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美国的钢结构项目工地的结构设计

2021-08-02 10:05:12 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

滑铁卢国际列车站(Waterloo International Rail Terminal)设计于80年代末,于1994年11月14日建成开放,到2007年11月13日关闭为止,一直是欧洲之星(Eurostar)国际铁路服务的伦敦终点站。在2017年8月部分站台重新开放后不久又再度关闭进行大范围的改建扩建,于去年年中完成改建扩建工程并再度对外开放。对普通大众来说,这只不过是一个大型火车站而已,似乎没有什么过于特别的地方。但对于建筑和结构工程从业人员来讲,由建筑师Nicholas Grimshaw 和结构工程师Tony Hunt为这座火车站所设计的TrainShed钢结构顶棚则在现代建筑和结构工程领域具有相当突出的行业知名度和重要地位。今天我们就来领略一下它的结构设计,制作及施工安装的精妙之处。


结构设计

滑铁卢国际列车站拱形屋盖钢结构顶棚设计是结构工程师Tony Hunt和建筑师Nicholas Grimshaw两个团队之间密切合作的产物。正是因为建筑和结构设计团队在从钢结构主体屋架体系到屋盖及玻璃幕墙系统的连结构造等建筑物的各个方面进行了全面的协作,才创造出了这一在视觉上和技术上均性能优秀的建筑。但在当初的设计时,摆在建筑师和结构工程师们面前的却是一系列的挑战和难题。


首先是场地几何条件限制场地几何形状的特殊性使得结构和屋盖系统的设计方案非常复杂。从平面来看,如下图所示,该顶棚屋架的跨度从北端约55m宽沿着铁轨的走向沿着不规则曲线过渡到南端约35m的宽度逐渐减小。由北至南整个屋盖的长度大约400m。而在此范围内,必须要容纳5条铁轨及其相关平台,而铁轨和候车平台的布局是由火车运行要求决定的,所以无法变动。


而且,一个更为特殊的问题是,其中一条轨道位于非常靠近屋架系统的西侧边界位置。这使得拱形屋架的西侧支座处拱的主体拱架必须要设计得更加”竖直”,以满足火车在最西侧铁轨上运行所需的最小净高要求。


另外一个则是屋盖的高度限制。屋盖总高度被限制为15m (从支座楼面标高算起)。之所以规定总高度限制为15 m,是因为英国铁路局原来打算在顶棚部分的上方再建造一个仅有空间使用权(air-rights)的建筑,作为为该项目提供资金的收入来源。但这一限制对钢结构顶棚的设计产生了重大的影响。因为对所有拱形钢结构顶棚来说,矢跨比是决定拱体的结构体系的最为重要的因素。[尽管英国铁路局后来放弃了这个想法,但为改变火车站顶棚的设计而作出的决定为时已晚。]


第三个限制条件是顶棚屋架结构的支座条件和沿铁轨方向的长度。整个屋架系统沿着铁轨方向由北向南分别支承于一系列不同高度和体系的已有建筑结构上,同时部分榀拱的支座则支承于新建的钢筋混凝土建筑上,如下图所示。另外,下图的2至17轴之间轨道结构被设计成连续的,没有任何伸缩缝,这对上方的钢结构屋盖结构也会产生一定的约束。因此屋盖结构的设计不仅需要考虑到在火车运行时,由不同支座条件刚度所引起的空间三个维度的支座变形,同时还要考虑到由于2至17轴之间整体结构由于其超长而引发的温度应力和变形。


最后一个主要限制条件就是屋盖所设计承受的荷载条件。除普通的风,雪等荷载外,这里需要特别指出的就是由建筑屋面系统所确定的附加荷载。当时建筑师在设计这个顶棚屋盖时所设想的一个主要原则就是这个屋盖既可以将建筑物的内部空间围合实现其遮风挡雨的建筑实用功能,又希望屋盖系统能够具有充足的自然采光,尤其是西侧对着伦敦伦市中心和泰晤士河方向的一侧,建筑师希望将这一侧的屋面系统设计成轻盈透明的玻璃幕墙系统。这样西侧的屋盖则实现着采光观景的建筑美学功能;而顶部及东侧的大部分屋盖即主要为较重的不透光保温的屋盖系统,以实现建筑的实用功能并尽可能地节能。这样一来整个屋盖体系就受到了不对称的恒载作用,定性的如下所示:

相应的在附加恒载作用下的弯矩图则如下图所示。图中蓝色区域为三铰拱下受拉区域,而红色区域则为三铰拱面以上受拉区域:

所以,结构设计必须要满足以上所列的一系列的限制条件及原则。首先,基本的结构布置必须要尽可能规则(施工简单),屋盖主要的承重结构元素必须要在宽度方向上横跨整个需覆盖的火车轨道及站台区域,并用于支承上覆屋面系统(东侧的普通屋金属保温屋面系统和西侧的玻璃采光顶系统)。因此Tony Hunt在设计屋盖主承重结构元素时,采用了不对称的单跨跨越建筑物整个宽度的三铰拱结构体系,在构建三铰拱两拱肢的空间形态时,考虑到拱架受荷特征,按照结构在主要荷载载作用下沿主屋架所受的弯矩分布特征,创造性地提出了三角形渐变梭形杆件截面的三铰拱体系。东侧的受拉杆置于主弦杆的下侧,而西侧的受拉杆置于主弦杆的上侧。以使得三铰拱具有最符合力学受力特征的几何形态(张弦拉杆设置的位置同体系在荷载作用下的弯矩图基本一致!)。


这样的结构体系本身在空间视觉感官上相当引人注目并且为建筑提供了具有特殊力学美感的结构空间,因此为建筑师所接受。同时,这种形态的屋架体系还意味着屋盖结构的任何部分都不会对其所覆盖区域内部空间的使用造成任何影响,因此完美地解决了屋盖西侧边缘的铁路轨和屋盖之间空间狭小所需的净高问题。因为这一屋盖体系在最西侧轨道上方几乎没有占用任何室内空间(张拉弦杆设置在主弦的上方)。


同时三铰拱体系可以最小化支座不均匀位移及沉降对屋盖主承重构件的影响,因为理论上支座的变形对三铰拱体系并不会带来任何次生应力的影响。

对于屋盖次结构而言,由于钢屋盖的总长度由南至北约400m,其长度远远超出了屋盖次结构系统所能允许的范围。因此沿屋盖南北长度方向每隔50-60m即设置一道变形缝(Expansion Joint),如下图所示。变形缝的设置可以有效地减少在屋盖次结构中由于温度变化而产生的温度应力对屋盖次结构的不利影响。同时变形缝还能有效地协调由于支座变形,结构在荷载作用下的变形以及施工误差导致的各变形段之间的空间位置差异。变形缝同归简单的套筒构造得以实现(即大钢管插一个小钢管的构造)

事后看来,这种钢结构体系的设计似乎显得非常简单,符合逻辑且水到渠成。但是在没有给出答案并没有任何先例作参考的情况下,第一个提出的最简单最符合力学规律的方案即为真正的创新。尽管事后看来似乎也不难理解。通过这种合理的三铰拱设计,拱架所有的主要/次要受力构件均得到了最为合理高效的布置,并实现了其截面尺寸最优化,同时也满足了针对于此特定建筑物的各种要求。需要说明的是,如果没有15m矢高的空间限制,三铰拱的设计还会更加优化。现有的结构设计所呈现出来的相当复杂的结构构件的细节空间造型(如下图所示)正是基于这一矢高限制下所得的最合理的且最接近理论最优的解决方案。另外。要将这一结构设计在沿轨道曲线渐变的不规则的狭长的场地上真正经济地实现,同时又满足建筑师的设计构想,同样需要有很高的创造力和执行力。在这一过程中,建筑师Nicholas Grimshaw 和结构工程师Tony Hunt的团队通过充分的合作,再一次展现了处理实际问题无与伦比的技能和效率。