大跨度屋盖结构设计过程中几个因素的考虑
【摘要】：因建筑造型和空间需求所产生的一种桁架类型：大跨度空间菱形桁架。曾有火车站站台雨篷在部委竣工检查时被风吹翻的事故。本文通过对某火车站空间菱形交叉桁架屋盖设计过程中几个因素参与设计计算的介绍，体现“避免出现设计时稳定可靠，使用时失稳、开裂”的设计思想。
【关键词】：火车站；大跨度；屋盖结构设计 伴随着经济的发展，建筑造型和空间需求的不断提高，促使大跨度空间结构被广泛的应用于新建铁路站房，以实现丰富美观的造型、较高的强度和加大的空间利用率。对于火车站大跨度屋盖的受力情况、布置特点以及多维多点考虑是做好结构设计的关键。大跨度屋盖一般具有有着超大跨度、超大面积和受力复杂且受力点稀疏甚至不匀布的特点，因此一般采用钢结构来实现。
一、项目概况
苏州火车站改造工程属于原址改扩建项目，地面以北由南站房、北站房以及候车大厅所组成，地上层2是高架层，檐口结构标高是31.250米，高架候车大厅将北站房和南站房连接成为一个整体
二、结构特点
2.1超大跨度、超大面积
车站屋盖呈现“工”字形，南北方向为352.2m，东西向为198m，水平投影面积约66120m；南北向最大柱间距56.2m，东西向最大柱间距132m。
2.2节点受力复杂
整个屋盖由圆钢杆件构成菱形立面结构，最复杂的球节点有12根杆件交汇，受力环境复杂内力巨大。
2.3立面造型复杂
整个屋盖由8mX11m的菱形立体桁架组合成上下呈锯齿形，为加强整体性和侧向刚度，还设置了纵向系杆；导致受力复杂的同时风荷载分布也复杂了。
三、结构设计阶段模拟施工分析
因实际情况，施工组织受限，需分期实施。第一期先实施北区的混凝土和屋盖钢结构，然后是过渡区(南区的一部分)，第二期实施剩余部分。由于采用“高空拼装，累计滑移”的施工方案(南侧普铁站房屋盖由南向北滑，北侧城际
2站房屋盖由北向南滑)；造成一个是分期施工将对构件重力荷载作用下内力产生明显影响，另一个是分片滑移拼装工艺使得构件荷载分层分期叠加。如果采用一次性加荷计算，计算和设计结果将与实际情况严重不符，甚至造成安全隐患；因此在设计阶段据实进行模拟施工分析，以期保证施工的顺利实施和安全生产是非常必要的。在进行分析的过程中，采用各单元构件逐步分层分片加载，使结构的刚度、荷载等模拟实际安装的变化，以达到真实反映实际安装中各时态构件内力状态的目的。具体分步分析如下：
1)、北区混凝土支撑柱完成加荷并设为固定支座或铰支；
2)、各单元按菱形结构分片分层加载，同时考虑临时支撑荷载；
3)、按顺序逐步取消临时支撑荷载，并施加屋面、吊顶等静荷载；
4)、过渡区按北区1~3步操作，然后与北区合拢； 5)、南区按北区北区1~3步操作，然后与过渡区合拢； 6)、全屋盖整体施加活荷载、风荷载、温度作用等。 其中钢结构自重由软件自算，主檩条随屋盖滑移，因此屋盖自重放大1.1倍，恒载放大1.2倍，不考虑活荷载、风载和地震作用；且轨道支撑位置设约束节点Z向自由，中间轨道上支点设X向约束，最北侧部分节点设Y向约束。分析结果显示分7批滑移，每个单元滑移过程中结构强度、刚度均可保证；结构变形小于L/500，应力控制比0.6以下。与一次性整体加载相比，模拟施工分段加载杆件轴向力最大高出10.6%，大部分差值在5%以内。
四、结构设计阶段风洞试验
整个屋盖上下表面所呈锯齿形。立面的不规则使局部因涡旋气流的相互干扰，风压出现明显增大，风压分布情况非常复杂。而现行《建筑结构荷载规范》中并没有给出对应情况的风荷载体型系数，如果简单的选某一体型系数进行计算，一旦出现极端大风，可能因风震而造成幕墙碎裂、屋面板掀翻等安全事故，为确保安全，通过风洞试验对结构风振响应和实际风压分布情况进行确定，然后分部位加载到结构上进行有限元计算是很有必要的。试验模型比例1:240，基本风压按100年一遇00.45kN/m取值，地面粗糙度C类，压力系数分块取值如下图。
风洞试验结果，为幕墙结构、主体钢结构的有限元分析提供了基础输入数据。
结语：
大跨度大空间屋盖结构设计一般采用有限元分析，都会注重节点加强设计和满足节点与构建等强度设计原则。但往往疏忽了施工阶段和风等额外因素对结构整体性、安全性的影响，出现设计时稳定可靠，使用一段时间或极端情况时出现失稳、开裂现象；一旦出现安全事故将造成无可挽回的经济损失和社会效应。苏州火车站站房屋盖具有大跨度大空间、分期施工，边施工边使用，结构平立面复杂等设计特点，是国内众多大跨度大空间屋盖设计的典型作品。本文通过介绍这一作品设计过程中额外因素的考虑，力求达到经济实惠、安全可靠的双赢结果；也期望通过本文提醒同行在结构设计过程中，需结合实际情况，充分考虑施工因素和当地气候等方面的影响。
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