速来围观,三大全国性铁路站房大跨度屋盖设计教学

第一篇：速来围观,三大全国性铁路站房大跨度屋盖设计教学

速来围观，三大全国性铁路站房大跨度屋盖设计教学

这里有迄今为止我国西南地区最大的旅客集散地——贵阳北火车站，也有中亚门户“丝绸之路经济带”上的加速器——乌鲁木齐新客站，更有沟通中国—东盟的黄金通道——南宁东火车站。南宁东火车站南宁东站总建筑面积26.7万㎡，其中站房面积12万㎡，是我国沟通中国-东盟的国际性铁路交通综合枢纽工程，总规模3场24站台面30线(含正线)。其强烈现代感的建筑外观充分体现了南大门的恢宏气势，又展现出绿城崛起的未来态势。正立面 ▲

站房最大平面尺寸顺轨方向为186m，垂直于轨道方向为414.8m。主站房地下一层，地上三层。站房结构安全等级一级，抗震设防烈度6度，设计基本加速度为0.10g，设计分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为乙类建筑。

顺轨方向剖面

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屋盖结构顺轨道方向跨度为42m+66m+42m，垂轨向跨度33.1 m～46.25m。根据建筑造型及屋盖大开洞的采光要求，屋盖采用管桁架与网架相结合的结构体系，支承屋盖的结构柱采用钢管混凝土柱。为了减小中间大跨屋盖结构的挠度和杆件截面，设计中将两侧低标高处小跨屋盖与中间大跨屋盖结构连成整体。考虑屋盖汇水面较大，采用结构找坡以满足屋面排水要求，同时也利于提高屋盖竖向平面内的刚度。为减小温度作用效应和提高结构抗震性能，设置2道与轨道平行的变形缝。分缝处屋盖结构垂轨向柱距为33.1m，缝设在跨中，采用网架（桁架）对挑来实现，桁架高度2m～3m左右。本工程候车大厅层高较高，为了减小柱顶位移，将管桁架上下弦均与柱连接。屋盖网架结构进行了以下三种方案比选，方案1：高度4.5～6.0m单层局部抽空网架；方案2：高度3.0m局部双层加强网架；方案3：高度6.0m管桁架。垂直于铁轨方向柱间布置主桁架，平行于铁轨方向结合天窗的开洞布置次桁架。针对上述3种方案，分别进行计算分析，并按中间两跨43m及两侧相邻各半跨33.1m范围进行统计，比选结果见下表。

从结果可看出，局部双层网架的用钢量最省，管桁架的用钢量稍高，但管桁架杆件数量少、节点构造简单，对屋面留设采光窗的适应性好，因此最终采用的是管桁架与局部单层网架相结合的屋盖体系。结构模型示意

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玻璃天窗采用带拉杆和撑杆的箱型钢梁，带拉杆钢梁间距为7m，跨度41.2m，钢梁按5%起坡，形成类似三角屋架的受力形式。这种结构布置简洁，并将天窗荷载传到钢管柱附近的垂轨向桁架，减少了天窗间顺轨向桁架的受力和结构高度。设计中，拉索采用φ70的Q345钢杆而不是钢绞线，也不施加预张力，通过钢梁起拱实现拉索的张紧，便于节点设计和施工的同时，又能满足结构受力需要。天窗建筑与结构关系示意

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南北两侧站房立面上树枝一样的造型杆件是设计的一个亮点。由于这个杆件的设置，导致部分柱子不能升起支撑屋盖网架。为了使结构受力合理，降低工程造价，将树枝杆件用倒放四角锥网架与屋盖网架联系起来，形成多点支撑的空间网架结构。这样处理不仅极好的体现了建筑效果，而且用钢量较低。

转角处柱顶造型 ▲

站台雨棚位于主站房两侧，对称布置，每侧站台雨棚的平面尺寸为117m×324m，最大的柱网尺寸为21m x 24.75 m。站台雨棚采用圆钢管柱，顺铁道方向设置鱼腹式主梁，在主梁上设置间距7m的次梁。雨棚屋面坡度通过钢梁起坡实现。站台雨棚

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雨棚钢结构自重轻、跨度大，在风吸力作用下，双管钢梁下翼缘可能受压。在钢梁下翼缘受压时，为了避免因钢梁承载力由平面外稳定控制而造成钢材强度利用率低，传统的设计方法是通过设置连接屋面檩条与钢梁下翼缘的角钢隅撑来减小钢梁下翼缘的平面外计算长度。由于这种构造中的角钢外露，影响建筑的美观。对本工程双管钢梁尤其不能接受。设计采用了一种专利技术：双管钢梁的“T”形隅撑，包括圆形立管与槽钢刚性连接形成T形结构，圆形立管与双管钢梁焊接，檩条通过螺栓连接于槽钢上。本专利技术的优越性在于：这种T形隅撑既能有效地减小双管钢梁的面外计算长度、保证其面外整体稳定性，又能与建筑相协调，满足建筑对美观的要求。

站台雨棚T形隅撑施工现场图 ▲

乌鲁木齐新客站乌鲁木齐新客站总建筑面积17万㎡，其中站房面积10万㎡，是新疆最大的综合交通枢纽，集高铁、轨道交通、城际铁路、公交、出租等为一体，实现各种换乘方式无缝对接。

站房东西面宽约220m、南北进深约340m，平面呈圆弧形，最高点标高41m，檐口标高18.5m，采用中间高，两侧低的形态，达到最合理的空间容积。站房地上2层，为站台层和高架层，地下1层为出站层。站房主体结构为钢管混凝土柱＋钢骨混凝土框架梁结构体系，屋盖采用钢管混凝土柱＋钢网架结构体系。站房屋盖建筑外形为拱形壳体，投影面积约5.5万㎡，结构长向343m，宽152~252m，跨度最大为75m，悬挑跨度最大为24m，候车大厅屋盖设有条形采光天窗。屋盖结构采用两向正交正放网架，在南北向中间采用双柱悬挑方式设伸缩缝断开，将屋盖分为2个温度区段。网架节点采用焊接球节点，整个屋盖支承在高架候车层上的钢管混凝土框架柱上，柱顶支座一般采用抗震球型铰支座，在结构缝处的两排柱顶采用刚接连接。根据建筑造型及使用功能需求，屋盖结构具有如下特点：1）屋盖为不规则拱形曲面，造型复杂；2）下方商业高架夹层有净高要求、檐口悬挑尽量要薄，网架高度受限；3）中央大厅有大面积采光带，网架做挖空处理，连续性差，传力复杂；4）网架与复杂的立面幕墙联系紧密，网格划分及设计应考虑幕墙的分格及支承；5）框架柱高达23m左右，柱受力大。网架采用Rhinoceros实现复杂曲面网架的精确建模，网格划分与幕墙分格对应便于支撑幕墙。为保证和加强网架杆件的稳定性，在屋盖四周、支座处及采光天窗洞口周边布置支撑。屋盖计算考虑了下部结构的共同作用，取包络设计。根据网架提升施工过程进行了施工模拟分析。框架柱较高，承受内力大，框柱的设计是确保屋盖设计安全的关键之处。框架柱采用钢管混凝土柱，进行性能化设计，采用MIDAS进行中震弹性复核，大震不屈的弹塑性分析。防震缝两侧内力大的两排柱柱顶刚接连接，显著减小柱底弯矩，并且结构抗侧能力增强。柱顶侧移减小，钢管混凝土柱具有足够的变形以增加屋盖整体结构耗能能力。网架杆件规格φ83x4.5-φ450x30，杆件材质主要为Q345C，在支座附近受力大的杆件采用Q420GJC，板厚≥40mm、管径≥400mm时附加Z15性能。

屋盖网架采用分片地面组装、分片整体提升、高空对接的施工方法。利用高架层作为施工平台，将整个网架分为几个小单元，在地面定位放线，焊接成型，按单元整体提升到设计标高后，各单元间在高空进行整体对接。整体对接完成后，对屋盖进行整体同步分级卸载。提升安装作业简便，拼装及组拼基本上在楼面完成，施工条件好，安全性高，也有利于焊接质量控制，有利于多区域同时施工。但整个施工过程技术难度大、要求高。整个项目采用了BIM技术，是集建模、检测、计算、模拟、数据集成等工作为一体的三维建筑信息管理工程，这项工作覆盖了工程的设计、深化设计、制造、施工管理乃至后期运营管理的建筑全生命周期。贵阳北火车站贵阳北火车站总建筑面积20.2万㎡，其中站房面积12万㎡，是迄今为止我国西南地区规模最大的综合性铁路交通枢纽工程。屋盖顺铁道线方向跨度为39m+60m+39m，垂直于铁道线方向柱距主要为42m、33m。钢屋盖总体上采用正放四角锥网架，结合采光带布置局部抽空形成立体桁架结构。相对于纯粹的管桁架结构，本工程边缘区采用网架结构，一方面加强了管桁架平面外的约束，结构整体刚度更好；另一方面，网架结构网格大小适中，减小了屋面檩条的跨度和截面。实际效果表明这种混合结构可以最大限度地兼顾结构传力需要与建筑美观要求。

为了发挥钢管混凝土柱上段的强度，减小层间位移，支承屋盖的钢管混凝土柱顶端与屋盖结构上下弦均连接。钢结构屋盖在高架层楼面上拼装，分块吊装到设计标高后再焊接成整体，然后同步施工屋面板及高架夹层，设计模拟实际施工顺序进行整体计算分析。

受站场条件及建筑室内空间效果限制，站房屋面不能在变形缝两侧分别设柱形成完全脱开的结构。由于屋盖结构跨度大，为了避免两侧悬挑端部在活荷载或风荷载作用下挠度不一致，造成屋面变形缝盖板连接破坏，影响防水效果，因此将变形缝设置在柱开间的正中，两侧分别悬挑16.5m。由于屋盖变形缝位置与高架候车层变形缝位置不对齐，幕墙在屋盖变形缝与楼面变形缝对应的位置均应设置变形缝，这两条变形缝之间的幕墙由于下端与上端分别以不同的结构单元为支点，因此在上端设置了只提供与幕墙面垂直的支承，但在幕墙平面内方向可摇摆变形的支座。为了避免屋盖挠度对幕墙立柱的不利影响，该支座还要求能适应竖向变形差，构造详见下图。幕墙上端支座

▲站台雨棚采用钢框架结构，为了避免传统隅撑角钢外露引起的美观问题，设计采用了一种T形隅撑，通过与檩条T形焊接的撑杆来减小工字型钢梁面外计算长度，保证工字型钢梁面外稳定。

项目在设计中采用的多项创新技术均已取得国家专利：一种屋盖与楼面变形缝不对齐的幕墙连接结构（ZL201320863376.6）、一种预应力混凝土梁和钢管混凝土柱节点结构（ZL201320636571.5）、双管钢梁的T形隅撑（ZL201320503957.9）。