大跨度火车站房结构设计研究

大跨度火车站房结构研究 Large-spanStationStructureDesignandResearch 毛念华 （中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043） MAO Nian-hua （ChinaRailwayConstructionFirstSurveyDesign InstituteGroupCo.,LTD,Xi′an710043，China) 【摘 要】随着火车站新建、扩建的进行，一系列形式多样、跨度规模大、体型体系复杂的结构越来越多，呼和浩特东客运站主站 房结构各层结构体系不同，楼面结构为预应力梁与普通 RC楼板结构，而屋盖结构为拱形钢梁和双层球网壳等结构体系的组合； 结构体系和材料的不同使结构的阻尼比也不同；柱网尺寸大且各层柱网变化大、结构竖向刚度变化较大；给传统结构设计提出了 挑战。通过分单元计算和整体计算相结合的方法进行结构计算，对于整体结构分别进行多维抗震分析，并进行了地震波输入时程 分析作为补充对比，确定了下部混凝土结构的#设计#；对穹顶结构考虑整体约束作用下进行弹性稳定分析，以及大跨雨篷的设 计分析。根据分析结果给出了针对结构特殊性的对策方案，以保证其安全可靠。 【Abstract】Teemingwith the railwaystationconstructionandexpansion, a seriesofvarious size, span large and shape complex systemstructuremore andmore appear. Each layer structure ofHohhot passenger station housing is different, floor structure is prestressed girder and commonRC floor, but the vaulted roof structure is steel and double net shell structure system; structure and material different which cause damping ratio different; the size of column meshes is big and change much of layers, the vertical stiffness changes greatly; because of ultra-long seamless and wind load sensitivity, which challenge traditional structure design. The paper throughwhole and unit calculation combiningmethod for the structure analysis, multidimensional seismic analysis for thewhole structure, and the seismic input analysis as a supplement,which determine the concrete structure design; considering thewhole dome structures elastic stabilityunder the restriction, design the large span awning.Based on the analysis，give thecountermeasures for thestructureparticularity, inorder toensure thesafeandreliable. 【关键词】大跨结构；多维地震；时程分析 【Keywords】bigspanstructure;multidimensionalearthquakes; time-intervalanalysis 【中图分类号】TU248.1 【文献标志码】A 【文章编号】1007-9467（2011）04-0047-04 【作者简介】毛念华(1964~)，男，安徽人，高级工程师，从事工程设计，（电 子信箱）XAMERY@126.com。 1 工程概况 呼和浩特东客运站房选址于呼和浩特市主城区东侧京 包线上，该站由主站房和站台雨蓬组成，站台雨蓬与主站 房之间设伸缩缝兼抗震缝分开。站房平面尺寸大约为 183.500m×315.366m，主要的柱网尺寸有：15.588m×27m、 31.177m×27m、62.354 mm×27m(屋面)。主站房主要分为 3 层：地面层为出站厅、出站广场及配套设施、设备用房；1 层 为站台层（见图 1）；2 层为侯车厅层（见图 2）。站房屋面为 由切割球形形成曲面和斜面组成，屋盖不设缝。主要标高 为 20.000m、21.800m、25.100m、27.800m、31.400m、33.400m 和 44.900m。 图 1 1 层（- 0. 150m）结构平面布置图 Architectural and Structural Design 建筑与结构设计 47 图 2 2 层（8. 350m）处结构平面布置图 2 站房结构整体计算 建筑结构设计基准期为 50a，结构设计使用年限为 100a [1]。各种恒载、活载均按 《建筑结构荷载》 （GB5009—2001） 取值；基本风压按 100a 一遇取为 0.60 kN/m2，地面粗糙度为 B 类；基本雪压按 100a 一遇取为 0.45 kN/m2；基本雪压按 100a 一遇取为 0.45 kN/m2。结构温 度作用计算时采用：1） 钢结构屋盖和站台雨蓬：ΔT=－ 35℃和 25℃；2）混凝土结构：ΔT=－25℃和 20℃；同时考 虑松弛系数为 0.3。地震按设防烈度 8 度，场地特征周期为 0.35s；考虑水平地震作用和竖向地震作用 [2][3]。 图 3 站房整体结构模型 混凝土结构部分用 SATWE 计算以初步确定混凝土结 构的主要构件尺寸和初步的计算结果，按《建筑抗震设计 规范》进行计算时，若从建筑的一端到另一端的场地条件 有较大差异时，采用包络谱的方法加以考虑 [4-6]（包络谱即 取本工程所在各类场地反应谱的最大值）。由于各层采用 的材料不同，楼（屋）面结构中有预应力梁和钢结构屋面， 竖向结构中有混凝土柱、钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱， 结构的阻尼比各不相同，用不同的软件如：PKPM 系列中的 SATWE、SAP2000 进行计算[7][8]，以期得到不同阻尼比的包 络结果。在整体计算中，结构底部嵌固于基础面。分别计算 X、Y 双向地震以及温度应力、风荷载对 X、Y 向层间平均 位移及最大位移响应的影响，如图 4~图 7 所示。 图 4 X向地震位移响应 图 5 Y向地震位移响应 图 6 温度应力位移响应 图 7 风荷载位移响应 可以看出，无论是平均位移还是最大位移，地震方向的 响应值均大于非作用方向响应值，但由于结构体系比较复 杂，非作用方向位移响应不容忽视；温度应力下，两个方向 的平均位移基本一致，说明结构体型比较理想，Y 向顶部最 大位移大于 X 向的；风荷载作用时，底部无论是平均位移 还是最大位移基本一致，顶部同样 Y 向最大位移大于 X 向 的，说明 X 向较 Y 向空间约束强；各种荷载作用下层间位 �� �� ��/mm �� �� � 1000�1500 ������� �� BO�350�200�12�12 �� BO�350�200�12�12 �� � 18mm�� !"# $% &’( 1000�1118 ������� �� BO�350�300�12�12 �� BO�350�300�12�12 �� � 16mm�� !"# )% &’( 6200 �� BO�400�700�14�20 *+273mm×10mm ,-./012’( �� �203 mm×12mm �� �180 mm×10mm X X 向平均位移 X 向最大位移 Y 向平均位移 Y 向最大位移 标高 /m 位 移 /m m X 向平均位移 X 向最大位移 Y 向平均位移 Y 向最大位移 标高 /m 位 移 /m m X 向平均位移 X 向最大位移 Y 向平均位移 Y 向最大位移 标高 /m 位 移 /m m Y 标高 /m 位 移 /m m X 向平均位移 X 向最大位移 Y 向平均位移 Y 向最大位移 X 向平均位移 X 向最大位移 Y 向平均位移 Y 向最大位移 位 移 /m m 标高 /m Construction& DesignForProject 工程建设与设计 48 �� �� ��/mm �� �� � 1000�1500 ������� �� BO�350�200�12�12 �� BO�350�200�12�12 �� � 18mm�� !"# $% &’( 1000�1118 ������� �� BO�350�300�12�12 �� BO�350�300�12�12 �� � 16mm�� !"# )% &’( 6200 �� BO�400�700�14�20 *+273mm×10mm ,-./012’( �� �203 mm×12mm �� �180 mm×10mm 移均满足规范要求。 根据规范进行时程输入补充对比验算，分别选用 EL-Centro 波和 TAR-TARZANA波 (1987)进行分析计算。计 算结果如表 1，均满足规范要求，说明设计合理。 表 1 整体结构时程分析 3 穹顶结构稳定性分析 屋盖结构为直径 81m的球面钢结构屋盖，中心有一直 径 12m 的开口，沿屋盖径向按圆心角 7.5°的间距设置腹 板开洞的拱形钢梁，钢梁的上下翼缘为箱形截面，腹板为 钢板。上下翼缘之间的中心距为 1000mm～1500mm，拱形 钢梁两端支承于中间区域的压力环和周边的张力环上。沿 环向在拱形钢梁之间布置钢管支撑（与钢梁刚接连接）且 每隔圆心角 60°另设置斜向支撑。压力环也为由箱形截面 和钢板组成的钢梁，为避免径向拱形钢梁在中心区域间距过 密，设置 3个压力环以调整径向拱形钢梁的支承位置，方便 构件的连接。张力环为由箱形截面和圆钢管组成的空间桁架， 由标高 31.400m处的主桁架支承，桁架构件尺寸见表 2。 表 2 球面屋盖桁架结构 以站房穹顶，包括其部分支撑桁架及部分支撑柱为分 析对象进行稳定性验算分析。结构高为 17.307m (标高 27.200m～44.507m）,穹顶半径为 40 500mm。分析模型如图 8 所示。 a 三维图 b 剖面图 图 8 分析模型示意图 根据最不利约束条件，在支撑柱及支撑桁架处（图 9 所 示位置）设置铰连接。（注：约束位置的位移在之后的整体 稳定分析中考虑，在此穹顶部分稳定分析中不予考虑。） 图 9 分析模型边界条件示意图 设置 3 种工况：结构自重；活荷载；风荷载。将此 3 种 工况组合为最不利荷载组合，即：1）全体框架自重 + 半屋 面活荷载 + 半屋面风荷载；2）全体框架自重 + 半屋面风荷 载。在 X 轴的正方向（原点为圆心的底面投影位置）的半屋 面设置活荷载及风荷载 [9-11]。采用弹性稳定分析方法取前十 个特征值如表 3 所示。由于工况 2 大于工况 1 的第一特征 值，所以确定工况 1 为最不利荷载工况组合。 由梁单元的应力状况可以看出，在各支撑桁架处的铅 直杆件的组合应力最小（-109.538N/mm2），附近斜支撑杆的 组合应力最大（47.881N/mm2）。弹性稳定分析同样满足规范 要求。 表 3 各模态的特征值 4 站台雨篷结构设计 站台雨篷位于主站房两侧，对称布置，每侧站台雨篷 的平面尺寸为 128.0m×241.184m，柱网尺寸为 48.5（54）m× 31.177m。站台雨篷与主站房之间设抗震缝分开，因基本站 台不允许有结构柱出现，为了站房与雨蓬各自自由变形， 在与站房相连接处设双向滑动球形支座，如图 10 所示。 根据跨度并结合建筑造型，屋面采用张弦梁结构。上 �� 25m� 34m� �� ��� � ��� � U � /mm U � /mm U � /mm U � /mm U � /mm U � /mm EL-Centro 45.08 36.24 21.95 40.74 23.49 31.92 TAR- TARZANAN 16.67 13.45 10.35 9.99 7.94 8.49 �� �� 1��� ��2 ��� 1 9.689023 16.38519 2 9.957173 16.84663 3 10.21427 17.57979 4 10.43413 17.80326 5 10.59651 18.08685 6 10.66553 18.15802 7 13.61132 19.44706 8 15.7585 19.62293 9 15.77498 19.70846 10 15.9052 19.7145 Architectural and Structural Design 建筑与结构设计 49 弦为箱形截面，撑杆为钢管，下弦为 109φ5（跨度为 54m）或 85φ5（跨度为 48.5m）的高强钢丝索（f ptk=1570MPa）。 图 10 雨篷结构图 运用 Sap2000 空间计算有限元软件对站台雨蓬进行分 析，结果如下： 1)地震剪力及剪重比（总重量：53861kN），见表 4。 表 4 地重剪力及剪重比 注：总重量＝1.0×恒载＋0.5×活载 2）层间位移（层高 18.3m），见表 5。 表 5 层间位移 3）竖向挠度（工况组合：1.0×恒载＋1.0×活载），见表 6。 表 6 竖向挠度 设计结果满足规范的要求，站台雨蓬的含钢量约为 87kg／m2（不包括屋面板及檩条）。 5 结论与对策 通过整分结合的分析方法，对体系复杂，荷载敏感性强 的大跨度火车站房进行分析，对其受力性能和动力特性做 了较为充分的了解，并结合传统经验，各部分结构施工过 程中的特殊性及对策如下： 1）混凝土结构，主要解决超长无缝结构的温度应力问 题。通过设置施工后浇带，使超长结构在施工阶段变成不 超长的混凝土结构单元。一方面可以释放混凝土在养护过 程中产生的收缩应力，另一方面可以控制后浇带封闭时的 环境温度（控制在 15℃～20℃）使混凝土结构的温度应力 计算更合理和经济；将温度作用作为一种荷载工况与其它 荷载工况进行组合，作为结构构件设计的依据； 2）对于预应力梁结构，由于双向梁中均有预应力，因而 板中也有一定的预应力，可以抵抗部分温度应力，只需适 当增设温度筋即可，长向端部的柱则同样须增加配筋； 3）在钢屋盖和站台雨蓬的结构计算中，通过控制结构 合拢时的环境温度将温差作为一种主要荷载工况参与结构 的计算和分析；复杂节点进行相关实验研究； 4）通过风洞试验对整体风环境模拟下建筑物模型进行 试验分析，完成风荷载的修正； 5）基础的类型和承载力的确定有赖于完善和翔实的工 程地质勘察报告。 【参考文献】 【1】GB 50068－2001 建筑结构可靠度设计统一[S]. 【2】GB 50011－2001 建筑结构抗震[S]. 【3】GB 50223－2004 建筑抗震设防分类标准[S]. 【4】Guo X, Spencer B F, Lu Shunan. 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