高架车站单柱钢雨棚计算分析

张英杰

（南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210017）

1 工程概况

宁和城际轨道交通一期工程S3线全长约26.743 km，共设19座车站，其中，地下站10座，高架站8座，地面站1座。兰花塘站是第14座车站，位于双峰路与丰子河路平交口北侧丰子河路路中，车站呈东北—西南走向，为路中高架三层岛式站，车站总长121.22 m，站台最大宽度处10.72 m。地面一层为设备层，地面二层为站厅层，通过东西两侧天桥与地面出入口相连接，地面三层为站台层。

兰花塘站为南京市首个单柱钢雨棚高架鱼腹式车站，如图1所示，雨棚方案以“简约”为设计主题，形态处理简洁明快，建筑造型及内部使用空间较为规整。方案不仅满足了使用功能，还减少了车站的体量感，投资相应减少，达到“快、省”的设计原则。

图1 兰花塘站单柱钢雨棚现场图

2 设计原则和技术标准

本工程钢结构设计使用年限为50年，钢结构的安全等级为一级，抗震设防分类标准为乙类。

恒荷载：钢结构自重由程序自动计算，金属屋面系统部分取0.8 kN/m2，玻璃屋面部分取1.0 kN/m2。

活荷载：不上人屋面活荷载取0.7 kN/m2。

风荷载：考虑到本结构属于对风荷载比较敏感的结构，基本风压按100年重现期取0.45 kN/m2，地面粗糙度为B类。屋面风荷载体型系数参照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[1]表8.3.1取值。

雪荷载：考虑到本结构属于对雪荷载比较敏感的结构，基本雪压取0.75 kN/m2（100年一遇），屋面积雪分布系数按文献[1]表7.2.1取值。

地震作用：该地区的设防烈度为7度，由于本项目为乙类建筑，提高一个抗震等级采取抗震构造措施，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，建筑场地类别为Ⅲ类，水平地震影响系数最大值取GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[2]中的规定值和地震安评报告中给出值的较大者。

温度作用：所在地区最高温度37℃，最低温度-6℃，合龙温度15℃±5℃，升温工况+27℃，降温工况-26℃。

3 结构整体计算分析

3.1 结构概述

兰花塘站钢雨棚结构整体长129.22 m，最大宽度约为19.8 m；沿纵向有12榀主刚架，纵向钢结构柱距12 m，除1，4，9，12轴为横向双钢结构柱外，其余轴线均为单钢结构柱。在每榀主刚架之间设主、次纵梁，次刚架与主纵梁采用刚接连接。钢柱中灌注混凝土，与站台混凝土结构采用刚接连接的节点形式。

3.2 设计方案比选

单柱结构横向梁悬挑距离较大，所以在柱顶设置钢拉杆，以减小主梁弯矩。本文对比了3种方案对结构的影响——方案一，结构长度为120 m，在柱顶设置2道钢拉杆，如图2所示；方案二，结构长度为60 m，在柱顶设置2道钢拉杆，如图3所示；方案三：结构长度为60 m，在柱顶设置6道钢拉杆，如图4所示。3个方案的横剖面如图5所示。

图2 方案一整体轴测图

图3 方案二整体轴测图

图4 方案三整体轴测图

图5 3种方案的横剖面图

3.3 静力分析

本文对比了3种方案对构件尺寸和悬臂梁挠度的影响，计算结果如下。

方案一：钢柱截面为圆管P500×47，悬臂梁为方管B（500～1 000）×250×20，支撑为圆管 P402×30.悬臂梁最大相对位移为48.1 mm，悬臂梁长度为9 900 mm，挠度允许值为 48.1/（2×9 900）＝1/411＜1/400，满足规范要求[3]。

方案二：钢柱截面为圆管P500×47，悬臂梁为方管B（500～1 000）×250×20，支撑为圆管 P402×30.悬臂梁最大相对位移为38.8 mm，悬臂梁长度为9 648 mm，挠度允许值为38.8/（2×9 648）＝1/497＜1/400，满足规范要求。

方案三：钢柱截面为圆管P500×30，悬臂梁为方管B（400～850）×250×20，支撑为圆管 P299×20.悬臂梁最大相对位移为48.7 mm，悬臂梁长度为9 834 mm，挠度允许值为48.7/（2×9 834）＝1/404＜1/400，满足规范要求。

比较方案一和方案二的结果，可以看出在其他条件相同的情况下，结构长度为60 m时，悬挑梁的挠度允许值小于结构长度为120 m的结构。因此本项目的钢雨棚采用左右对称的两个60 m的钢结构形式。

比较方案二和方案三的结果，可以看出在其他条件相同仅柱顶设置钢拉杆数量不同的情况下，悬臂梁挠度均满足规范要求，设置两道钢拉杆时，独柱壁厚很大，需要定做，造价较高。设置6根钢拉杆后，构件截面尺寸优化了很多。因此本项目在屋面设置6道钢拉杆。考虑到单柱钢柱脚过大会影响楼扶梯处的建筑布置，并且在车站端头设置双柱对抗震有利，将方案三进一步优化为在楼扶梯处和端头设置双柱。

3.4 抗震分析

对结构进行模态分析，目的是确定结构的频谱特性，反映结构的总体动力性能。模态分析为线性分析，分别考虑沿结构X，Y方向对结构进行激励。经过计算，结构前12阶振型质量参与率为Ux＝92.1%，Uy＝91.4%，达到了90%以上，能保证本结构反应谱分析结果基本准确，符合抗震规范要求。

根据前面所述地震作用的初始条件，本工程采用规范的地震影响系数曲线。计算结果显示，结构最大应力比为0.504＜1，满足要求。

3.5 抗风分析

考虑到本结构对风荷载比较敏感，进行屋面结构在体型系数2.0风吸作用下的验算。在悬挑端添加体形系数为-2.0的风吸荷载，按6 m跨度将面荷载导成线荷载。

图6 在体型系数2.0风吸作用下的结构应力比图

图7 在体型系数2.0风吸作用下的结构位移图

计算结果如图6和图7所示。根据结构应力比图，构件最大应力比为0.629＜1，满足要求。在恒风标准组合作用下，中跨悬挑部分挠度为13.520－0＝13.52 mm＜7 200/200＝36 mm，边跨悬挑部分挠度为14.02－2.31＝11.71 mm＜4 423/200＝22.115 mm，端部悬挑挠度为10.03－7.8＝2.23 mm＜3 900/200＝19.5 mm，满足规范要求。

4 结束语

本文对比了不同的结构布置形式对单柱钢雨棚的影响，结果表明，合理地设缝和设置钢拉杆可以有效地减小悬挑梁位移，并且使构件尺寸得到优化。经过计算，单柱钢雨棚可以满足不同荷载组合下的承载力和正常使用要求，可以在高架车站中使用，是高架车站雨棚形式的一种创新。

［1］中国建筑科学研究院，同济大学，中国建筑设计研究院，等.GB 50009—2012建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］中国建筑科学研究院，中国地震局工程力学研究所，中国建筑设计研究院，等.GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［3］北京钢铁设计研究总院，重庆大学，西安建筑科技大学，等.GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.