青島客站改造工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬竹青

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計院,濟(jì)南 250022)

1 工程概況

膠濟(jì)鐵路青島客站改造工程是青島市迎接2008年奧運會配套工程及鐵道部重點工程,由鐵道部和青島市共同投資。其中新建站房總建筑面積54 277 m2,風(fēng)雨棚60 000 m2,加上站場改造,項目總投資13.2億元。作為盡端式車站,改建后的站房沿站場東西南呈“U”形布局。為節(jié)省用地、整合地下交通,將車站主候車室設(shè)于站場南端線路及站臺下,形成長114.6 m、寬39.7 m的地下候車室,連接?xùn)|廣場地下商場及地鐵站、西站房地下室，并通過費縣路地道與城市主干道相連。東西區(qū)分別設(shè)置進(jìn)站廣廳、售票、候車、出站等功能,在二層通過景觀連廊連通。新建站房地上三層,局部一～二層。南區(qū)及西區(qū)A單元地下二層,其他單元地下一層。平面分區(qū)示意見圖1。

注：虛線所示輪廓為地下建筑。

2 結(jié)構(gòu)受力體系

2.1 工程設(shè)計特點

青島是一個美麗的海濱城市,殖民統(tǒng)治時期留下了許多歐式建筑,形成了獨特的城市風(fēng)貌。本次改造將位于東南角的鐘樓及德式風(fēng)格建筑局部保留,改造成膠濟(jì)鐵路博物館。新建站房以鐘樓為中心和控制點,采用三面圍合的布局,外立面采用歐式建筑風(fēng)格,內(nèi)部按鐵路新客站大空間的布局要求進(jìn)行設(shè)計。受保留鐘樓高度的限制,結(jié)構(gòu)高度控制在建筑允許范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

2.2.1 站房

東、西區(qū)站房寬度均為24 m,柱距8 m；南區(qū)寬度23.4 m,柱距11.7 m。各區(qū)長度在60 m左右,最長70.2 m。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。一層主要為客運設(shè)施用房,二層為辦公、賓館等小房間。對售票、候車及進(jìn)站廣廳等大空間,取消中間柱。上部受二、三層層高限制,在一層設(shè)計了跨度為24 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁；進(jìn)站廣廳地上部分僅為一層,從有利于結(jié)構(gòu)抗震角度出發(fā),結(jié)合吊頂造型采用折線形鋼屋架(圖2),以減輕結(jié)構(gòu)自重,減少水平力,滿足空間高度要求,同時方便吊頂施工。

2.2.2 地下候車室

地下候車室凈空9.00 m。候車室上共設(shè)有6座站臺,10條到發(fā)線。地下候車室屋頂同時兼作軌道面和站臺面。為了實現(xiàn)地下候車室大跨無柱空間,降低軌下梁高,充分利用1.25 m的高站臺,設(shè)計了5座跨度39.3 m,高2.1 m的預(yù)應(yīng)力混凝土槽形箱梁,兩梁之間鋪設(shè)SP板。其獨特的造型營造出了恢宏大氣的地下候車空間。兩側(cè)站臺的消防通道采用普通的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，東側(cè)(南C區(qū))地下室兩層,跨度6.4 m,主要為設(shè)備用房,采用剪力墻結(jié)構(gòu),兼作擋土墻。地下候車室結(jié)構(gòu)剖面見圖3。

圖2 鋼屋架幾何尺寸及內(nèi)力(尺寸單位：mm，內(nèi)力單位：kN)

圖3 地下候車室剖面(單位：mm)

2.2.3 無站臺柱風(fēng)雨棚

連續(xù)3跨,跨度分別為39.0、39.3、43.9 m,總覆蓋面積58 300 m2,拱頂距站臺面高度16.40 m。采用十字交叉圓鋼管拱形梁,支撐方鋼管組成的單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),與屋面敷設(shè)的聚碳酸酯陽光板及設(shè)于南端及景觀連廊上空的光伏太陽能電池板,形成有韻律的組合。通過在網(wǎng)殼周邊設(shè)置平面桁架與空間桁架組合而成的邊桁架來增大邊緣構(gòu)件的剛度,解決了單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性較差的難題；采用鋼管混凝土柱及鋼管混凝土格構(gòu)柱增大柱的剛度,有效控制柱頂?shù)膫?cè)向位移。在確保穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上合理確定構(gòu)件截面,滿足建筑效果要求,降低施工難度,節(jié)約工程造價。

2.2.4 景觀連廊

用于連接?xùn)|、西站房,寬15 m,跨度同風(fēng)雨棚。下部為滿足火車限界高度的要求,經(jīng)比選,采用連續(xù)3跨鋼箱梁承重體系,圓鋼管柱,柱下獨立基礎(chǔ)。鋼箱梁采用雙箱梯形截面,截面高度僅1.5 m。建成后的景觀連廊,視線開闊,輕盈美觀。

2.3 不同結(jié)構(gòu)體系之間的關(guān)系

2.3.1 東西南3個區(qū)之間

站房沿站場東西南呈“U”形布局,由于建筑體型復(fù)雜,地下室層高不一，考慮到結(jié)構(gòu)體系及受力狀態(tài)的不同,遵循“復(fù)雜的建筑,簡單的結(jié)構(gòu)”原則,將站房上部結(jié)構(gòu)分為東西南3個區(qū)共10個相對規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元,基礎(chǔ)部分相同高程的單元連成一體。

2.3.2 地下候車室與站房之間

地下工程首先要考慮的是防水問題。本工程由于地下水位較高,地下室又作為候車室使用,防水等級采用一級。地下候車室與東西南站房相連,不僅受力狀態(tài)不同,結(jié)構(gòu)體系不一致,而且體型也非常不規(guī)則,很容易形成應(yīng)力集中,進(jìn)而影響防水的可靠。為保證防水萬無一失,經(jīng)多次研究,最終將地下室結(jié)構(gòu)與東西南站房完全脫開,地下室底板連在一起。按照“堵疏結(jié)合”的思路,設(shè)置了架空層,萬一局部滲漏,可將水集中收集到廢水池內(nèi)通過機(jī)械排出。為節(jié)省投資,方便維修,架空層采用磚墻支座,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心樓板，混凝土采用加入外加劑的補(bǔ)償收縮性混凝土。

2.3.3 風(fēng)雨棚與站房之間

由于單層網(wǎng)殼產(chǎn)生較大的水平推力,主站房中間特別是抽柱的大空間結(jié)構(gòu)較難承受。因兩種結(jié)構(gòu)的剛度及變形能力相差較大,為保證站房結(jié)構(gòu)的受力體系規(guī)則并使傳力體系更加明確,采用在基本站臺靠近站房處設(shè)柱的方案,將雨棚與東西站房上部結(jié)構(gòu)完全脫開,基礎(chǔ)連在一起。為了滿足美觀要求,在站房范圍內(nèi)采用方鋼管混凝土柱,與裝飾后的站房融為一體，達(dá)到了站臺上無柱的效果。為了從南廣場看站場更加通透,取消風(fēng)雨棚南端第一排設(shè)在線路中間的立柱,網(wǎng)殼支座固定在南站房挑梁端頭,通過在二層樓面設(shè)置水平桁架，將水平力傳遞給主體結(jié)構(gòu)。

3 地下室擋墻設(shè)計

地下室外墻所承受的荷載,除上部結(jié)構(gòu)傳來的恒、活、風(fēng)荷載和地震作用外,還承受地下室本身的豎向荷載、側(cè)向土壓力及水壓力。在實際工程中,風(fēng)荷載和地震產(chǎn)生的內(nèi)力一般不起控制作用。主體結(jié)構(gòu)采用的PKPM系列SATWE 計算軟件,程序是將水平方向的不均勻荷載轉(zhuǎn)化成均布荷載并采用簡化計算方法。對于地下室四面擋土這種均勻受力的情況,不需考慮結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移問題,這種簡化模型是可以的。但對于地下結(jié)構(gòu)的一邊或兩邊外墻兼作擋土墻這種結(jié)構(gòu)外荷載不對稱的情況,采用簡化計算方法不合適,必須根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第6.6.5條的要求,進(jìn)行抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性的驗算。

3.1 擋墻形式確定

橋梁部分北側(cè)擋墻采用的是常規(guī)的“U”形橋臺兼擋墻,南區(qū)及西區(qū)一單元(均為二層地下室)外墻為一邊或兩邊外墻兼作擋土墻,因其為二層地下室,擋墻高度達(dá)14.75 m,而且地下水位在地面下1 m左右,土壓力和水壓力對主體結(jié)構(gòu)的影響非常大,尚無類似的工程實例可借鑒。為有效降低擋墻厚度,避免大體積混凝土易開裂的弊端,減少水平推力對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,利用箱形結(jié)構(gòu)剛度大的特點,并通過調(diào)整建筑布局,巧妙將地下二層隔墻兼作擋墻扶壁,采用帶扶壁的箱形擋墻結(jié)構(gòu)，其平面、剖面見圖4～圖6。

圖4 -7.80 m以下剪力墻平面(單位：mm)

圖5 箱形擋墻斷面(單位：mm)

圖6 廢水池處擋墻斷面(單位：mm)

3.2 擋墻計算模型

結(jié)構(gòu)計算采用的PKPM系列的SATWE空間有限元結(jié)構(gòu)分析軟件能夠建立起箱形擋墻模型,但無法計算土壓力及水壓力；而PK采用的是平面桿系結(jié)構(gòu)計算模型,可以加上水平力,但箱形擋墻無法建立模型。

首先用SAP2000軟件對擋墻部分進(jìn)行準(zhǔn)確受力分析(圖7)；再將擋土墻中的箱形擋墻部分模擬成梁板柱體系,將箱形擋墻的內(nèi)隔墻簡化為支撐,用PK程序進(jìn)行計算并將結(jié)果與SAP2000的計算結(jié)果進(jìn)行比較,直到較為接近后,從空間模型中抽出單榀框架,加上水壓力及土壓力,將模擬的擋土墻梁板柱體系與主體結(jié)構(gòu)合并計算,可以得到整體結(jié)構(gòu)單榀框架的變形(圖8)。

經(jīng)計算，最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)底懸臂端頂部。1處最大水平位移為5.46 mm；2處水平位移為6.62 mm；3處最大水平位移為1.78 mm。

3.3 抗傾覆、抗滑移措施

3.3.1 抗傾覆措施

為了增加抗傾覆力臂,充分利用地下二層的隔墻作為擋墻的扶壁；為了增加配重, 除了污水池及廢水池外,將其他箱體內(nèi)填充砂夾碎石；在箱體下增設(shè)抗拔錨桿以抵抗傾覆力矩所產(chǎn)生的上拔力。

圖7 擋墻橫剖面示意

圖8 恒載節(jié)點位移(單位：mm)

3.3.2 抗滑移措施

在地下室主體結(jié)構(gòu)中采用高性能補(bǔ)償收縮混凝土,將南區(qū)三個單元、西區(qū)一單元及地下候車室的相同底高程的筏板連成一體。這樣不僅可避免伸縮縫處出現(xiàn)防水薄弱環(huán)節(jié),而且通過連通的剛性底板,再考慮設(shè)于底板下的抗拔錨桿的有利作用,可以保證整體結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本工程在設(shè)計的各個階段,結(jié)構(gòu)專業(yè)始終與相關(guān)專業(yè)密切配合,以“鑄造百年不落后的精品工程”為目標(biāo),通過選擇合適的計算軟件及簡化模型,經(jīng)合理的結(jié)構(gòu)布置,實現(xiàn)了建筑美觀與結(jié)構(gòu)安全的完美統(tǒng)一。本工程2007年元月正式開工,在建設(shè)各方的通力協(xié)作下,按期圓滿交付使用。自2008年8月開通運營以來,不僅為旅客提供了舒適便捷的乘車環(huán)境,也得到了包括鐵道部及省、市領(lǐng)導(dǎo)的高度評價。

[1]GB50011—2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50007—2002,地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]楊 星.PKPM結(jié)構(gòu)軟件從入門到精通[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.