并综合考虑现场可能出现的实际情况以及工期、造价多方面因素，初步制定预应力张拉细化顺序按图3方式进行（另一个雨蓬按此方案进行张拉施工）：

4.2拉索及钢拉杆制作

拉索和钢拉杆均为甲方采购成品，运至现场安装。拉索采用破断强度为1670MPa高强镀锌钢丝束索体，钢丝的质量和性能应满足《桥梁缆索用热镀锌钢丝》GB/T17101-2008中的规定，索体的弹性模量不应小于1.95GPa。索体护层材料采用高密度聚乙烯，其技术性能应满足行业标准《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》CJ/T3078中的规定。锚具的强度应符合钢索破断后而锚具和连接件均不能破断的准则。锚具、销轴和螺杆均为锻件，锚具采用合金结构钢，其技术性能应满足国家标准《合金结构钢》GB3077的规定；销轴和螺杆采用优质碳素结构钢，其技术性能应满足国家标准《优质碳素结构钢》GB699中的有关规定。锚具组件表面镀锌厚度40~60μm。

采用等强合金钢棒钢拉杆，杆体须端部锻造镦粗后整体热处理达到力学性能要求。杆体力学性能要求：ReH≥345Mpa，Rm≥470Mpa，A≥21%，Z≥50%，Akv≥27J(-20℃)。 U-U型，表面喷涂环氧富锌漆，厚度60~100μm。拉杆及其连接零部件检查与验收应满足国家标准《钢拉杆》GB/T20934-2007要求。

4.3钢拉杆以及拉索安装

由前面可知总包采用单元地面拼装后再整体吊装方案，钢拉杆以及拉索的安装可以在地面进行安装，与总包地面拼装同时进行，包括四边形环形拉索安装以及钢拉杆的安装。

拉索安装：等钢结构竖向撑杆与拉索索夹节点焊接好并定位后，将四根拉索分别与拉索索夹耳板连接；钢拉杆安装：将钢拉杆下部接头与索夹连接，并安装索夹扣，最后把钢拉杆上部与上部钢梁简单连接，方便吊装完后与节点上耳板连接施工。如图4所示。

5结束语

此工程钢结构屋盖结构十分复杂、跨度大、支撑种类多，结构受力相互影响，从而给设计和施工均带来了诸多挑战。针对结构体系的复杂性，对整体结构进行了计算分析和设计，并对其中的节点设计进行了深入分析并采取了合理的解决措施，从而保证钢结构及整体结构安全可靠，满足国家现行规范中各项设计指标的要求。同时，本工程设计便于施工操作，施工质量控制精密度高，满足设计要求。

参考文献：

[1]蓝天,张毅刚.大跨度屋盖结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2000.

[2]梅季魁,刘德明,姚亚雄.大跨建筑结构构思与结构选型[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3] 梅季魁，刘德明，姚亚雄.大跨建筑结构构思与结构选型[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[4] 梁志，李伟峰. 广州新白云国际机场航站楼主楼钢结构设计[J]. 钢结构， 2001，(06) .

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。