深圳北站东广场超长结构设计

第 42 卷 第 4 期 2012 年 4 月 建 筑 结 构 Building Structure Vol． 42 No． 4 Apr． 2012 深圳北站东广场超长结构设计 卢先军1， 杜亚刚1， 姬丽丽1， 陈 征2 (1 中铁设计院(深圳)有限公司，深圳 518048; 2 北京城建设计研究总院有限责任公司深圳分院，深圳 518048) ［摘要］ 深圳北站东广场建筑平面尺度较大，因超长产生的温度应力对结构的影响较为显著。根据工程的实际特 点和设计中所遇到的一系列问题，对结构设计情况作了系统介绍。并以 C 区综合换乘中心为例，介绍了温度应力 的计算方法，同时介绍了超长结构的相关技术措施。 ［关键词］ 深圳北站;东广场;结构设计;超长结构;温度应力 中图分类号:TU318． 2 文献标识码:A 文章编号:1002-848X(2012)04-0044-06 Ultra long structure design of Shenzhen North Station east square Lu Xianjun1，Du Yagang1，Ji Lili1，Chen Zheng2 (1 China Railway Engineering Design Institute (ShenZhen)Co．，Ltd．，Shenzhen 518048，China; 2 Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute Co．，Ltd．，Shenzhen Branch Institute，Shenzhen 518048，China) Abstract:The scale of Shenzhen North Station east square is very large，which is affected notably by the temperature stress． Based on the specialty of this project and the problems encountered during the design stage，the structure design of the project was introduced systematically． The computation method about temperature stress was introduced based on the results of C zone，and the construction measures about ultra long structure were introduced． Keywords:Shenzhen North Station;east square;structure design;ultra long structure;temperature stress 作者简介:卢先军，硕士，工程师，一级注册结构工程师，Email: luxianjun316@ 126． com。 1 工程概况 深圳北站综合交通枢纽位于深圳市宝安区龙华 镇民治街道二线扩展区中部，北邻未来龙华中心区， 西邻福龙快速路和水源保护区，东邻梅观高速公路， 南侧为白石龙居住组团。整个枢纽占地面积 58． 65 万 m2，总建筑面积为 39 万 m2，由国铁站房、东广场 和西广场三部分组成(图 1) ，建成后将成为整个华 南地区最大的综合交通枢纽工程。 图 1 深圳北站综合交通枢纽鸟瞰图 东广场为深圳北站综合交通枢纽的配套工程， 是以公共交通为主导的主广场，向上空间延伸为城 市轨道交通 4，6 号线，向下空间延伸为国家铁路站 台层与城市轨道 5 号线，再配以公交车场站、出租车 场站等配套交通接驳设施及商业，形成了多层次立 体化的布局。整个东广场占地面积 15. 6 万 m2，一 期建设用地 11. 4 万 m2，二期预留 4. 2 万 m2。本次 设计为东广场一期，总建筑面积约为 20. 6 万 m2。 其中地上建筑面积 20. 1 万 m2，公交车场站区地下 局部设 1 层核 5 常 5 级人防地下室，建筑面积 5 430m2。 东广场主体建筑层数为 2 层，局部为 3 ～ 5 层。 结构层高:层 1 为 7. 5m，层 2 为 6m。整个建筑平面 呈 T 形(图 2) ，其中翼缘部分总长 496. 8m，宽 109m;腹板部分总长约 200m，宽 163m。整个平面 结合建筑功能分区，设置了 6 道伸缩缝将整个建筑 分为 7 个结构单元，各单元平面尺寸如表 1 所示。 东广场各区平面尺寸 /m 表 1 分区 A B C D E F1 F2 尺寸 113 × 109 74 × 122 172 × 175141 × 109 163 × 86 28 × 64 28 × 92 主要 功能 出租车场 站、管理区 出租车 场站 综合 换乘区 公交车 场站 商业及 休闲 商业及 休闲 商业及 休闲 层数 5 3 2 5 2 2 2 本工程的结构设计使用年限为 50 年，抗震设防 烈度为 7 度，基本地震加速度为 0． 1g，建筑场地类 别为Ⅱ类，抗震设防类别除 A，C 区为乙类外，其他 各区均为丙类，设计地震分组为第一组。 第 42 卷 第 4 期 卢先军，等 . 深圳北站东广场超长结构设计 图 2 东广场平面分区示意图 2 结构体系 工程采用钢筋混凝土框架结构，主要跨度为 13． 5m，局部区域由于平南铁路隧道和民塘路从中 穿过，跨度分别为 20. 4，24m，并采用预应力混凝土 宽扁梁跨越，以满足建筑净空的需要。 通过技术经济对比，工程楼盖没有采用传 统的井字梁结构，而是采用十字形结构，在结构材料 用量相当的情况下，可大大减少施工成本。由于楼 屋面荷载和计算跨度都很大，为满足承载力和结构 变形限值的要求，主要楼板厚度(局部 3 ～ 5 层除 外)层 2 为 150mm，公交车行驶区和层 3 为 170mm。 主要柱截面为 800 ～ 1 100mm 的方柱，其中 F1 和 F2 区为直径 1 300，1 000mm 的圆柱;主梁截面为 500 ×(1 100 ～ 1 200)、(600 ～ 700)× 1 400，次梁截面 为 400 ×(800 ～ 900) ，500 × (800 ～ 1 100) ，预应力 宽扁梁的截面尺寸为 1 000 × 1 300，(1 600 ～ 1 800) × 1 500。 3 基础设计 根据详勘提供的资料，工程场地原始地貌为低 山丘陵及山丘间沟谷，地形地貌较复杂，部分区域经 过多次开挖填筑，人工填土普遍分布，厚度变化大， 成分较复杂，局部夹填石及杂填土，不同风化程度的 基岩岩面在本场地起伏变化大，层厚也不匀，且夹有 风化球。场地主要土层为人工填土、黏土、淤泥、砾 砂、含砾黏土、砾质黏土、粗粒花岗岩，其中砾砂层局 部具轻微液化。 根据现场实际地质条件及柱底内力情况，本工 程采用冲孔灌注桩基础，以中风化和微风化花岗岩 作为桩端持力层，局部中风化岩层埋藏较深的地方 直接采用强风化花岗岩作为桩端持力层。桩径为 1 000，1 200，1 400，1 600，1 800mm 五种，其中直径 1 200，1 400mm 为主力桩型，桩长一般为 24 ～ 35m， 采用单柱单桩的形式，局部特殊区域采用一柱两桩 或三桩。 4 结构设计 4. 1 扭转不规则结构设计 C，E 两区由于平南铁路从中斜穿而过，跨度达 20. 4m，平南铁路上方设预应力混凝土宽扁梁，出于 受力和构造上的要求，其下方柱截面相应较大，为 1 200 × 1 200，而其他部位柱截面较小，为 800 × 800 和 900 × 900 的方柱。因刚度较大的框架柱偏置，同 时 C 区结构平面开了较多的大洞口，E 区平面呈凹 形，使得此两区结构质心和刚心偏离较远，导致结构 扭转不规则。C，E 两区结构计算结果如表 2 所示。 C，E 区结构计算结果 表 2 分区 调整前 调整后 周期 / s 扭转因子 周期 / s 扭转因子 C 区 E 区 T1 1. 066 5 0. 48 T1 0. 999 0 0. 20 T2 0. 986 0 0. 03 T2 0. 916 4 0. 12 T3 0. 900 1 0. 48 T3 0. 811 7 0. 67 T1 1. 019 2 0. 56 T1 0. 952 2 0. 28 T2 0. 941 6 0. 06 T2 0. 886 3 0. 08 T3 0. 874 2 0. 38 T3 0. 819 1 0. 65 对于框架结构，抗侧移刚度主要由框架柱提供， 要减小结构的扭转程度只有调整柱截面，即增大周 边柱截面或减小中间柱截面。受到轴压比和框架梁 宽的限制，不可能减小中间框架柱截面，只能加大周 边框架柱截面。调整过程中发现，单独增大周边柱 截面，扭转程度有所改善，但是扭转仍然比较严重， 除非把柱截面做到很大。如此一来，就会使得结构 内部柱子截面相差太悬殊，影响美观和使用，建筑专 业无法接受，故只能考虑从其他途径来解决。经同 建筑专业协商，利用建筑在周边设砌体填充墙的部 位，设置若干道混凝土墙体抵抗结构扭转。由于只 是少量混凝土墙，框架柱仍然是主要抗侧移构件，可 取混凝土墙体的抗震等级同框架柱，按框架结构进 行计算和配筋。经此调整，结构原来的第 1 阶振型 由以扭转为主改为以平动为主(调整后的计算结果 如表 2 所示) ，较好地满足了建筑和结构的要求。 4. 2 超长结构设计 从表 1 可看出，工程各个结构单元平面尺寸均 远超出《混凝土结构设计》(GB 50010— 2002)［1］表 9. 1. 1 中框架结构伸缩缝的最大间距 55m 的要求，属典型的超长结构。其中 C 区(综合 换乘区)由于建筑功能的需要(中间区域层 1 以下 为地铁 5 号线站台层) ，没有条件再设缝，其平面尺 寸为 172m × 175m(结构平面分别如图 3，4 所示) ， 温度应力对结构的影响十分突出。文中结合 C 区 54 建 筑 结 构 2012 年 的情况，具体介绍温度作用的计算及工程针对超长 结构采取的相应措施，其他区域与此情况相似，不再 赘述。 图 3 东广场 C 区层 2 结构平面图 4． 2． 1 综合温差的确定及相关影响参数取值 综合温差由结构计算温差和收缩当量温差两部 分组成。 结构计算温差是指建筑物施工完以后可能遇到 的最高或最低多年月平均温度与建筑物合拢时断面 中心温度的差值。多年最高或最低月平均温度一般 可取 30 年一遇值［2］;由于事先无法确定结构物合拢 时的温度，也有文献取 30 年一遇月平均最高气温和 月平均最低气温之差作为计算温差［3］，但此法确定 的计算温差较为保守，需要付出更多的经济代价。 一般建筑物都有外保温或装饰面层保护，且大多处 于室内环境，而室内温度一般都会比室外要高，因此 建议月平均最低气温可取略高一点，同时尽量根据 当地气候条件大致确定一个建筑物合拢时的温度， 在施工时严格控制在满足此条件下合拢，以做到和 计算假定相符。 工程设计时缺乏 30 年内的气象统计资料，根据 地勘提供的深圳地区气象资料并结合工程的实 际情况，取年平均气温 23℃ 为结构合拢时的温度 (深圳地区常年气候温和，取此温度较为合适) ，多 年最高气温取极端最高气温 38． 7℃，多年最低气温 取极端最低气温 0℃，考虑到大部分结构构件均处 于室内且外露构件都有建筑装饰材料保护，同时工 程为大型公共建筑，室内装有空调，因此最低气温取 为 5℃。据此可计算求得最大升温温差为 15. 7℃， 最大降温温差为 － 18℃。 收缩当量温差是将结构收缩产生的变形和降温 时产生的变形进行等效，换算所得温差，按下式进行 计算: ΔT = ε y(t)/α (1) 式中:α 为混凝土线膨胀系数，根据文［1］，取为 1 × 10 － 5 /℃;ε y(t)为任意时间产生的收缩变形，按下式 计算: ε y(t) = 3. 24 × 10 －4(1 － e －0 ． 01 t)M1M2…Mn(2) 其中 M1，M2，…，Mn 为考虑各种非条件的修正 系数，详见文［4］。 图 4 东广场 C 区层 3 结构平面图 工程设计时各结构单元内部都设置有温度后浇 带，并考虑按 2 个月后封闭，计算出此时结构已经完 成的收缩变形。取 t = ∞时的结构收缩变形为全部 收缩变形，该变形量和后浇带封闭时已经完成收缩 变形量的差值即为后期总的收缩变形。计算出后期 总收缩变形量后，即可根据式(1)计算出当量温差。 经计算，本工程当量温差为 9℃。 总降温差为最大降温温差和当量温差之和，为 27℃，升温时可不考虑和当量温差叠加。 一般情况下，结构遭受的最大温差和收缩变形 都是在相当长的时间内发生的，混凝土徐变产生的 应力松弛，可大幅度降低弹性应力;结构在正常使用 状态下一般都是带裂缝工作的，裂缝的产生将使得 结构刚度减小，内部温度应力部分得以释放。考虑 到这些有利的影响因素，可以考虑对综合温差进行 相应的折减。松弛系数可取为 0． 3 ～ 0. 5［4］，一般取 0. 3［5，6］，刚度折减系数取为 0. 85;温度作用组合系 64 第 42 卷 第 4 期 卢先军，等 . 深圳北站东广场超长结构设计 数可取为 0. 7，分项系数取为 1. 2。 4. 2. 2 框架温度内力计算 图 9 升温工况单榀框架弯矩图 / kN·m 设计时从 C 区抽取一榀12 跨框架并做适当简 化，假定层 2 楼面所有框架梁截面均为 500 × 1 100， 层 3 楼面所有框架梁截面均为 700 × 1 400，所有柱 截面均为 900 × 900，梁、柱混凝土强度等级分别为 C35 和 C40。该榀框架的变形不动点位置位于对称 轴上，取对称轴右侧半榀框架分别进行降温工况和 升温工况计算，计算简图如图 5 所示。根据最大降 温温差 27℃和最大升温温差 15. 7℃，参考文［4］的 计算方法，求得各层柱柱头的位移后，可采用位移法 分别计算出弯矩、剪力和轴力，图 6 ～ 8 为降温工况， 图 9 ～ 11 为升温工况，因温度作用引起的梁内剪力 和柱内轴力均很小，图中均未示出。 图 5 单榀框架计算简图 图 6 降温工况单榀框架弯矩图 / kN·m 图7 降温工况框架柱剪力图 / kN 图 8 降温工况框架梁轴力图 / kN 图 10 升温工况框架柱剪力图 / kN 图 11 升温工况框架梁轴力图 / kN 由图 6 ～ 11 可以看出，温度应力对框架的影响 主要集中在层 1，层 2 以上则迅速衰减。温度作用 对于层 1 框架柱的影响最为明显，呈现出由边跨向 中间跨逐渐减小的趋势，边柱所受弯矩和剪力均最 大;对于层 2 楼面框架梁而言，弯矩的影响相对柱要 小，主要是受轴力的影响，并且呈现出由边跨向中间 跨逐渐增大的趋势。 在降温工况下，层 2 楼面框架梁受拉力，数值较 大，在中间跨最大，达到 578kN，必须加强梁的纵向 配筋;而层 3 楼面框架梁则受压力，但数值较小，变 化不大。升温工况下，层 2 楼面框架梁受压力，数值 较大，中间跨最大，达到 338． 7kN，但混凝土抗压强 度较高，完全可以承受，无需加强;层 3 楼面框架梁 受拉力，但数值较小，也无需加强配筋。从图 6 和图 9 可看出，无论是升温还是降温工况，端跨框架柱均 要承受较大的弯矩作用，尤其是柱子根部在较大的 弯矩作用下，很容易被拉裂，是需重点加强的部位。 上述各图均为手算结果，该法适用于比较简单、 规则的框架结构在单一温度作用下的计算，同时也 可用于对采用软件计算得到的温度作用计算结果进 行大致的校核，判断其正误。在对本工程进行设计 时，利用目前国内通行的 PKPM 系列软件(SATWE 和 PMSAP)进行温度作用计算［7］，并与其他作用进 行组合。图 12 和图 13 为本工程 C 区轴○Y /轴瑏瑧 ～ 瑏瑩处 3 个柱(边柱 1 ～ 3) (截面 800 × 800)在考虑温 度作用和不考虑温度作用时的配筋，计算结果比较 如表 3 所示。由表可以看出考虑温度作用时，柱配 筋明显增大很多，增幅从 29. 4% ～ 54. 6% 不等，当 然由于温度作用对中间跨的柱及层 2 以上的柱影响 较小，因此就本工程的 C 区而言，考虑温度作用比 不考虑温度作用时，柱的总配筋量增加大约在 20% 74 建 筑 结 构 2012 年 图 12 不考虑温度作用时柱配筋 图 13 考虑温度作用时柱配筋 ～ 30%之间。 图 14 为 C 区同一位置靠近中间跨层 2，3 楼面 梁在温度(降温工况)作用下轴力变化图，由层 2，3 比较可以发现，层 3 楼面梁轴力迅速减小，表明温度 在竖向的影响在迅速衰减;由图 14(a)可以看出，从 边跨至中间跨变形不动点，梁轴力逐渐加大，和手算 结果考虑折减后的值(343kN)基本一致。 有无温度作用时柱计算配筋比较 表 3 柱号 不考虑温度作用 总配筋量 / cm2 考虑温度作用 总配筋量 / cm2 增加配筋 面积 / cm2 增幅 /% 边柱 1 47． 6 61． 6 14 29. 4 边柱 2 141. 6 187. 6 46 32. 5 边柱 3 47. 6 73. 6 26 54. 6 图 14 考虑温度作用时楼面框架梁轴力图(圆圈内数字为轴力，降温工况)/ kN 4. 2. 3 楼板温度应力计算 温度作用对楼板的影响，主要表现在降温时，楼 板承受拉力，当温度应力过大，楼板混凝土无法承受 时，将引起开裂;升温时楼板混凝土受压，一般不会 出现问题。本工程 C 区平面尺寸很大，采用 PMSAP 进行 楼 板 的 温 度 应 力 计 算，升 温 4. 7℃，降 温 － 8. 1℃(为防止楼板裂缝宽度过大，只考虑松弛系 数 0. 3，不考虑刚度折减系数)。 楼板温度应力计算表明，由于温度作用引起的 板内应力层 2 楼面比较明显，层 3 楼面非常小，几乎 可以忽略不计。升温工况层 2 楼板内绝大部分区域 均为压应力，且应力不超过 0. 2MPa，只有局部(东 南角设置混凝土墙的地方)出现拉应力，最大 1. 4MPa。降温工况时层 2 楼板内绝大部分区域都 是拉应力，如图 15 所示，一般部位拉应力都在 0. 8MPa 以内，在中部 27m × 27m 大洞周边各一跨范 围出现了较大的拉应力，平均在 1. 3MPa 左右，最大 达到 1. 7MPa;层 2 楼板局部最大拉应力出现在东南 角和西南角设置混凝土墙的部位，由于混凝土墙的 平面内刚度要比柱大很多，较大程度地限制了楼板 的收缩，造成了较大的拉应力，最大达到 2. 46MPa。 针对层 2 楼板内洞口周边及设置混凝土墙的部位出 现的应力集中情况，设计时在层 2 楼面中间大洞周 边各三跨的范围内施加 1MPa 的预应力，无粘结预 应力筋按直线形布置;同时在整层梁板混凝土中添 加 1. 2kg /m3 的聚丙烯增强纤维。在局部温度应力 较大而又未施加预应力的部位，则采取加强楼板配 筋的方式，双层双向钢筋全拉通，并加强结构中为调 整整体扭转而设置的混凝土墙的配筋。 4． 3 超长结构处理措施 针对本工程平面尺度较大的情况，结合建筑平 面的功能划分，设置 6 条永久性伸缩缝，将整个平面 分为 7 个结构单元(图 2) ，并采取如下技术措施: (1)对各结构单元进行温度计算，计算出结构 84 第 42 卷 第 4 期 卢先军，等 . 深圳北站东广场超长结构设计 图 15 降温工况层 2 楼板温度应力分布图 / kPa 在最大温差作用下产生的结构内力，加强相关部分 构件的配筋。 (2)在各结构单元内，每隔 30 ～ 40m 设置后浇 带以释放混凝土早期温度应力，后浇带采用微膨胀 混凝土，在两个月后封闭，并控制合拢时的气温不得 超过 23℃。 (3)加强屋面系统的保温、隔热措施。 (4)加强楼板及长向框架梁两侧的构造配筋: 楼板顶部钢筋拉通 50%，并使拉通钢筋的最大间距 不超过 200mm;框架梁及多跨连续次梁每侧构造腰 筋不小于腹板截面面积的 0． 2%，并按受拉进行锚 固(考虑框架梁内轴力由腰筋承担)。 (5)楼板局部施加预应力(仅在 C 区采用)。 (6)在材料的选用上，首选低水化热的矿渣水 泥，7d 水化热不大于 250kJ / kg;采用低塌落度的干 硬混凝土，控制塌落度在 120 ± 20mm;控制骨料含 泥量，粗骨料不大于 1%，细骨料不超过 1% ～ 1. 5%;使用粉煤灰掺合料(掺量 15% ～ 30%，质量 Ⅰ级)与外加剂，降低水灰比，不超过 0. 5;细骨料的 级配为中、粗砂，细度模数控制在 2. 7 ～ 2. 9;控制混 凝土的含砂率不超过 38%。 (7)混凝土中掺入聚丙烯增强纤维 1. 2kg /m3， 提高混凝土自身抗拉强度(仅在 C 区采用)。 (8)加强施工管理，控制混凝土内外温差、总降 温差及混凝土入模温度;加强混凝土的养护保湿，要 求淋水养护不少于 10d，并加覆盖物进行保温保湿。 深圳北站东广场从 2008 年 12 月开始施工至 今，主体结构已经全部完成并投入使用，期间经历多 次升降温，经施工工地现场察看和施工单位的反馈 信息，均未发现结构出现明显的开裂情况，说明上述 技术措施是可行的，基本达到了设计预期的目的。 5 结语 随着我国经济实力的不断增强，超大规模的建 筑正不断涌现。人们对建筑使用功能的要求也在不 断提高，超长结构越来越倾向于少设缝或不设缝，文 (下转第 64 页) 94 建 筑 结 构 2012 年 接。几何模型如图 8(a)所示。模型 2:在模型 1 基 础上去掉梁，仅剩下楼板，相当于梁和柱铰接。几何 模型如图 8(b)所示。模型 3:参照刚接模型模拟实 际情况，钢管柱和混凝土梁的界面关系采用接触连 接，法向接触为硬接触，切向取库仑摩擦，摩擦系数 取 0. 3。 图 8 计算模型 钢材和混凝土均采用弹性材料。混凝土采用六 面体实体单元，钢管采用四边形壳单元。由于是接 触分析，故六面体实体单元采用 8 节点线性减缩积 分单元，钢管采用 4 节点壳单元。柱底下端固定，梁 端施加水平(即 Y 向)位移约束。 在柱顶端施加 490kN 的 Y 向横向力，在首层柱 端产生的弯矩值为 490 × 2 = 980kN·m。结果表明， 3 个模型的顶点位移按顺序分别为 1. 491，2. 166， 2. 119mm，无连接板的双梁节点处于梁柱刚接和铰 接之间，但非常接近铰接的情况。 在模型 3 的基础上，去掉柱顶的荷载，在左梁板 面施加 30kN /m2 的分布荷载。分析结果表明，梁端 弯矩由混凝土外包柱及相连的梁分担。 因此，在设计时，可以假设首层梁端铰接来考虑 其对上部整体计算和竖向构件计算长度的影响，而 在首层梁构件设计时则可按连续梁进行计算。 5 结论 (1)作为重点设防类建筑，应保证地震中结构 具有足够的延性，采用钢框架-支撑结构体系具有较 大的延性。 (2)对于扭转惯量较大的大悬挑结构，应对称 设置钢支撑框架，尽量布置在建筑物四个角落，提高 结构的抗扭转能力。 (3)根据性能化设计要求，作为主要抗侧力构 件的钢支撑构件按中震不屈服设计，而竖向构件、大 悬挑桁架、楼板按中震弹性设计。在大震作用时，钢 支撑出现塑性铰，竖向构件根部出现少量塑性铰，大 悬挑桁架不出现塑性铰;结构整体竖向构件的剪应 力水平远小于 1，不发生剪切破坏，结构发生轻 ～中 等破坏，修复后可继续使用。楼板双层双向配筋，增 强结构地震作用下的整体性。 致谢:本工程设计得到了方小丹总工程师的悉 心指导，在此表示衷心的感谢。 参 考 文 献 ［1］ GB 50011—2001 建筑抗震设计规范［S］． 2008 年版 ． 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