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济南东客站 - 屋盖钢结构

Jinan East Railway Station - Roof Structure

· 火车站,交通建筑

业主:中国铁路济南局集团有限公司

设计:铁道第三勘察设计研究院集团有限公司,AREP,中国建筑科学研究院,MaP3

交付:2016年4月20日开工,预计2018年12月31日竣工

概况

站房屋盖为南北侧翘起的马鞍形双曲面。南、北最大跨度为156m(斜柱柱脚间距186.6m),高26.3m(相对于9m标高)。曲面从两端向中心跨度减小,高度降低。站房中心主结构跨度为122(斜柱柱脚间距152.6m),高20m。主结构总长408.6m,不设置温度缝。南北站房位置布置屋面斜撑(轴线E~F,轴线Y~AC),斜撑落地。

主结构为三角空间桁架,间距为21.5m,站房中心桁架间距11.6m。主桁架宽度沿南北向变化,站房中心处主桁架宽度为2m, 向两侧逐步增加桁架宽度至10m。主桁架中心高度沿南北向变化,站房中心处高度为5m,向两侧逐渐减小至2.0m。

单榀桁架结构高度沿东西向变化,桁架中心高,逐渐向两侧降低至上下弦相交。上弦杆矢跨大,比下弦杆拱效应更强。在竖向均布荷载(屋面恒载)作用下,上弦轴力约为下弦的3倍。空间桁架在9m位置支撑在斜柱上,同时增加立柱形成三角形结构。为了保持建筑造型连续性,同时考虑到上弦杆为主受力杆件,斜柱沿上弦切线方向布置。水平风载下,主桁架受弯,桁架上下弦杆均为主受力杆件。轴力压力约为恒载的50%。

线型

在方案阶段,对屋面曲线数学公式做了4个方案对比,即圆曲线、抛物线曲线、正弦曲线和悬链线曲线。从立面效果上看,这些线型差别不大;室内空间,正弦曲线由于其曲率半径是变量,室内造型较为丰富。但考虑到跨度和支撑条件,正弦曲线结构弯矩较大,控制变形不利,需要增加斜向稳定杆件。悬链线曲线,结构受力最为合理,但定位复杂,通过计算发现其经济性与抛物线曲线相差不大。

出于结构经济性考虑(控制跨度和结构高度),屋面造型由屋面曲线和与之相切的直线段组成。屋面曲线形成屋盖主体造型,曲线在一定的高度截断(标高10.200m),以相切的直线段延伸至站台层。选择抛物线作为主桁架上下弦线型,有如下优点:

1. 结构轴线较为合理,定位相对于悬链线更容易;

2. 当各榀跨度变化时,若保持跨度/矢高的比值为常量,曲线两端头切向直线段平行(拱脚斜柱斜率为常量);

3. 等分跨度形成的定位点,若保持跨度/矢高的比值为常量,各榀相对应定位点可形成四点共面。

最后选择抛物线线型,给出屋盖桁架上弦、下弦所在曲面控制公式如下:

最后,两榀主结构之间连接对应节点布置纵向次桁架。次桁架两端铰接,垂直悬挂。桁架高度从拱中心向拱脚两侧逐渐降低。拱中心,桁架高度为拱桁架高度的2/3,最后一榀桁架高度为桁架跨度的1/15。

节点

这里我们主要关注大拱根部节点:桁架两个上弦杆、一个下弦杆、切向拱脚杆件、斜向支撑杆件和纵向边梁在此处交汇,其中桁架弦杆为圆形截面,其他杆件为方形截面。铸钢节点在几何造型上需要满足各向杆件交汇和截面变化的拓扑关系。

方案一采用连接板和销轴的方式连接下弦,上弦杆件通过变截面转换成方形截面并形成“Y”形节点区,利用节点区侧向和底面平整的区域与其他杆件连接。方案二避免变截面段,通过增加“Y”形节点端头处断面直接与圆截面连接。方案三,通过三向桁架杆件的平滑过渡形成节点区,并保证其他方形截面连接位置的平整。

马道

次桁架中心位置沿横向布置马道,需要增加较长的导轨。如在桁架两端各布设一条,虽然怎加了数量,但检修更方便,较为可靠。

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