大跨度铁路公共建筑钢结构工程实例及分析

6上海铁道科技2008年第2期诸坚浙江铁道建工实业有限公司和膜结构等五大类，但这一分类难以涵第八届全国运动会，，其主体育场的挑篷36100m。，盖近年来空间结构发展中出现的新结采用了膜结构覆盖面积为盖呈马鞍形288mx，屋构，特别是目前发展势头强劲的各类杂。平面投影尺寸为交空间结构或组合空间结构也有根据274m，由棍径向悬挑桁架和，结构刚性差异将空间结构分为刚性空间结构柔性空间结构和组合空间结构但、环向次桁架组成大跨度的空间结构最。大悬挑长度达和735m．。屋盖总共有578将所有由不同结构单元或不同材料组合而成的空间结构均列为杂交结构或组合个伞状索膜单元每个单元由，一根拉索根立柱覆以膜材组成。这是中国首结构(习惯上由不同单元构成的结构称杂交结构不同材料构成的称组合结构)，次将膜结构应用到大面积和永久性建筑上影响至为深远许多宏伟而富有特色，。显得过于笼统。的大跨度建筑已成为当地的象征性标志，近二十余年来各种类型的大跨空和著名的人文景观可以这样说，。间结构在美、日、欧等发达国家发展很，大跨空间结构是最近。快。建筑物的跨度和规模越来越大尺150m三十多年来发展最快的结构形式国际．度达以上的超大规模建筑已非个，空间结构》杂志主编马考夫斯基(z《Makows一s．别；结构形式丰富多彩采用了许多新材料和新技术形式。，ki)说：在60年代空间结构还被“发展了许多新的空间结构认为是，种兴趣但仍属陌生的非传统结”例如1993年建成直径为，222m的构然而今天已被全世界广泛接受今天来看，。从建筑工程中。，大跨度结构通常也称，日本福冈体育馆其著名的特点是可开大跨度和超大跨度建筑物及个国家建筑科技水平的重下面结合我局上海火车南为空间结构之所以这样定义是空间结合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成扇形沿圆周导轨移动体育，，作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一构是一种具有三维空间形体，且在荷载，作用下具有三维受力特性的结构、、具有馆即可呈全封闭开启、协或开启2／3等要标志之、一。受力合理自重轻造价低以及结构形式多样等特点近二十年来我国的大跨度。，不同状态。国家大剧院屋盖是我国目前，站工程南京火车站工程具体分析如下：1．唯一的也是跨度最大的空腹网壳结构、空间结构得到了迅速的发展，，结构形式。其椭圆形平面尺寸达到1983142mx212m。上海火车南站工程程概况21不断创新并具有我国自己的特色形态年建成的加拿大卡尔加里体育馆，11工各异的空间结构在体育场馆展览中心、、、、、、采用双曲抛物面索网屋盖其圆形平面筑江——作为上海世纪标志性交通建航站楼影剧院车站大型商场飞机直径135m，，它是为1988，年冬季奥运会上海铁路南站作为上海联系长库、工厂车间、煤棚与仓库等建筑中得到。修建的外形极为美观迄今仍是世界上最大的索网结构。、珠江三角洲及中国南方其他地区城，了广泛的应用，1970年在日本大阪万835m．市的重要交通枢纽已于日将正式开通运营AREP、2006年7月1当前空间结构的发展方兴未艾极、国博览会的美国馆采用了气承式空气膜。该工程由法国、具活力新的空间结构形式不断涌现长，。结构，，其平面为140mx的拟椭圆。公司上海华东建筑设计研究院期以来对空间结构的形式与分类并没有统一形它标志着膜结构时代的开始膜结构的材料与设计断的发展与提高。、此后，铁道第四勘察设计院等单位联合设计由上海建工集团、，的标准、。习惯上将空间结构分为薄、制造技术得到不年在上海召开的中铁建第二十四工程。壳结构网架结构网壳结构悬索结构、1997局等主要施工单位联合施工工程坐落维普资讯 http://www.cqvip.com

上海铁道科技２ｏ０８年第２期　７　住ｊ线钢管。从内向外，第０５、１０、　０ｍ，　用单根［在上海的南大门，原有的沪杭铁路线从　梁端结成整体。顶压环直径２６．８、２８圈的檩条为加强檩条。加强檩条　其中间区域穿行而过，远远望去就像一　顶压环处矢高（相对于外柱柱顶）　１座美丽的大花园。　一与主梁刚接，并与环向拉　２４．２８ｍ。外柱以外边缘悬挑２５．５６７ｍ，形　下弦穿过主梁，上海南站是中国内地铁路建设中第　成边缘上翘的圆环［住ｊ面。１８根内圈柱分　索可靠连接，成为刚度远大于普通檩条　次融入“航空港”设计理念，采用高进　布在直径为１５２．０ｍ的圆周上，为　的系统，形成了４道环箍，不仅大大增加　低出”方式的现代化火车站。整个建筑分　（Ｉ）６５０ｍｍ的钢管混凝土柱。３６根外圈柱　了屋盖的整体刚度，而且有利于减小主　为出发层、站台层和到达层。自驾车或出　分布在直径为２２４．０ｍ圆周上，为　梁对柱顶的侧推力。　租车由高架路道路直奔至９ｍ高的候车　大厅门口，旅客下车后直接经过安检通　道即可安心候车；“低出”则是在０ｍ层　广场上有出租、公交、轨道交通等多种交　通工具供抵沪的旅客选择乘坐离开。上　海南站主站屋东西两条出站地道的尽端　设南北地下换乘敞厅，与地铁、轻轨的地　下站厅连接，从真正意义上实现了铁路　客运与城市轨道交通的“零距离”。环形　厅内设有软席候车室、城际列车候车室　及旅客候车室ｌ４个，可同时容纳６０００　余名旅客候车。每个候车室用花坛隔断，　配有两个信息显示屏和四台电视。　上海南站主站屋的圆形钢结构造型　磅礴，远远看上去像“飞碟”。主站屋钢结　构安装总投影面积约６００００ｍｚ，屋高　４７ｍ，圆顶直径达２７８ｍ，主站屋中间　７．５０ｍ标高平台主要用作候车大厅，周　边９．８０ｍ标高平台主要用作售票厅和商　场。主站屋屋顶设计为采光顶，不用一块　玻璃，透光材料类似“三明治”结构，最上　层是减少强光照射的铝合金遮阳极，中　间一层关键材料是力显聚碳酸酯板材，　这两种材料既保证透光率６５％，又构成　阻挡紫外线的联合防线，使阳光中多数　热能无法渗入，不仅可使夏季屋内降温　和照明费用减少４０％，建成的主站屋内　白天不开一盏灯也十分亮堂，每年节约　用电量非常可观。独特的涂层技术还使　屋顶具有遇水自动清洁功能。　１．２钢结构特点　主站屋钢结构屋面为直径２７８ｍ的　圆形，外形中部呈扁圆锥形，外周悬挑部　分略为上翘，其结构由１８根异形变截面　分叉大梁、中心内压环、钢柱、钢檩条、预　应力钢棒等组成。１８根钢梁四周支撑在　１８根内圈柱和３６根外圈柱上，“伞顶”　由圆形顶压环将对称的１８根主梁　（Ｉ）８００ｍｍ的钢管混凝土柱，外柱沿圆周　向两侧设有从柱顶到地面的斜向拉索，　以保证柱子的侧向稳定。内、外圈柱上细　下粗，顶部分又，与钢结构大梁铰支连　接，其设计合理、巧妙。各部分结构构件　组成如下：　（１）柱子：柱子支撑在标高９．９００ｍ　平台的转换大梁上，为刚性柱脚。分内外　两圈，内圈半径７５ｍ，外圈半径１１３ｍ。内　柱共有１８根，为变截面柱，直径为６００～　１０００ｍｍ；外柱共有３６根，直径为　７００ｍｍ。　（２）主梁：主梁为两次分又的Ｙ形　结构，截面形式为变截面的橄榄形，其截　面高度由内至外为１．３６ｍ、３．５６ｍ、２．４６ｍ、　０．９８ｍ，在内环柱以内部分增加了两根钢　棒组成的下弦杆，该形式不仅增加了主　梁的刚度，而且可防止在不对称荷载作　用下内压环的摆动。主梁为橄榄形截面，　梁外壁钢板厚度为１０ｍｍ，为保证外壁　钢板的局部稳定性，每隔１．８ｍ设置Ｔ形　内加劲肋。　（３）梁柱节点：主梁支撑在柱顶Ｙ　形的钢铸件支座之上，沿主梁侧向的支　座形式为铰支座。为减小温度变化引起　的主梁轴向变形对柱子产生强大的推　力，将外柱与主梁的连接节点做成弹性　铰支座，允许主梁沿径向有一定的位移，　弹簧刚度为４ｋＮ／ｍｍ。　（４）屋顶中心内压环：主梁的顶端支　撑在中心内压环上，中心内压环为三角　形桁架，用于承受主梁传来的压力。　（５）环向檩条：环向檩条支撑于主梁　之上，平面形状为弧形，由上下两根圆形　截面的弦杆和Ｈ形直腹杆组成，形成类　似空腹桁架的受力结构体系，在靠近主　梁处设置对角钢棒，以减小支座弯矩。在　靠近内压环附近的檩条因跨度较小，采　（６）索体系：索体系主要起稳定、提　高体系抗侧刚度及抗扭刚度的作用，包　括环索、主索及外柱斜索。环索为（Ｉ）１５０　钢棒，除了与加强檩条连接的环索外，在　屋盖最外圈还有两道环索，可以有效地　减小悬挑梁段的挠度。主索为中５０双钢　棒，成交叉对称布置，有效地将内、外柱　及主梁结合起来，大大提高了屋盖的整　体抗扭能力。在每个外环柱顶设置４根　由柱顶至混凝土转换梁的外柱斜索，可　有效地减小外环柱沿环向的侧移，并且　将风荷载和地震荷载产生的水平力直接　传到下部混凝土转换梁，加强了体系的　侧向刚度，大大减小柱在风荷载和地震　荷载作用下的弯矩和水平力。　２南京火车站工程　（１）工程概况　南京站始建于１９６８年９月，位于金　陵古城城北，地理位置优越，景观环境优　美。２００２年由铁道部、江苏省、南京市三　方共同投资在原址改建，新站房改建工　程总投资３．５亿元，历时三年，于２００５　年９月１日作为十运会重点工程项目投　入试运行。新建成的站房外型采用法国　ＡＲＥＰ公司的设计方案，内部功能采用　铁道第四勘察设计院的设计方案，充分　体现了标志性、功能性、系统性、先进性　和文化性的有机结合。车站站房采用桅　杆斜拉索悬挂结构，用１８根桅杆支撑起　横向钢梁，象一艘竖起桅杆、拉满风帆的　巨型帆船停泊在美丽的玄武湖畔，既具　有江南文化特色，又融合现代化气息。　南京站新站房建设采用了大量先进　技术，主体结构由１８根后倾钢管混凝土　柱为主要受力构件，大面积、大跨度的斜　拉索轻钢屋盖体系，现代化的悬挂结构　通透的点式玻璃幕墙，自动监控消　技术，维普资讯 http://www.cqvip.com

８　上海铁道科技２００８年第２期　防水炮，远距离送风大温差设计分层空　路建筑钢结构工程存在以下几个特点：　调系统，处处体现了现代科技与新型建　（１）结构体系多样　车南站采用了一种组合的非金属屋面系　统。屋面采用了三层结构，最外面一层是　筑的完美结合。此外，车站同步建成了电　两个典型铁路建筑钢结构工程基本　遮阳百叶，中间是为进口的ＧＥ力显聚　视监控、电子引导、列车到发预告、多媒　以大跨度结构体系为主。结构造型复杂、　氨酯阳光板，内层是装饰性的穿孔铝板。　体查询等客站自动化管理信息集成系　结构体系多样。上海火车南站为造型新　这些屋面系统在屋面材料和构造方式均　统，具有国内一流水平。　颖的圆形建筑、最大直径为２７５ｍ。屋盖　有很大的差异。即便是金属屋面系统，面　南京站新站房运用立体化的交通组　钢结构由１８根Ｙ形的橄榄形端面主梁　板的材质也有镀锌钢板、铝合金板等类　织，旅客进出站采用“高进低出”流线，进　和位于中心的压顶环组成，并由下部内　型。保温层也分聚酯保温层、岩棉等。同　站可以乘车通过高架环形车道直达二层　平台进入候车大厅，地下出站大厅与地　铁南京站及停车场相连，旅客可以选择　地铁、出租车、社会车及公交车换乘，在　国内铁路站房建设中首次实现了真正意　义上的“零距离”换乘。较新站房后开工　的南京站站场改造工程主要包括新建无　站台柱钢结构雨棚，增加２线１站台、２　座进站天桥，新建出站、行邮包地道以及　其它配套设施。无站台柱钢结构雨棚覆　盖面积达４７５００ｍ　，雨棚长５４３．５ｍ、宽　８７．５ｍ，由７５根特种钢柱支撑，最高点距　站台面２０．４５６ｍ。出站地道长１１０ｍ、宽　７．５ｍ、高３ｍ，行包地道长１１０ｍ、宽　５．２５ｍ、高３．１ｍ，邮包地道长１　１０ｍ、宽　５．２５ｍ、高３．１ｍ。　（２）结构特点　南京火车站主站房建筑面积　３６０００ｍ　，火车站主站房预应力钢屋盖采　用桅杆斜拉索悬挂钢结构型式，结构纵　向长度２７９ｍ，横向长度６３．５ｍ，共有２Ｏ　榀横向结构。屋面采用桅杆柱斜拉索钢　结构坡屋面，由１８根桅杆柱、７２根斜拉　索悬挂支承曲线弧形钢结构坡屋面，结　构平面布置如图８．１３。桅杆柱柱顶高　４２ｍ，拉索点４０．２ｍ，弧形屋面２３．６—　３０．８２３ｍ，四周各悬挑４．５ｍ，中间棱形采　光带长１９５ｍ，宽２４．４５４ｍ，高１０．２６８ｍ。　南京站南北立面均采用大面积玻璃幕　墙。南面玻璃幕墙前倾１Ｏ度角，并设有　二、三层遮阳板，下部与高架环形桥相　连。北面玻璃幕墙直立，并与两座天桥相　连，旁有三个站台雨棚。西面距既有２８　层铁道大厦约９６ｍ。　３工程特点分析　从以上两个典型工程来看，大型铁　外两圈共５４根钢柱支承。主梁和中心压　顶环下还设置了预应力张弦拉索系统以　提高结构的承载力和加强结构刚度。此　外主梁间还设置了屋面拉索交叉支撑，　外圈钢柱设置了环向斜拉索支撑。南京　站主站房采用的是斜拉钢屋盖结构体　系，支承柱和屋面结构均采用了钢结构。　中部柱列伸出屋面，并在柱顶设置斜拉　索吊挂屋面主梁。另外，南京站的站台雨　棚也采用了大跨度结构体系，屋面主体　结构为双向正交的主次立体桁架构成，　中部设一排钢管格构柱。　（２）结构受力性能复杂　从两个典型工程来看，由于钢结构　体系的不同，各工程结构系统的受力性　能、传力途径、变形分布均存在本质的区　别。如上海火车南站的大跨度钢结构体　系在国内还是首次应用，国外也鲜有报　道。　（３）构件和节点类型多样　从两个典型１二程的总体情况来看，　结构构件形式复杂。除常规的圆钢管、方　钢管、Ｈ型钢、冷弯薄壁型钢外，还采用　了诸如橄榄型截面的非常规构件。拉索　系统的较多应用也是重要特征，而拉索　又包含了高强钢绞线和近些年才从国外　技术引进的实心钢棒拉索系统。节点也　基本包含了目前钢结构系统的主要节点　形式。除常规的板式节点、网架专用的螺　栓球和空心焊接球节点外，还有近些年　才开始使用的铸钢节点、拉索的锻压和　浇铸锚节点等。有些节点还引入了结构　控制元件。　（４）采用不同类型的轻型屋面系统　屋面系统主要有金属屋面系统和非　金属屋面系统两类。南京火车站的屋面　系统采用的是金属屋面系统。而上海火　时各种板型的搭接构造、防水措施、与檩　条的连接构造基本依据各厂家的产品标　准，差异很大。　（５）幕墙系统面积大、支承结构可靠　性要求高　两个典型工程中的玻璃幕墙系统主　要为两类。一类是框支承玻璃幕墙结构　（上海南站）、一类是点支承玻璃幕墙结　构（南京火车站）。幕墙系统的一个重要　的特征是覆盖面积大，幕墙支承结构形　式多样且可靠性要求高，而且如南京站　的幕墙支承系统还采用了新型预应力拉　索式支承体系。　４使用维护存在的问题　从当前技术层面来看，大型钢结构　工程的使用维护工作还存在以下问题：　（１）近些年来，随着我国基本建设的　高速发展，大型钢结构工程不断涌现，而　且呈现出建筑造型复杂化和跨度极限不　断突破的特征。一些新型空间钢结构形　式不断被这些大型钢结构工程所采用，　并且有些结构形式在全球范围内也不多　见（如上海火车南站的主体钢结构系统　便是例证）。这些钢结构体系受力性能复　杂，安全可靠度比常规结构体系更为敏　感，加之新材料和新技术的不断应用，因　此这些工程无论是设计还是施工均具有　很大的技术难度和挑战。更应重视的是，　与工程设计和施工相比，对于这些大型钢　结构工程在使用过程中的安全性监测和　维护的技术水平更是相当滞后。目前国　内基本上还没有有效的技术标准可以执　行。近期，科技部和建设部在国家“十一　五”重点科技支撑计划中，明确将“大型　钢结构工程的检测、鉴定、维护和加固技　术”列为重点攻关课题。（下转第２０页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

上海铁道科技2008年第2期本为探索预应力混凝土接触网支柱产生裂缝后的耐久性问题，支承状态也是防止轨枕枕中出现横向裂缝的重要条件。缝宽度超过O5ra．m；③承轨槽面压溃挡，一曾将已有裂缝的(16～箍筋和螺旋筋的设置有肩严重破损O5m．；④纵向裂缝宽度超过；．支柱自然置于冬(36℃)一10--18c【=)夏利于防止轨枕端部和中部纵裂以及钉孔裂缝但目前箍筋本身不成整体且与预，m，长度超过全长二分之⑤承轨m，的环境中进行长达二十余年的反，，槽问两钉孔间裂缝宽度超过O5ra裂纹交错严重掉块露筋，，并复冻融试验从长期的观测总结中可看，应力钢筋只是松散搭接面效果有限。，在防止纵裂方并与预应延伸至轨枕端部或轨枕中部；⑥承轨槽。出裂缝宽度没有扩展，，混凝土的碳酸化。有的工厂严格将端部箍筋30mm一也是轻微的未发现内部钢筋锈蚀轨枕虽然也处于露天环境，，布置在离端头范围内起，，按规定轨枕达到失效标准就应从，但底部有。30cm力钢筋牢固绑扎在从而发现对防线路上更换下来以保证行车安全但根，。厚的道碴垫层不会浸泡在水中根据调查分析，止端部纵裂有很好效果。据以上各种调查试验的研究分析在行、，表面宽度不超过1m。m的裂缝，(2)加强工厂管理严格操作工艺，。车密度增大难，，从线路上更换轨枕更加困深度一般也达不到钢筋位置这种裂缝。九十年代以后，凝土轨枕工厂的中国?昆而在混凝土补缝材料和补缝技术不，对其结构性能是不会有影响的，上级管理部门对工艺操作提出按《技术断发展的今天失效的轨枕，仅是因为裂缝而被认为可以采用及时修补的方，(3)调查研究还表明纵向裂缝对结条件》和《检查细则》严格要求如严格混，由于承载能力及其他使用，构的耐久性的影响重。一般比横向裂缝严龟裂扩展凝土配合比，确保振动密实和混凝土强，，性能并未降低，因钢筋混凝土构件的纵向裂缝引起，度(包括放张强度)特别是蒸汽养护要法以避免裂缝发展和钢筋锈蚀保持其的钢筋锈蚀会使保护层剥落、求预养时间≥2h升温速度≤20℃／h恒，，结构耐久性延长轨枕的使用寿命从而，，引起混凝土疏松掉块逐根进行轨下截。温温度≤60℃20，脱模时轨枕表面与环境40℃。提高线路的综合技术经济效益。面静载抗裂强度和疲劳强度试验后从，温度之差≤—有时工厂还在轨枕。责任编辑：徐伟民试验结果可看出：出现贯通裂缝的轨枕脱模存放的三天内进行浇水养护措施对减少轨枕裂缝裂将是十分有利的，，这些大部分轨下截面的静载抗裂强度有明显的降低；端部纵裂或龟裂的轨枕静载抗，特别是龟裂及纵。裂强度和疲劳强度与常态轨枕比较一，(3)严格控制混凝土原材料除了对。般无显著差别。这说明轨枕端部的纵裂，水泥强度与安全性、集料的级配与含泥，和龟裂多数从表面开始还未发展到影，量等常规指标严格控制外还应重点考响?昆凝土与钢筋的握裹力剖开纵裂轨，虑碱集料反应问题未发现有碱活性，。中国天然河砂至今)和低碱减水枕内部钢筋，一般均未锈蚀但沿钉孔纵以上裂缝长度从钉孔延，，因此应大力推广应用G06％．裂宽度达造成影响出，3ram低碱水泥(含碱量伸至两端变截面时。将对轨枕保持能力剂。在目前使用低碱水泥和低碱减水剂，从多次调查及试验结果可看因此可以采用以提高结构耐尚有困难的情况下泥用量，应注意控制最大水宽度和长度都不大的裂缝对轨枕的。使轨枕混凝土的碱含量不超过。承载能力几乎没有影响安全限值(3k∥m)例如：当水泥碱含量修补的办法将裂缝封闭久性。，高达500k~l％mm，轨枕混凝土的水泥用量为时，。则混凝土的含碱量为m。。500x1％=5k∥m4即使不掺减水剂亦，混凝土轨枕裂缝的预防和控制已大大超出3k—m，mz的安全限值；当水轨枕作为一种预应力混凝土结构。泥含碱量为5％，06％时．，减水剂含碱量为因此一要想完全杜绝裂缝是很难做到的。，但裂掺量为l％时，则混凝土的最大水泥460x缝毕竟是有害的为此应当竭尽全力来用量就降为460x460kg，m，．06％+．防止裂缝的出现预防和控制裂缝可以。，1％×5％=299，mkg／3k∥mm0(安从三个方面人手：(1)从力学物理的角度为了防止、全限值)而不是通过技术条件中规定的，500kg，mm。。横向裂缝，，除了根据可能出现的最大荷，载合理配置预应力钢筋外还应加强端部箍筋和道钉孔处螺旋筋的配置此外。，5结束语关于混凝土轨枕失效标准，铁路工加强线路的维修养护，使轨枕处于良好②环裂裂务规程中规定为：①明显折裂；