铁路客站站台雨棚风荷载计算探讨

温四清董卫国邱 剑

（1中信建筑设计研究总院有限公司 总工程师、教授级高级工程师；2中信建筑设计研究总院有限公司 高级工程师；3中信建筑设计研究总院有限公司 教授级高级工程师，湖北 武汉 430014）

1 概述

铁路客站站台雨棚覆盖面积大、跨度大，一般四面开敞，形状各异。雨棚屋盖多采用轻型钢屋盖。站台雨棚的安全问题主要为雨棚屋面系统的抗风安全问题。准确合理地进行站台雨棚风荷载计算，对于控制投资、保证运行安全，十分重要[1]。本文就雨棚风荷载计算存在的一些问题进行探讨并给出解决建议，主要研究探讨的问题是：基本风压、安全等级、体型系数、风振系数、阵风系数、抗台风设计等。

2 基本风压

GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》（2006年版）（以下简称荷载规范）规定：“对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。”站台雨棚属于对风荷载比较敏感的建筑，但到目前为止，尚无相关结构设计规范对雨棚的基本风压如何提高做出规定。JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构设计技术规程》（以下简称高规）和CECS102:2002 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（以下简称门刚规程）对高层建筑及门式刚架风荷载基本风压的规定可予以借鉴。

高规规定为：“对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时，应按荷载规范规定的基本风压值的1.1倍采用。”

门刚规程规定，基本风压应按荷载规范规定的基本风压值的1.05倍采用。

高规和门刚规程的规定，与荷载规范的精神是相符的，即适当提高对风荷载敏感的建筑物的抗风能力。

轻钢屋面雨棚也属于对风荷载敏感的建筑，目前的意见是将其基本风压按100年一遇取值，大致相当于50年一遇基本风压的1.15倍。考虑到不论是雨棚的主体结构还是金属屋面系统，其安全问题主要是承载力问题，同时使基本风压的重现期与设计基准期一致，建议基本风压仍然取50年一遇对应的基本风压，并规定雨棚在进行承载力计算时，基本风压值应按荷载规范规定值的1.15倍采用，在进行变形计算时，则仍然采用荷载规范的规定值。

3 安全等级

雨棚的安全等级，以前一般定为二级。雨棚屋面系统出现一系列安全事故之后，雨棚的安全等级提升为一级。安全等级的定义出自GB 50068—2001《建筑结构可靠度统一标准》和GB 50153—2008《工程结构可靠度统一标准》，以结构破坏后所引起的后果的严重程度来划分。当破坏后果很严重时，应划分为一级。雨棚结构破坏后，其后果无疑属于很严重，故雨棚的安全等级应定为一级。

4 体型系数

雨棚的体型系数，在荷载规范中，可以参照执行的规定主要是荷载规范表7.3.1中的第27项，四面开敞式双坡屋面，如图1所示；第29项，单坡及双坡屋盖，如图2所示。

图1 双面和四面开敞式结构受风示意图

图2 单柱双坡屋面

图2-a的体型系数同表1，图2-b的体型系数详表2。

表1 双面或四面开敞式双坡屋面体型系数

表2 单柱双坡上翘屋面体型系数

按照规范规定进行体型系数计算时，所存在的问题及建议的解决方式如下。

4.1 规范所规定的形状种类，远不能涵盖雨棚结构的实际情况

当雨棚体型复杂时，体型系数无规范可依，此时，雨棚的体型系数应由风洞试验确定。

每一项雨棚工程进行风洞试验时，由于试验条件、模型制作水平、数据采集分析水平等存在差异，不同的单位作出的风洞试验结果差异很大，不能保证每一项风洞试验的结果都能接近理想的结果。每一单项工程，仅根据该工程的风洞试验结果进行雨棚设计，并不能完全保证雨棚结构设计能够在安全与节省投资之间达到最佳。这时需要有一种方法，对风洞试验的结果进行评判。

到目前为止，已经进行了一定数量的站房和雨棚的风洞试验，每一种形状的雨棚都有一定数量的风洞试验。雨棚的形状，对于荷载规范来说是复杂的，规范的规定涵盖不了，但对于客站建设来说，大多数雨棚的形状有规律可循，可以分类。为了在雨棚设计中，做到设计安全、造价合理，建议在已有的风洞试验资料分析整理的基础上，给出一般雨棚的体型系数，这样，每一雨棚也可按照规范的方法进行计算。完成风洞试验后，应分别利用风洞试验结果和按照规范方法对雨棚主体结构和屋面系统分别进行计算，并进行比较分析。当二者结果接近，并与经验判断相符，则风洞试验结果可采信，并用于设计；否则，则要分析风洞试验的结果是否可用。

4.2 按照四面开敞式屋盖计算风荷载

按照四面开敞式屋盖计算风荷载时，规范规定“图1、图2所示开敞式屋面对风有过敏反应，设计时应考虑μs值变号的情况”，但没有说明什么情况下考虑变号，变号后，绝对值的大小是否改变；对于图2所示单柱双坡雨棚屋盖，如果考虑变号，柱两侧是同时变号，还是只考虑一侧变号，也未说明。以图1对应的四面开敞式结构为例说明，如果要考虑变号，其体型系数可能性详见表3。

表3 四面开敞式双坡屋面体型系数

分析已有的风洞试验数据，从局部来看，上述各种可能性均存在。直接采用风洞试验数据计算时，可以将各点的等效荷载直接输入，各处等效风荷载分布是否有规律没有关系。但是，当按照规范的方法进行计算时，若没有规律，计算和设计就无法进行。对于整体计算，主要关注的是结构关键构件的控制应力以及结构的整体变形，不必要求每一处都与实际受力或与风洞试验结果相吻合，但要求总体上有一定规律，总体变形一致，关键构件应力相当。按照这种效应等效的原则来进行分析，表3的情况可以大大简化，简化后的情况如表4。建议在设计计算中按表4考虑变号情况。考虑单侧受力的情况，系参考欧洲荷载规范[2]的规定。

表4 四面开敞式双坡屋面体型系数建议考虑的情形

对于框架结构的四面开敞雨棚，主体结构起控制作用的主要是表4中的第2种情形，屋面系统起控制作用的主要是第1种情形。

对于单柱双坡，详表5。

表5 单柱双坡上翘屋面体型系数建议考虑的情形

4.3 纵向风荷载的总水平力

纵向风荷载对屋面所引起的总水平力，当屋盖与水平方向的夹角小于30°时，风荷载对屋面所引起的总水平力为0.1 Aωh（A为屋面水平投影面积，ωh为屋面高度h处的风压）；当夹角大于30°时，风荷载对屋面所引起的总水平力为0.05 Aωh。规范仅给出了横向风荷载的体型系数，纵向体型系数未给出，即如何计算ωh无规定。在计算纵向总水平力时，若横向梁或桁架外漏，是否需要额外计算梁或桁架所承受的风力，也不明确。

根据风洞试验结果统计，几乎所有的雨棚纵向风荷载均小于横向，计算ωh时，可以参照横向风荷载体型系数，同时不再区分前坡和后坡，各处相同，均考虑两种情况，体型系数考虑+1.0和-1.0。（说明：关于这一点，规范编制人员解释，ωh为来流风压，是基本风压与风压高度系数的乘积，不需要乘以体型系数。本文根据风洞试验的结果，将体型系数取+1.0和-1.0，与规范编制人员的解释一致。）

当有梁或桁架外露时，参照荷载规范表7.3.1第31～33项计算，并与按照0.1 Aωh计算的总水平力叠加。

4.4 各地均有主导风向，体型系数可否根据主导风向与雨棚的相对关系确定

主导风向是通常情况下起风的方向，但并不表示在一个设计寿命周期内，总是这样的方向，因此设计时，不考虑主导风向的问题。进行风洞试验，各方向均进行吹风试验，然后按照最不利组合考虑。

4.5 金属屋面系统计算

在进行金属屋面系统计算时，较多的屋面是双层板，在荷载规范中，体型系数是叠加后的结果，屋盖的上下表面的体型系数各是多少，没有说明。之所以提出这一问题，是因为在进行雨棚屋面系统设计时，有较多的屋面采用的是双层板系统，有的双层板之间还有一定的距离，并有各自的檩条系统。上、下两层板及连接计算时，需要分别知道上、下表面的体型系数。以图2-b为例说明，μs1为+1.0，当为双层板时，上层板体型系数 μs1t（μs1，top）取多少，下层板体型系数 μs1b（μs1，bottom）取多少，规范没有明确。

根据风洞试验结果统计分析，建议上层板体型系数按照±1.0考虑，下层板按照±0.8考虑。另外考虑局部风压和瞬时风压的影响。

5 风振系数

进行主体结构验算时，需要计算风振系数βz。荷载规范中有关风振系数的计算规定，均是针对高层建筑或高耸建筑，对类似雨棚屋面的大跨度屋盖，如何计算风振系数没有规定。大跨度轻型雨棚屋盖的风振系数计算十分复杂，雨棚分别为悬挑结构和框结构时，其动力特性差别很大。同为框架结构的各种雨棚，当跨度不同时，其动力特性也会有很大差异。

通过分析雨棚风洞试验报告，发现现在的风洞试验报告中，雨棚的风振系数结果存在如下问题：风振系数的变化幅度过大，规律性不强，绝对值从1.4～10.0，不少位置甚至超过10.0很多；在平面上位置相近、结构特性也相差不大的点上，风振系数往往出现跳跃性变化。设计人员对风振系数的合理性难以分析判断，使用也不方便。

规范采用风振系数，用等效静荷载的方法来考虑风的动力效应，是为了方便设计人员的应用。在工程设计中关心的，是得出风振系数后，用这些风振系数计算得出的结构构件控制点的内力与位移是否与根据动力分析得出的基本一致。到目前为止，大部分雨棚形状还是比较有规律的，因此，有条件将雨棚分类后，在风洞试验数据资料统计分析的基础上，对雨棚风振系数的计算给出指导意见，这样就可以利用计算得出的风振系数，按照规范的方法，进行整体结构的风荷载分析，并与按照风洞试验结果直接进行整体分析相比较，以验证风洞试验的可靠性。

6 局部体型系数和阵风系数

在计算围护结构时，需要计算局部体型系数和阵风系数。局部体型系数体现的是局部风压与整体风压的差别，阵风系数体现的是瞬时风压与平均风压的差别。作为围护结构，尤其是围护结构的支座和连接件，其强度由局部瞬时风压决定。

即将颁布的新的荷载规范，对围护结构风荷载计算进行了较大的修订。明确了围护结构计算应同幕墙一样，考虑阵风系数的影响，对局部体型系数进行了补充规定，给出了矩形平面屋面的局部风压体型系数。因新的荷载规范尚未正式颁布，在设计计算中参照新荷载规范计算时，应注意如下事项：1）随时关注新荷载规范最终版本的内容变化；2）新荷载规范给出的矩形平面局部风荷载体型系数，为封闭结构的体型系数，可以在站房围护结构计算时直接参考，但雨棚结构四面开敞，其局部风压体型系数可以按照整体计算体型系数的1.25倍计算。围护结构的次檩条计算时，风荷载体型系数可以参照新荷载规范规定并根据次檩条受荷面积打折后计算。

7 抗台风设计

荷载规范所给出的基本风压，是在一定的实测数据的基础上，按照概率的方法，进行统计分析的结果。

在台风多发地区进行雨棚设计时，当发生超过设计规范规定的50年一遇的基本风压值，如果仍然按照设计的一般原则控制变形和应力，设计就很难进行。首先，设计人不知按照什么原则控制；其次，不知要考虑多大的台风。

文献[3]借鉴建筑物抗震设计中的三水准设计原则进行抗风设计的思路，值得在台风地区的雨棚设计中考虑。

设计基准期为50年时，不同的超越概率对应的重现期及基本风压如表6。

表6 不同的超越概率对应的重现期和基本风压

若参照抗震三水准的设计原则，三水准抗风原则即为常遇风压不坏，偶遇风压可修，罕遇风压不倒。常遇风压、偶遇风压、罕遇风压对应的超越概率分别为63.5%、10%和2%。

风灾与地震灾害有些不同：地震灾害临震预报不可为，不可能提前几天预测到地震是否会发生，而风灾是可以预报的；罕遇风压与常遇风压的对应关系为1.57∶1，罕遇地震与频发地震的地震力的关系约为5∶1。从风灾与地震灾害的这两点不同，可以认为，有条件将抗风设计做得更安全。

本文所述抗台风设计，实际为超过规范风荷载设防标准下的抗风设计，建议按照如下原则进行抗风设计。

第一水准，对应超越概率为63.5%的基本风压，按照规范控制结构整体变形；按照荷载的基本组合进行承载力验算通过，且有一定的安全冗余度，冗余度标准可以按照1.15×1.1控制。

第二水准，对应超越概率10%的基本风压1.32 ωo,要求所有构件不屈服。荷载按照标准组合验算，满足承载力要求。构件及连接按照不屈服原则验算，并有一定的冗余度。整体变形进行限制，但可以比规范的限制适当放宽。

第三水准，对应超越概率2%的基本风压1.57 ωo,主体结构框架柱不屈服，连接件不拉脱，框架梁允许进入塑性阶段，但框架的整体变形予以控制。屋面板允许变形超出规范，但不允许吹落。

8 结论

综上讨论，对雨棚的风荷载计算所遇到的问题有如下建议：

1）基本风压建议取规范50年一遇对应的基本风压，承载力验算时，基本风压应乘以1.15。

2）安全等级为一级，结构重要性系数取1.1。

3）体型系数按照风洞试验确定。建议在已有风洞试验的基础上，给出各类较有代表性的雨棚的体型系数，并根据体型系数按照规范方法验算，并同按照风洞试验数据计算的结果对比。用规范方法进行整体计算时，体型系数应考虑变号的情况，变号后考虑绝对值适当减小或不变；对于单柱双坡雨棚屋面，应考虑一侧变号、一侧不变的情况。屋面有双层板时，应分别考虑上下两层板的体型系数。

4）建议在已有风洞试验结果的基础上，对风振系数的计算给出指导意见。

5）局部风压系数，规范已经明确者，按规范规定执行；未明确者，按照整体计算风压系数的1.25倍考虑。

6）围护结构验算时，阵风系数应予以考虑。

7）台风地区的抗风设计，可以借鉴抗震三水准的设计原则，进行三水准的抗风设计，以达到安全与投资的平衡。

[1]韩志伟.铁路客站大型复杂结构健康监测研究与思考[J].铁道经济研究，2011（6）：28-32

[2]prEN 1991-1-4,Eurocode 1:Actions on Structures－General Actions－Part 1-4:Wind Actions

[3]安玉成.站台雨棚抗台风的设计研究[C]//中国铁路客站技术交流会论文集.成都，2011