屋顶结构、梁板及柱构成的铁路车站屋盖

2023-08-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.40上海南站屋盖及候车大厅一般情况下，屋盖结构体系主要由屋顶、梁板及柱组成。例如，霞浦站屋顶主体为四面坡形式，屋面采用深蓝色，如图6.41 所示。图6.42太阳能发电屋顶2）梁板结构梁板是实现大跨空间站房屋盖的主要结构。图6.43钢桁架屋盖结构厦门西站屋面采用“大跨度空间钢桁架+双向正交钢管桁架”结构。

在房屋建筑顶部，用以承受各种屋面作用的屋面板、檩条、屋面梁或屋架及支撑系统组成的部件或以拱、网架、薄壳和悬索等大跨空间构件与支承边缘构件所组成的部件总体称为屋盖结构。

由于大型及特大型的高架站房不仅要满足综合交通枢纽的使用功能，同时还要实现“城市地标”的社会要求，因此，各具特色的建筑造型、屋盖形式使得屋盖结构选型越来越复杂。上海南站屋盖系统采用大跨度张拉索结构形成圆形轮状屋盖，候车大厅内部完全无柱，空间开阔通透，如图6.40 所示。

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图6.40　上海南站屋盖及候车大厅

一般情况下，屋盖结构体系主要由屋顶、梁板及柱组成。

1）屋顶

屋顶是由屋面板、承重结构、顶棚等部分组成的车站站房最顶部的功能部件。

我国目前大部分站房的屋顶与其下所述的屋盖结构合二为一，在这种情况下，屋顶包括在屋盖结构体系中。对于传统的民族形式的站房和某些特殊形式的结构，还要在屋盖上再加设屋顶结构。

（1）屋顶的组成

屋顶一般由屋面和承重结构两部分组成，还有保温层、隔热层及顶棚等。

①屋面。屋面包括屋面盖料和基层，如挂瓦条、屋面板等，直接承受风雨、冰雪和太阳辐射等大自然气候作用。屋面材料应具有防水、耐火和耐自然长期侵蚀的性能，并有一定强度。

坡屋顶的屋面防水盖料种类较多，有弧形瓦、琉璃瓦、筒瓦、波形瓦、金属蒙皮板、构件自防水及太阳能面板等。

②承重结构。屋顶的承重结构一般有椽子、檩条、屋架或大梁等，承受屋面上的所有荷载、自重及其他加于屋面上的荷载（如吊顶），并将这些荷载传递给支承它的墙或柱。

坡屋顶的结构体系大体可分为檩式、椽式、板式3 类。

③保温层、隔热层。保温层和隔热层分别在寒冷地区和炎热地区设置，可设在屋面层或顶棚层。

④顶棚。顶棚具有保温隔热和装饰作用，有直接式顶棚和吊顶两种方式。

（2）屋顶的类型

按屋顶形式分平屋顶、坡屋顶和其他屋顶。

①平屋顶。平顶屋的坡度小于10%，常用坡度为3% ～5%。在平屋顶情况下，往往屋顶与下属的屋盖合二为一。

②坡屋顶。坡屋顶指坡度大于10%的屋顶。坡屋顶形式有单坡、双坡、四坡、歇山、庑殿等。例如，霞浦站屋顶主体为四面坡形式，屋面采用深蓝色，如图6.41 所示。

③其他。包括尖顶、圆顶、折板、筒壳、悬索、膜结构等类型。

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图6.41　四面坡屋顶（霞浦站）

（3）新技术应用

屋顶往往是车站站房的视觉重点，甚至是整个车站的视觉中心，设计师在设计站房时往往把较多的注意力放在屋顶的处理上，因此有较多的新技术应用在铁路站房屋顶上。大跨、高耸、轻体、高强结构技术近年来也大量应用到我国铁路站房的设计建设中。

一些新的环保、节能减排技术也在站房屋顶上得到应用，例如，天津西站在屋顶安装太阳能板，可以利用太阳能发电、节约能源，如图6.42 所示。许多车站的屋顶能够通过自然光，节约了候车大厅的照明资源。

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图6.42　太阳能发电屋顶（天津西站）

2）梁板结构

梁板是实现大跨空间站房屋盖的主要结构。采用屋顶结构形式之后，有些屋架本身承担下部梁板的受力，可使梁板之下不设或少设板柱。

屋盖结构设计应结合建筑方案、加工制作及施工安装方式等因素确定结构方案。非常用形式以及跨度大于120 m、结构单元长度大于300 m 或悬挑长度大于40 m 的大跨屋盖结构应进行专项论证。

高架屋盖的梁板结构体系主要有钢筋混凝土+预应力、钢桁架、实腹钢梁、钢网架结构，网架与桁架混合钢结构，网壳钢结构及张弦梁结构等结构形式。加入预应力筋的钢筋混凝土结构可以提高梁板结构体系的承载能力，但预应力钢筋工程量的增加也会引起工程造价的增加，同时对大跨结构的优势没有其他钢结构形式明显；实腹钢梁自重较大，用钢量及其他材料用量均很大；网壳结构相对复杂。

经统计分析，目前我国高速铁路车站高架屋盖梁板体系多采用钢桁架、钢网架及二者相结合的混合结构。相对钢网架结构，钢桁架结构在屋盖梁板体系中应用更广。

（1）钢桁架

钢桁架是用钢材制造的桁架，最常采用的是平面桁架，在横向荷载作用下其受力实质是格构式的梁，如图6.43（a）所示。随着大跨高耸屋盖技术的发展，一些大中型车站使用主体桁架（或称空间桁架）。使用张弦结构的主体桁架如图6.43（b）所示。钢桁架与实腹式的钢梁相比较，其特点是以弦杆代替翼缘和以腹杆代替腹板，而在各节点处通过节点板（或其他零件）用焊缝或其他连接将腹杆和弦杆互相连接；有时也可不用节点板而直接将各杆件互相焊接（或其他连接）。这样，平面桁架整体受弯时的弯矩表现为上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉。

钢桁架与实腹梁相比是用腹杆代替整体的腹板，并且杆件主要承受轴心力，从而能节省钢材和减轻结构自重。这使钢桁架特别适用于跨度较大的结构。此外，钢桁架还便于按照不同的使用要求制成各种需要的外形。并且，钢桁架常可做成较大高度，从而具有较大的刚度。但是，钢桁架的杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。

钢桁架中，梁式简支桁架最为常用。因为这种桁架受力明确，杆件内力不受支座沉陷和温度变化的影响，构造简单，安装方便，但用钢量稍大。刚架式和多跨连续钢桁架等结构形式能节省钢材，但其内力受支座沉陷和温度变化的影响较敏感，制造和安装精度要求较高，因此采用较少。在单层房屋钢骨架中，屋盖钢桁架常与钢柱组成单跨或多跨刚架，水平刚度较大。银川站的钢张弦桁架屋盖结构如图6.43（c）所示。

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图6.43　钢桁架屋盖结构

厦门西站屋面采用“大跨度空间钢桁架+双向正交钢管桁架”结构。站房最高可聚集人数为5 000 人。站房高架候车厅跨度为132 m，长为220 m、高为9 m、宽为13 m、重量为1 200 t，候车厅内无立柱，是目前我国铁路站房中单跨桁架跨度最大的车站。

（2）钢网架

钢网架为由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而成的空间结构，具有空间受力好、质量小、刚度大、抗震性能好等优点；缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面桁架结构复杂。

根据外形不同，网架结构可分为双层板型网架结构、单层和双层壳型网架结构，如图6.44（a）所示。板型网架和双层壳型网架的杆件分为上弦杆、下弦杆和腹杆，主要承受拉力和压力；单层壳型网架的杆件，除承受拉力和压力外，还承受弯矩及剪力。目前，我国的站房网架结构绝大部分采用板型网架结构。

网架结构的杆件截面应根据强度和稳定性计算确定。为减小压杆的计算长度并增加其稳定性，可采用增设再分杆及支撑杆等措施。用钢材制作的板型网架及双层壳型网架的节点，主要有十字板节点、焊接空心球节点及螺栓球节点3 种形式。十字板节点适用于型钢杆件的网架结构，杆件与节点板的连接采用焊接或高强螺栓连接。空心球节点及螺栓球节点适用于钢管杆件的网架结构。单层壳型网架的节点应能承受弯曲内力，一般情况下，节点的用钢量占整个钢网架结构用钢量的15% ～20%。

采用钢桁架结构时，屋盖梁板体系单位用钢量最大；而采用桁架网架混合结构比单纯采用钢桁架或钢网架结构的用钢量都要少，混合结构大约比钢网架结构的用钢量减少1/3 左右。应用桁架网架混合结构形式的车站有汉口站[图6.44（b）]、吉林站和贵阳北站等车站。

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图6.44　网架屋盖结构

3）柱结构

车站的屋盖大都由墙和柱提供支撑。

（1）柱体材料

从主体材料角度来看，屋盖柱结构形式主要有钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱、钢筋混凝土及钢结构柱等。

为满足高架候车厅空间大、屋盖柱结构体系悬挑高大、柱距大的特点，在实际应用中，目前屋盖柱多采用钢柱结构形式。钢柱结构既能满足大的承载力要求，同时自身的设计截面尺寸小，较其他结构而言自重轻，适合于大型结构的竖向、侧向支撑结构选型。例如，广州新站、青岛北站、北京南站采用钢结构柱后，候车大厅显得高大、宽阔、明亮，效果明显，如图6.10、图6.20（a）、图6.30、图6.45所示。

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