1 工程概况

深圳北站作为深圳地区铁路“两主三辅”客运格局中最为核心的车站，是我国当前建设的占地最大、建筑面积最多、接驳功能最齐全的特大型综合交通枢纽，也是我国铁路新型房站的标志性工程之一（图1）。

图1 深圳北站整体工程示意

该工程站台雨棚被中央站房分为对称的左右两翼，是深圳北站工程项目核心组成部分之一。单侧站台雨棚结构长约273m，宽约130m，高约21m，两侧站台雨棚总覆盖面积近6.8万m²（图2）。

图2站台雨棚结构平面图

结合建筑体型要求，该站台雨棚采用由四边形环索、竖向撑杆、斜杆及上部柱面网壳构成的弦支结构体系。

2 站台雨棚新型弦支结构体系构成

2.1 基本构成单元

本工程站台雨棚结合波浪形建筑体型，采用由四边形环索、竖向撑杆、斜杆及上部柱面网壳构成的弦支结构体系（图3），通过预张拉斜杆（或环索），使环索（或斜杆）张紧，同时竖向撑杆受轴向压力并形成可靠支承，使柱面网壳上拱，从而有效提高站台雨棚的整体刚度、改善柱面网壳中网格梁的受力和变形性能，主要构件截面及材料如表1所示。

图3 弦支结构体系构成示意

2.2 站台雨棚结构体系构成

本工程站台雨棚垂直股道方向标准柱距为43.0m，平行股道方向标准柱距为28.0m；落地立柱采用圆形钢管混凝土柱，标准柱高为9.0m；四向交叉圆形钢管斜柱汇交于落地柱顶端，垂直高度为9.5m，沿立柱轴心分别直向四个方向对称斜伸，斜柱顶端同立柱轴心的水平距离沿X，Y轴方向分别为7.0m和10.75m（设平行股道方向为X向，垂直股道方向为Y向）；斜柱顶部支承柱面网壳（垂直股道方向为折线拱形，矢高2.0m）；四边形环索弦支柱面网壳单元覆盖面积为14.0m×21.5m=301m²，网格梁主梁采用矩形钢管，次梁采用H型钢；竖向撑杆长4.5m，采用圆钢管；高强钢绞线构成7.0m×10.75m的四边形环索；斜杆则采用高强合金钢棒。站台雨棚结构体系构成示意如图4所示。

图4 站台雨棚结构体系构成示意

站房两翼对称的站台雨棚结构各由108个四边形环索弦支柱面网壳单元构成，同时，垂直股道方向两边跨局部最大悬挑距离分别为6.5，10.5m。站台雨棚整体结构立面图和模型如图5，6所示。

图5 深圳北站站台雨棚

图6 站台雨棚整体结构模型

在连接构造方面，斜杆、四边形环索及竖向撑杆端部均采用铰接（图7），其他结构构件之间采用刚接。

图7 四边形环索、斜杆与竖向撑杆连接节点示意

3 缩尺模型张拉模拟试验研究

为分析验证该新型弦支结构体系施工张拉的可靠性及张拉效率，在浙江大学空间结构研究中心实验室开展了雨棚结构1/6.8缩尺结构模型张拉成形试验（含9个弦支单元，覆盖面8.062 5m×5.25m，图8、表2）。

图8 雨棚结构缩尺试验模型

本工程预应力环索设计内力基本控制在极限承载力的40%以下，结构安全储备较高，但为安全起见，仍对该弦支结构体系预应力环索或斜杆发生局部破断时整体结构的工作性能及抗连续倒塌能力开展了试验研究（图9）。试验结果表明，局部环索或斜杆破断对其附近区域杆件的内力有一定影响，但不至引起其他杆件发生破坏；由于上部采用刚性网壳，局部环索或斜杆破断引起的柱面网壳变形较小，对结构整体性能及安全性影响很小，该结构体系抗连续倒塌能力良好。

（a）斜杆破断位置

（b）斜杆破断后结构状态

图9 弦支单元索杆局部破断试验

4 结构性能分析研究

站台雨棚采用SAP2000，MIDAS，ANSYS等多种软件进行了结构静、动力性能及屈曲稳定等方面的计算模拟工作，并开展了3×3跨的1∶6。8缩尺模型试验研究。因站台雨棚完全对称，故仅就单侧站台雨棚结构的研究分析结果进行描述。

4.1 杆件截面设计

经反复研究，本工程站台雨棚结构钢管混凝土中立柱采用圆钢管Ф800×30（内填C60混凝土），边柱采用圆钢管Ф900×30（内填C60混凝土）；斜柱主要采用圆钢管Ф500×15；网壳主梁主要采用矩形钢管□450×250×14×16（Y向）及□400×200×10×10（X向），次梁主要采用H型钢H250×250×6×12（Y向）及H200×200×4×12（X向）；以上杆件钢材均为Q345B。

斜杆分别采用70,64mm直径的两种高强合金钢棒；竖向撑杆分别采用圆钢管Ф154×4.5,Ф194×5；四边形环索则主要采用30mm直径的高强镀锌钢绞线。

4.2 结构模态

整体结构模态分析（表3）表明，该结构体系第1，2阶振型分别为Y向、X向平动主振型；第3阶振型为扭转主振型；第46阶振型为竖向主振型（竖向振型频率3.3Hz>1.0Hz）；第1扭转振型周期/第1平动振型周期=1.485/1.776=0.83（<0.9）。前60阶模态中，结构平动及扭转振型模态的质量参与累计达99.99%，竖向振型模态的质量参与累计达92.36%，满足抗震规范要求。

4.3结构变形

在重力荷载标准值作用下结构各跨中挠度相对较均匀，最大值为11mm（L0/1 273）；边跨悬挑端预起拱L₀/300后最大挠度为17.1mm(L₀/1 164)，满足结构在重力荷载标准值作用下的变形控制要求。

在恒荷载+负风压荷载标准值组合下，除悬挑端向上挠度变形为75mm(L₀/264)较大外，各跨跨中杆件变形较均匀，最大值为35mm(L₀/400)。

X向水平地震作用下结构最大侧移变形为21mm（H/976）（H为整体站台雨棚结构高度）；Y向水平地震（小震场地谱）作用下结构最大侧移变形为26mm（H/788），满足结构在小震作用下层间位移限值要求；在竖向地震作用下，结构最大竖向位移为12mm（悬挑端）。

4.4 弦支结构体系杆件应力控制

通过施工张拉模拟分析可知，对斜杆施加初始预张拉力（0.15f_y）后，在自重及预应力作用下，斜杆及环索应力分别为0.13f_y ~0.14f_y，0.13f_yk~0.14f_yk，竖向撑杆轴压应力水平约为0.1f_y。

在最不利荷载工况组合作用下，斜杆及环索应力水平分别为0.37f_y~0.39f_y，0.37f_yk~0.39f_yk，竖向撑杆轴压应力水平约为0.24f_y。

在恒荷载+上反风荷载组合工况作用下，斜杆及环索应力水平约0.05f_y（f_yk），仍可保持张紧状态，撑杆轴压应力水平约为0.06f_y。

以上结果表明，各荷载工况组合作用下，斜杆、环索及竖向撑杆等杆件应力始终控制在设计要求的范围内。

4.5 整体稳定性

线性屈曲稳定性分析结果表明，该结构第1阶屈曲模态对应的屈曲荷载系数λ为12.6，其中，斜柱首先出现失稳（图10）；当屈曲荷载系数达到20以上，竖向撑杆、网格梁及落地直柱等构件相继发生失稳（图11）。

图10 第1阶屈曲模态（斜柱失稳）（λ=12.6）

图11 网格梁初始屈曲模态（λ=25.1）

采用“一致缺陷模态法”进行考虑结构初始几何缺陷的非线性稳定分析表明，结构发生极值点失稳破坏时对应的极限荷载系数（极限荷载峰值/重力荷载标准值）为6.96>5（图12），满足要求。

图12 极值点失稳破坏时结构变形

4.6 其他主要性能指标

在各组合工况设计包络下，站台雨棚各构件应力比均小于0.9，满足设计控制要求。分布比例如图13所示。

图13 站台雨棚各构件应力比分布比例

该站台雨棚结构在水平地震作用下，X，Y向剪重比分别为3.8%，3.9%，满足抗震规范要求；站台雨棚承载力及稳定性均满足圆钢管混凝土直柱设计采用欧洲规范［10］及我国《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28∶90)要求。

目前，深圳北站工程已顺利竣工并通车，站台雨棚整体工作性能良好，结构安全稳定。该新型弦支结构体系的相关研究设计成果经专家论证，整体达到国际先进水平。

更多内容详见《转自：建筑结构-公众号》杂志2015年第1期文章：

题目：《深圳北站站台雨棚新型弦支结构体系设计》；作者：傅学怡1，孙璨2，吴兵1，孟美莉1，冯叶文1；单位：1 深圳大学建筑设计研究院， 2 东莞理工学院建筑工程系。

题目：《深圳北站站台雨棚新型弦支屋盖张拉模拟及试验研究》；作者：孙璨1，傅学怡2，吴兵2，冯叶文2，孟美莉2，袁行飞3；单位：1东莞理工学院建筑工程系， 2 深圳大学建筑设计研究院， 3 浙江大学空间结构研究中心。

以上内容为本刊编辑整理，未经本刊及作者授权，严禁转载，违者必究！

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《转自：建筑结构-公众号》杂志

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