某国际轻轨工程为EPC项目, 全线长17.6 km, 共设计9座高架车站。站台雨棚设计为膜结构, 共有110 265 m2, 其支持体系为钢结构, 顶部沿线路方向凸凹相间, 间距9.12 m, 凸型顶杆最高点距站台面10.494 m, 凹型顶杆最高点距站台面11.673 m。每座车站站台雨棚都包括宽和窄两种结构形式, 宽雨棚钢立柱间距为7.9 m, 窄雨棚钢立柱间距为3.025 m, 见图1。

(1) 材料重量

膜材的重量:1.15 kg/m2;

钢材的重量:78.5 k N/m2。

(2) 风载

基本风速:42 m/s;

基本风压力:1.24 k N/m2。

(3) 张拉力

膜材在纵横向的张拉力为2.0 k N/m。

(4) 活载

人行活载:1.5 kg/m2;

轨道上的活载:垂直和横向均为1.0 k N/m。

(5) 积水

膜结构在下雨条件下无积水, 不考虑雨水的自重和水压力。

欧洲相关设计规范要求, 以下5种荷载组合形式必须考虑。

(1) 荷载组合1:1.2DL (DL为恒载, 包括张拉力)

(2) 荷载组合2:1.2DL+1.4LL (LL为活载)

(3) 荷载组合3:0.9DL+1.4WLup (WLup为向上的风载)

(4) 荷载组合4:1.2DL+1.4WLdn (WLdn为向下的风载)

(5) 荷载组合5:1.2DL+1.4WLdn+1.0LL

每种荷载组合形式均包括张拉力和结构自重。

在概率理论的基础上百富策略白菜网大型的有限元分析程序进行建模, 所有的膜 (索) 和钢柱之间的联接视为铰接。

在结构分析中, 宽雨棚采用的结构尺寸及计算模型见表1和图2。

在结构分析中, 窄雨棚采用的结构尺寸及计算模型见表2和图3。

以宽雨棚为例阐述结构验算过程。

(1) 膜

采用德国生产的杜肯B18089型PTFE涂层玻璃纤维膜材, 其厚度为0.7 mm, 张拉力纵向为140 k N/m、横向为120 k N/m。安全系数为短时间内工作荷载的4倍, 即自重、张拉力与风载之和的4倍。

(2) 钢结构

所有的钢结构材料等级为Q235B, 16 mm及以下厚度的屈服强度为215 MPa, 弹性模量为206×106k N/m2。

(3) 膜边缘的索

镀锌索的张拉强度为1 570 MPa。

共检算129根梁和292个节点, 见图4。

通过程序计算, 编号为2的梁在第5种荷载组合下, 其结构总应力最大, 达到196.64 N/mm2, 小于允许应力215 N/mm2, 符合设计规范要求。

共检算68根索, 见图5。

通过程序计算, 编号为41-48的索在荷载系数为2.2的情况下, 其所受拉力最大, 达到149.4 k N, 小于允许拉力235 k N, 符合设计规范要求。

检算膜的纵横向张拉力, 见图6。

通过程序计算, 膜在第3中荷载组合情况下, 其纵横向张拉力最大, 其中纵向张拉力达到21.33 k N/m, 横向张拉力达到13.77 k N/m, 均小于允许张拉力140 (120) k N/m, 符合设计规范要求。

纵向安全系数=140/21.33=6.56, 横向安全系数=120/13.77=8.71, 均大于4, 符合设计规范要求。

检算单元杆件、轴以及梁在5种荷载组合情况下的挠度, 见图7。

单元杆件1、2、9, 其计算长度为6 966 mm, 最大计算挠度值为19 mm, 允许挠度值=6 966/250=27.8 mm, 最大计算值小于允许值, 符合设计规范要求。

本项目的支撑结构采用的是钢结构, 所有钢结构的加工图由国内加工厂完成, 传到现场待设计单位与监理单位审批后按图加工制作。为运输方便, 最大杆件长度不大于12 m, 并做除锈防腐处理, 不喷涂面漆。原材料检验以及过程检验试验均按照欧洲标准进行, 业主进行厂验后方能发运。

在高架车站所有的梁架设完毕后开始钢结构的安装。要高度重视在进行桥面铺装时钢结构预埋件的埋设, 必须保证其平面位置和高程绝对精确, 否则将会给钢结构安装带来极大的麻烦。

钢结构杆件用50 t吊车起吊, 交流电焊机焊接。为保证焊接质量, 每个焊缝均用探伤仪检测。所有钢结构杆件拼装焊接并经检验合格后, 按照设计和规范要求进行喷涂面漆。

在现场找一长约50 m, 宽约20 m的场地, 场地要求基本平整。

将场地中的碎石、木屑等清理干净, 绝对不能有尖锐的物体存在以防将膜材刺破。

将准备好的垫布铺好, 垫布的面积不能小于膜材的面积以免膜材接触到地面弄脏影响膜面的整洁。

将包装好的膜材放到铺好垫布的场地中央, 然后展开铺平, 注意一定要正面朝上, 同时还要注意到膜材的朝向和站台钢结构安装的方向一致。

将准备好的钢索穿到膜材制作好的边桶中, 然后将制作好的节点板与钢索和膜材调整好位置盖上夹板用螺栓固定好, 注意钢索的调整螺栓不能拧得太紧以防安装时节点板因钢索太紧而挂不上。

铺好膜材后作业人员抓住膜材需要安装在站台钢结构上端的一边, 反复折叠膜材使膜材形成一条宽1 m左右的长条, 并且每隔2 m用绳子绑扎好。注意不要绑扎太紧以免损坏膜材, 只要折叠的膜材不散开就行。

在需要安装膜材的钢结构处将吊车正确就位, 以免膜材放不到预定的位置。

将加工制作好的钢横梁放到吊车臂下面, 调整好位置, 并在两端拴好缆风绳。缆风绳要有足够的长度, 以免梁吊起后地面作业人员拽不到, 从而无法控制钢横梁的方向及姿态。

将膜材人工放到钢横梁下面的L型的里面, 将与钢结构上端相连接的节点板及钢索放到上面, 并要认真检查。同时要保证膜材是层叠状的, 当打开时不能叠压, 一定要一层一层的放开。

吊车起吊时一定要慢慢向上起吊, 同时要在桥上地面设立专职指挥观察人员配合吊车司机控制好节奏, 将绑扎膜材的钢横梁缓慢送到需要安装膜材的钢梁顶端。

钢横梁送到预定位置后, 将节点板从吊膜材的钢横梁上拉到需要安装膜材的钢结构节点上, 用销钉及螺栓固定牢固, 节点板安装的顺序应当从中间向两边一次安装。

待钢结构上端节点板固定好以后, 将膜材一层一层地平铺到钢结构上。利用钢横梁两端的缆风绳控制好钢横梁的姿态, 确保钢横梁按照预定的轨迹移动到钢结构下端。

膜材安装工人每两个一组沿预先架设好的脚手架攀爬到钢结构下端, 用手扳葫芦拉住膜材上的节点板, 将节点板拉到钢结构下端的预定位置, 用螺栓与钢结构固定牢固。

下端节点板安装完毕后, 安装两侧膜材, 将膜材由弧形钢结构的上端向下端依次安装。安装时注意不能使用手扳葫芦拉力过大, 应时刻注意膜材的变化, 避免因拉力过大或太小, 造成膜材长度过大或不足。

两端弧形钢结构上的膜材安装到位以后, 用专用的铝合金型材与相邻膜材预留的胶条相连, 再用手扳葫芦拉住铝合金型材, 将其与相邻的角钢固定好。

膜材张拉到位以后, 要清理在安装过程中沾到膜材上的污物, 应使膜材平整、干净。

膜结构由于具有自重轻、造价相对低、造型优美、施工速度快、使用安全可靠以及良好的抗震性能等优点, 而被国内外广泛采用。钢结构支撑和膜材是膜结构的关键, 其设计与施工的好坏将直接影响到膜结构的整体质量和使用寿命。本文对钢结构支撑和膜材的设计与施工要点进行了阐述, 可为类似工程提供借鉴。