火車站因受其使用功能、場地條件等因素等影響，在站房屋面及樓面、站臺雨棚及天橋均較為普遍存在大跨度結(jié)構(gòu)。
1.站房候車區(qū)樓面
對于線上式火車站房，候車區(qū)樓面的跨度往往也比較大，津秦客運(yùn)專線唐山火車站（以下簡稱唐山站）候車樓面以下柱網(wǎng)尺寸為21600×18000，廣州新客站（以下簡稱廣州站）候車樓面以下柱網(wǎng)尺寸為23250(21500)×32000(16000),京滬高鐵上海虹橋站（以下簡稱虹橋站）候車大廳柱網(wǎng)尺寸為24000(21000)×21500。銀川火車站（以下簡稱銀川站）為線側(cè)式站房，候車樓面以下柱網(wǎng)尺寸也達(dá)到24000（27000）×28000。候車廳樓面一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系或鋼桁架(或鋼梁)+組合樓板體系。
1.1預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系
我院在進(jìn)行廣州站結(jié)構(gòu)設(shè)計時比較了預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系和鋼桁架+組合樓板體系兩種方案。這兩種樓蓋結(jié)構(gòu)體系均可滿足承載能力和變形的要求。混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)的自重和剛度都遠(yuǎn)大于鋼桁架樓蓋結(jié)構(gòu), 從降低列車高速通過和行人步行激勵引起的振動的角度來考慮, 是較為有利的。對于站橋合一的鐵路站房, 舒適度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的所應(yīng)考慮的因素之一,因此廣州站候車廳樓蓋選定采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁+ 混凝土板的樓蓋體系作為實(shí)施方案。下圖為廣州站站房結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖。
廣州站站房結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖
1.2鋼桁架(或鋼梁)+組合樓板體系
虹橋站高架候車廳樓面采用鋼桁架大梁( 桁架高3. 5m，上弦及下弦截面高500mm，腹桿截面高400mm，均為焊接h 型鋼)，桁架下弦標(biāo)高6.5m，為設(shè)備夾層樓面，桁架上弦標(biāo)高10.0m，為候車大廳樓面。上、下弦h 型鋼梁與設(shè)于其上的壓型鋼板-混凝土組合樓板組成組合樓蓋。南京南站候車廳樓面做法與虹橋站類似，也是采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，并利用桁架上下弦間的空間作為設(shè)備層。北京南站候車廳則采用鋼箱梁+組合樓板體系，鋼梁最大跨達(dá)到40.5m。
1.3普通混凝土梁板體系
火車站候車樓面采用普通混凝土梁板體系相對而言比較少見，銀川站二層候車廳樓面的兩側(cè)局部范圍因跨度較?。ㄝS網(wǎng)尺寸為7000×7000）而采用這一體系。
因火車站候車區(qū)樓面的跨度一般也比較大，且候車區(qū)對樓面舒適度有較高要求，所以一般都采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系。虹橋站、北京南站因采用鋼管混凝土柱，故采用鋼桁架(或鋼梁)+組合樓板體系。在候車區(qū)局部存在小跨的區(qū)域也可采用普通混凝土梁板體系。
2.站房屋面
火車站站房屋面的結(jié)構(gòu)跨度一般比候車廳樓面的跨度更加大，屋面通常采用輕型金屬屋面，結(jié)構(gòu)形式多為大跨度鋼結(jié)構(gòu)，可采用網(wǎng)架、鋼桁架、網(wǎng)殼、張弦結(jié)構(gòu)等，體型較大的火車站屋面經(jīng)常會采用多種形式的組合。不過對于部分小站，屋面也會采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系。
2.1預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系
近年新建火車站站房屋面采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系相對比較少，主要原因是因?yàn)榭缍却螅炷亮喊弩w系自重也明顯比鋼結(jié)構(gòu)+輕型金屬屋面大，另外建筑對造型和通透性要求高，所以一般不采用混凝土樓蓋。
寧杭客專瓦屋山站體型小，屋面跨度僅為23m，考慮到混凝土耐久性好、后期維護(hù)成本低，此站屋面采用了預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系。
2.2大跨度鋼結(jié)構(gòu)+輕型屋面
1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
安陽東站屋面采用了正交正放四角錐平板型網(wǎng)架，跨度約為47m，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)厚度為3～4.25米，節(jié)點(diǎn)形式為焊接球節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與混凝土主體結(jié)構(gòu)采用固定鉸支座或抗震支座連接。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量約為47kg/m2。
南京南站屋蓋采用雙向正交正放鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架高度6m，節(jié)點(diǎn)采用焊接球，在網(wǎng)架與柱頂處采用了萬向鉸支座連接。為保證屋面的整體剛度，整個屋面沒有設(shè)置溫度縫，屋面投影尺寸為451m×210.65m，屋蓋結(jié)構(gòu)四邊均為大懸挑結(jié)構(gòu)，南北向最大挑出長度為30.0m，東西向最大挑出長度為30.0m，角部最大挑出長度達(dá)42.0m。
（2）桁架結(jié)構(gòu)
唐山站、宜興東站、溧陽站、定州東站等的屋面結(jié)構(gòu)形式均采用了鋼桁架。以唐山站為例，屋面鋼桁架共分為3段。ii段每榀主桁架共三跨，兩個邊跨長36m，中跨長54m，支承在鋼管混凝土柱上。i段內(nèi)側(cè)主桁架共五跨，跨度分別為18m、36m、54m、36m、18m，支承在鋼管混凝土柱或混凝土柱上；外側(cè)主桁架及外挑部分支承在y型鋼管柱上。主桁架與鋼管混凝土柱連接一般采用固定鉸支座，也有一些節(jié)點(diǎn)主桁架腹桿及下弦桿匯于一點(diǎn)焊在鋼柱上，此種情況也可以視為鉸接。主桁架為倒三角形，高3.5m、寬2m，垂直主桁架方向設(shè)置平面次桁架。
虹橋站屋蓋沿橫向總體分為兩個標(biāo)高，南北兩側(cè)標(biāo)高30m，中間標(biāo)高40m，屋蓋結(jié)構(gòu)見圖3，圖中y 方向?yàn)楸毕?。?biāo)高30m 屋蓋采用平面桁架結(jié)構(gòu)，橫向主桁架跨度45m，縱向主桁架跨度約22m，抽柱處最大跨度46. 05m。主桁架上下弦均與鋼管混凝土柱剛接( 局部采用銷軸連接) 形成剛架。為控制桿件外觀尺寸，荷載較大處采用雙弦桿桁架，標(biāo)高40m 屋蓋采用倒放三角形三管空間桁架，橫向主桁架跨度72m，縱向主桁架跨度約22m，抽柱處最大跨度46. 05m。
虹橋站屋蓋結(jié)構(gòu)軸測圖
（3）大跨度拱結(jié)構(gòu)
常州站為高架站，候車室位于橋梁下方，與橋梁結(jié)構(gòu)墩柱組成整體框架結(jié)構(gòu)，站房8.5 m 以上為大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)，最高點(diǎn)標(biāo)高為32.8 m，采用鋼箱梁拱作為受力結(jié)構(gòu)，鋼箱梁截面的最大高度為2m，最大跨度為66.4 m，間距為16.35 m。為了保證鋼箱梁拱的平面外穩(wěn)定，在兩榀鋼箱梁拱之間設(shè)置剛性系桿和支撐。下圖為常州站剖面圖。
常州站剖面圖
4）混凝土拱殼+鋼桁架
銀川站房中央主入口處通高的進(jìn)站大廳布置三個清水混凝土殼，該處的混凝土殼外形既非圓弧，也不是拋物線，而是兩段圓弧相交，且在殼的側(cè)邊開很大的弧形洞口，故在混凝土殼周邊采用混凝土拱柱進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。站房二層候車大廳取消中間柱子形成大跨空間，根據(jù)建筑室內(nèi)外裝修效果的需要，候車大廳屋頂清水混凝土殼的兩側(cè)沿縱向布置兩個跨度約67m的巨型三角形桁架，在巨型主桁架東西兩側(cè)布置跨度分別為14m和21m的次桁架，在兩個桁架之間為型鋼折梁作為支撐龍骨的玻璃采光屋面，從而最大限度的將建筑造型與結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計結(jié)合起來。主桁架分別支撐于混凝土殼及混凝土柱上，次桁架一端與主桁架相連，另一端通過固定鉸支座連接在混凝土拱頂部的混凝土梁上。下圖為站房屋頂桁架的室內(nèi)效果及結(jié)構(gòu)模型。
銀川站房屋頂桁架室內(nèi)效果圖
銀川站房屋頂桁架結(jié)構(gòu)計算模型
（5）多種結(jié)構(gòu)形式組合的復(fù)雜屋面結(jié)構(gòu)
廣州站站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體形由多個筒形和波浪形體塊相互切割而成, 采用分片疊合的造型。屋蓋投影面積10.4萬m2。主站房屋蓋外形下圖所示, 平面東西長468.8m,南北寬222.0m, 筒形屋蓋沿南北方向共有6 片, 每片均為上凸的柱面。在屋蓋正中, 貫通東西方向有一道中央采光帶, 呈半徑漸變的柱面造型, 采光帶總長347.6m,與6 片南北向的柱狀葉片相貫。在東西主入口處, 采光帶柱面向上翹起。
廣州南站站房屋蓋外形
廣州站站房屋蓋方案, 最后選定了以索拱和索殼為主的結(jié)構(gòu)體系。在短跨方向采用倒三角形鋼桁架作為主梁, 長跨方向采用索拱或張弦梁支承屋面體系, 中央采光帶采用拉索加勁的單層筒殼體系。主站房屋蓋結(jié)構(gòu)的分層見下圖。主站房屋面結(jié)構(gòu)的荷載傳遞途徑為: 屋面覆蓋材料→檁條→索拱及采光帶網(wǎng)殼→主支承桁架→柱→橋墩或地面。
廣州南站站房屋蓋結(jié)構(gòu)分層示意圖
武漢站屋蓋面積達(dá)150000m2，屋面形態(tài)復(fù)雜, 其沿橫軌、順軌兩個方向的曲線均為高次函數(shù)。中央站房屋面的支承結(jié)構(gòu)由五榀主拱、半拱和斜立柱組成( 圖9中3n∼3s軸間為站房范圍，兩側(cè)為雨棚范圍), 五榀的間距基本為64.5m, 最大主拱跨度為116m。
武漢站的支承結(jié)構(gòu)體系
武漢站屋面結(jié)構(gòu)為正交正放式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu), 其上弦平面布置交叉撐。網(wǎng)殼弦桿為復(fù)雜的空間曲線。在拱頂直接用短柱與網(wǎng)殼相連, 短柱之間填充鋼板; 在其余位置二者則采用v 形撐連接。屋面網(wǎng)殼與主拱、半拱組成了“拱-殼”組合體系。中央站房屋面結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳力路徑為: 網(wǎng)殼→v 形撐→主拱或半拱( 斜立柱)→墩臺→橋墩。下兩張圖分別為順軌向和橫軌向剖面。
武漢站順軌向剖面圖
武漢站中央站房屋面結(jié)構(gòu)橫軌剖面
北京南站屋蓋結(jié)構(gòu)為空間鋼結(jié)構(gòu)體系，其平面呈橢圓形，主受力剛架采用兩邊跨的鋼管桁架與中間跨的實(shí)腹式箱梁相結(jié)合的構(gòu)成方式（如下圖）；屋蓋結(jié)構(gòu)由雙肢綴條格構(gòu)柱支承，分肢采用焊接組合ｈ型鋼構(gòu)件，綴條采用等邊角鋼。站房屋蓋為雙曲面，縱向柱頂及剛架跨中位置設(shè)置次桁架梁及實(shí)腹箱梁，作為縱向聯(lián)系，懸挑桁架端部設(shè)置封邊次桁架梁及實(shí)腹箱梁。
北京南站的屋蓋體系布置
之所以采用這種方案是為滿足建筑效果與經(jīng)濟(jì)性的雙重要求，即：在可能影響建筑效果的采光屋面和凈空要求較高的位置采用實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)，其余部分采用正三角形鋼管桁架結(jié)構(gòu)，單榀模型如下圖。
北京南站屋蓋結(jié)構(gòu)的單榀模型
綜上，站房屋面的做法可以大致概括為以下幾種：（1）體型很小的站房（跨度大約二十多米）可采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁板體系；（2）中等或小型站房大都采用網(wǎng)架或桁架結(jié)構(gòu)+輕型屋面；（3）大型站房因屋面體型復(fù)雜、體量巨大，一般采用多種結(jié)構(gòu)形式組合的復(fù)雜屋面結(jié)構(gòu)；（4）部分建筑造型獨(dú)特或類型獨(dú)特的站房（如銀川站、常州站）屋面會采用一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式。
3.站臺雨棚屋面
近年新建的火車站站臺雨棚結(jié)構(gòu)一般均采用鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)雨棚屋面的體型、跨度主要有單柱懸挑梁（帶拉桿）、鋼框架梁、張弦梁（張弦桁架）、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等不同的結(jié)構(gòu)形式。按雨棚柱與站臺的關(guān)系可以分為有站臺柱雨棚（簡稱有柱雨棚）和無站臺柱雨棚（簡稱無柱雨棚）。
3.1有站臺柱雨棚
國際勞動節(jié)又稱“五一國際勞動節(jié)”、“國際示威游行日”（international workers' day或者may day），是世界上80多個國家的全國性節(jié)日。定在每年的五月一日。它是全世界勞動人民共同擁有的節(jié)日。
3.1.1單柱懸挑梁（帶拉桿）
瓦屋山站為線側(cè)式的小站，站臺形式為兩臺四線。雨棚結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱懸挑帶拉桿的梁，與站房相連的雨棚則采用站房混凝土柱懸挑帶拉桿的梁。懸挑長度為10m，斜拉桿截面采用圓鋼管，鋼梁為h型鋼，斜拉桿與柱、梁均采用銷軸節(jié)點(diǎn)。下圖為瓦屋山站雨棚結(jié)構(gòu)施工階段的照片。雨棚結(jié)構(gòu)順軌方向總長約420m，由兩道伸縮縫分為三段。
瓦屋山站施工現(xiàn)場照片
3.1.2鋼框架結(jié)構(gòu)
定州東站站臺為兩臺四線，雨棚采用鋼框架結(jié)構(gòu)。每榀有四根鋼柱，兩根邊柱分別位于兩個站臺的外邊緣位置，兩根中柱位于鐵路線之間。站臺上方范圍鋼梁上覆檁條+金屬屋面。軌道范圍上方上空。鋼框架梁的跨度一般均在20m以上，柱通常采用圓鋼管截面、梁通常為h型鋼。定州東站雨棚結(jié)構(gòu)順軌方向總長約450m，由兩道伸縮縫分為三段。
3.2無站臺柱雨棚
新建火車站的站臺雨棚大多采用無站臺柱雨棚，這樣也可以更有利于旅客通行。
3.2.1鋼框架（排架）結(jié)構(gòu)
宜興東站、溧陽站的站臺雨棚采用鋼框架結(jié)構(gòu)。每榀有四根鋼柱，兩根邊柱分別位于兩個站臺的外側(cè)，兩根中柱位于鐵路線之間。站臺上方范圍鋼梁上覆檁條+金屬屋面。軌道范圍上方上空。鋼框架梁的跨度一般均在20m以上，柱通常采用圓鋼管截面或鋼管混凝土柱、梁通常為h型鋼。
唐山站、安陽東站的雨棚采用鋼排架結(jié)構(gòu)。以安陽東站為例，每榀（垂直于軌道方向）有四根鋼柱，鋼柱之間設(shè)鋼框架梁，順軌方向的鋼梁均為次梁，搭在垂直于軌道方向的鋼框架梁上，形成排架結(jié)構(gòu)。一側(cè)懸挑跨度較大處設(shè)置斜拉桿。
3.2.2張弦梁（張弦桁架）
銀川站站臺雨棚采用張弦梁結(jié)構(gòu)組成的五跨排架（一期為兩跨排架），張弦梁跨度從40.5m至44.1m不等，張弦梁跨中高度4.8m，上弦桿采用ϕ530×14熱軋鋼管，具體張弦梁布置如下圖所示；順軌向?yàn)橛射摴芰褐鶚?gòu)成的多跨剛架，柱距均為21m。在與新建東站房相鄰處通過橡膠支座與站房相連，屋面面內(nèi)剛度通過張弦梁之間的ϕ30圓鋼提供。支撐，縱向支撐按凈距不超過45ｍ設(shè)置，橫向支撐設(shè)置在屋面洞口處兩側(cè)和屋頂上方剛架傾斜角度較大的位置。
雨棚平面布置圖
雨棚結(jié)構(gòu)剖面圖
泰州火車站雨棚主體結(jié)構(gòu)為空間倒三角曲線拱形鋼管桁架，桁架尾部曲線落地，頭部上揚(yáng)，宛若“龍形”，中間設(shè)鋼管混凝土柱，立于鐵路正線和基本站臺到發(fā)線股道之間，建筑立面見下圖。
泰州站雨棚立面圖
3.2.4多種結(jié)構(gòu)形式組合的復(fù)雜屋面結(jié)構(gòu)
廣州站無站臺柱雨棚按照部位不同分為南、北兩部分, 兩部分關(guān)于建筑中軸線對稱, 結(jié)構(gòu)體系基本一致。雨棚柱網(wǎng)間距一般為32m×68m, 在短跨方向采用倒三角形鋼桁架，長跨方向采用索拱或張弦梁支承屋面體系。雨棚的荷載傳遞途徑為屋面覆蓋材料→檁條和支撐→索拱→主支承桁架→y 型柱→橋墩或地面( 見下圖)。為平衡連續(xù)跨索拱的水平推力, 邊跨柱采用梭形斜柱和斜撐桿, 通過與主體混凝土結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的三角形來抵抗水平推力。索拱是構(gòu)成屋面形狀的主要因素, 跨度為34.0~77.8m, 間距16m, 支承在梯形空間桁架上。中間四跨索拱的上弦拱矢跨比最大為1/7, 最小為1/13, 索拱高度均為5m, 故索拱體型逐漸由拉索與拱身同向彎曲過渡為拉索與拱身反向彎曲。東、西兩邊跨索拱跨度較大, 端部斜柱抗水平力條件較差, 故采用拉索與拱身反向的索拱結(jié)構(gòu)。
南雨棚平面圖
南雨棚橫剖面圖
武漢站雨棚采用正交正放式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，雨棚支承結(jié)構(gòu)沿順軌向布置，由南北各20榀支承于10.25m 墩臺的半拱和斜立柱組成 , 每個半拱及對應(yīng)的斜立柱組成一個支承單元。半拱跨越一個軌道梁的跨度為35.3m, 與中央站房屋面支承結(jié)構(gòu)相同的是: 支承單元沿橫軌向間距64.5m( 跨越3 個軌道線) 。半拱與相鄰支承單元的斜立柱共用一個橋墩。
3.3.小結(jié)
火車站站臺雨棚的做法按結(jié)構(gòu)跨度歸納如下：
3.3.1普通跨度雨棚結(jié)構(gòu)（跨度<30m或懸挑長度<15m）
（1）單柱懸挑梁（帶拉桿），主要用于小型車站的站臺（多為兩臺四線）雨棚結(jié)構(gòu)，一般采用有站臺雨棚柱，雨棚柱多位于站臺邊緣。
（2）鋼框架（排架）結(jié)構(gòu)，多用于中、小規(guī)模的車站站臺雨棚結(jié)構(gòu)，垂直軌道方向跨度一般為20∼30米。
3.3.2大跨度雨棚結(jié)構(gòu)（跨度>30m
大跨雨棚結(jié)構(gòu)一般采用張弦梁、張弦桁架、拱形桁架這樣的結(jié)構(gòu)形式，跨度從40m至100m以上都有，一跨往往可以覆蓋幾個站臺，大跨的雨棚結(jié)構(gòu)也多用也較大體系的車站站臺。武漢站、廣州站等則采用兩種或兩種以上結(jié)構(gòu)形式組成的復(fù)雜雨棚結(jié)構(gòu)體系，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的建筑造型。
雨棚結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與跨度是直接相關(guān)的，也不應(yīng)過于追求大跨度、大柱距。此外在順軌方向，雨棚結(jié)構(gòu)均屬超長結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應(yīng)主要分析溫度應(yīng)力，應(yīng)注意采取措施控制溫度應(yīng)力。