西寧站站房傾斜框架柱和拱形鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

黃永安

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 工程概況

西寧站位于青海省會(huì)西寧市，為蘭青線上的區(qū)段站，東距蘭西編組站約204 km，西距柯柯區(qū)段站約428 km，距格爾木區(qū)段站約為832 km。

西寧站站房建筑面積59 866 m2。地上主體3層，局部4層，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，屋蓋采用拱形鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架跨度79 m，支撐于傾角18°鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力框架柱上。站房最高點(diǎn)建筑高度為47.78 m。建筑形態(tài)以流動(dòng)的水平線條體現(xiàn)三江源的意向，同時(shí)形體上傳達(dá)出雄鷹展翅騰飛的寓意。整體造型著力體現(xiàn)厚重雄渾的感覺，與青海的壯美相呼應(yīng)，西寧站建筑效果圖見圖1。

圖1 西寧站建筑效果圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，耐久性按100年設(shè)計(jì)。為了滿足站房結(jié)構(gòu)的耐久性要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用以下標(biāo)準(zhǔn):(1)基本風(fēng)壓和基本雪壓均按100年一遇取值;(2)建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1;(3)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采用的混凝土最低強(qiáng)度等級、配合比及相關(guān)參數(shù)、鋼筋的保護(hù)層厚度均按耐久性為100年確定［1-2］;(4)西寧市的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。主站房的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類建筑)，按設(shè)防烈度7度進(jìn)行抗震計(jì)算，按設(shè)防烈度8度采取抗震措施［3］;主站房鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級為一級［4］。

3 結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

采用空間通用有限元軟件MIDAS Gen Ver.795建立站房整體模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，合理確定混凝土構(gòu)件的截面尺寸和內(nèi)力，并對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì);采用SAP2000 V15建立整體模型，對MIDAS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。分析過程中，各軟件模型的荷載取值、桿件截面、構(gòu)件布置應(yīng)保證統(tǒng)一，各構(gòu)件的邊界條件盡量相同，西寧站結(jié)構(gòu)整體三維模型見圖2。

圖2 西寧站結(jié)構(gòu)整體三維模型

3.1 結(jié)構(gòu)模型施工階段模擬分析及設(shè)計(jì)

西寧站剖面見圖3，由于鋼筋混凝土框架柱有18°傾角，并且鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為拱形造型，鋼筋混凝土柱在受到豎向力的同時(shí)，也承受柱自重和拱形鋼桁架產(chǎn)生的水平推力。由于結(jié)構(gòu)在不同的施工階段，鋼筋混凝土傾斜柱都會(huì)發(fā)生變形和呈現(xiàn)不同的內(nèi)力狀態(tài)，在每個(gè)施工階段內(nèi)，鋼筋混凝土為線性受力特性，但在整個(gè)施工過程中，其受力為非線性特性。通過整體模型計(jì)算，無法準(zhǔn)確計(jì)算各施工階段桿件的受力。因此，在西寧站站房結(jié)構(gòu)模型計(jì)算中采用分階段模擬施工計(jì)算方法。

圖3 西寧站剖面(單位:m)

施工階段模擬分析分為4個(gè)施工階段:第一施工階段為-11.5 m高程到10.0 m高程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完成;第二施工階段為10.0 m高程到30.55 m高程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完成;第三施工階段為屋面鋼結(jié)構(gòu)安裝完成;第四施工階段為屋面圍護(hù)體系完成后的整體模型。計(jì)算中通過施工分析模塊考慮10 m和17 m高程施工荷載及混凝土的收縮和徐變因素。

通過施工模擬分析，傾斜框架柱在施工過程中由于混凝土柱自重及17.0 m高程結(jié)構(gòu)自重引起的柱頂變形和內(nèi)力，對整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響得到考慮。施工模擬分析與整體模型計(jì)算結(jié)果對比見表1和圖4。

由表1對比分析可知，施工模擬分析結(jié)果與整體模型計(jì)算結(jié)果相比較，拱形鋼桁架跨中下弦桿拉力減少15%，上弦桿壓力變化不大;支座處下弦桿壓力增加16%，上弦桿拉力減少14%。鋼桁架在10軸線到11軸線范圍內(nèi)上、下弦桿內(nèi)力均減少15%。傾斜框架柱10 m高程彎矩增加15% ～20%，17 m高程彎矩增加200%。在變形方面，在整體模型計(jì)算中，傾斜柱頂最大位移為36 mm;施工模擬計(jì)算中，傾斜柱頂最大位移為78 mm;通過施工模擬釋放了在施工階段鋼屋架對傾斜柱的水平約束，降低了鋼桁架的應(yīng)力狀態(tài)，與實(shí)際施工更加的吻合，并且充分利用了鋼桁架的自身剛度，減少鋼桁架總用鋼量15%［5-6］。對于下部傾斜混凝土柱由于釋放了柱頂水平約束，傾斜柱變?yōu)閼冶壑?，柱頂水平位移和根部彎矩均大幅增大?］。通過施工模擬分析，傾斜混凝土柱受力和變形更為不利，需要對傾斜柱進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

表1 構(gòu)件內(nèi)力對照(一)

圖4 施工階段單榀模型彎矩圖(局部)(單位:kN·m)

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土傾斜柱計(jì)算及設(shè)計(jì)

通過施工模擬分析，傾斜框架柱10 m高程彎矩增加15% ～20%，17 m高程彎矩增加200%，且柱頂最大位移78 mm。為了有效控制傾斜柱的截面開裂和變形，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土柱。由于傾斜柱受力狀態(tài)復(fù)雜，選擇并確定合適的預(yù)應(yīng)力筋曲線和位置就成為預(yù)應(yīng)力混凝土柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［7］。根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的外形和位置應(yīng)盡可能與彎矩圖一致和預(yù)應(yīng)力筋的布置形狀應(yīng)該使張拉預(yù)應(yīng)力筋所產(chǎn)生的等效荷載與外部荷載的分布在形式上應(yīng)基本一致的原則［8-9］，設(shè)計(jì)中對高架候車區(qū)兩個(gè)軸線傾斜柱受力的不同特點(diǎn)采用了不同的預(yù)應(yīng)力曲線。傾斜柱彎矩圖和預(yù)應(yīng)力曲線對照見圖5。

圖5 彎矩圖與預(yù)應(yīng)力曲線對照(單位:mm)

由于預(yù)應(yīng)力筋張拉施工應(yīng)在拱形鋼屋架安裝之前完成，在此施工階段傾斜柱承受自重和17 m高程樓面自重荷載作用，傾斜柱頂不受彎矩作用，在17 m和10 m梁柱節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生較大負(fù)彎矩。由于彎矩圖形趨向直線，并且邊柱10 m高程到17 m高程柱有反彎點(diǎn)，故邊柱預(yù)應(yīng)力筋采用直線形和折線形結(jié)合的布置形式;中柱采用直線形布置形式并且柱頂預(yù)應(yīng)力筋均布置在柱中心，避免產(chǎn)生次彎矩。

按照以上預(yù)應(yīng)力曲線布置，在施工模擬計(jì)算模型第三施工階段前增加預(yù)應(yīng)力加載施工階段。施工模擬計(jì)算模型增加為五個(gè)施工階段。施工模擬分析與整體模型計(jì)算結(jié)果對比見表2。

表2 構(gòu)件內(nèi)力對照(二)

由表2對比分析可知，通過給傾斜柱內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，柱頂水平方向位移減少近35%，并且疊加預(yù)應(yīng)力等效彎矩后的傾斜柱根部支座彎矩減小15%，截面最大裂縫值由0.433 mm減小到0.258 mm，有效地控制了傾斜柱的水平變形和截面裂縫。通過對傾斜柱體內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力，站房結(jié)構(gòu)承載力、變形和裂縫均滿足現(xiàn)有規(guī)范要求［10-11］。

4 結(jié)語

由于西寧站站房主體結(jié)構(gòu)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形態(tài)，傾斜框架柱受豎向荷載的二階效應(yīng)明顯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各個(gè)施工階段的內(nèi)力狀態(tài)不同，并且傾斜框架柱的截面裂縫和側(cè)向變形難以控制，設(shè)計(jì)過程中針對工程特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了研究和分析得到以下結(jié)論。

(1)設(shè)計(jì)中采用的施工模擬分析方法和設(shè)計(jì)思路，更加準(zhǔn)確地計(jì)算出了結(jié)構(gòu)不同施工階段的受力狀態(tài)，優(yōu)化了站房結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，節(jié)約了站房工程費(fèi)用。并且此種設(shè)計(jì)思路可以在其他大型旅客站房設(shè)計(jì)中得到推廣和引用，縮短了工程建設(shè)周期，保證大型站房結(jié)構(gòu)和鐵路運(yùn)營安全。

(2)設(shè)計(jì)中通過計(jì)算比選最終確定合理的預(yù)應(yīng)力線形布置形式，有效控制了傾斜框架柱的變形和根部設(shè)計(jì)彎矩。

(3)預(yù)應(yīng)力傾斜柱設(shè)計(jì)成果提供了傾斜鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力框架柱的設(shè)計(jì)方法和思路，對鋼筋混凝土柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力研究具有參考價(jià)值。

(4)對于拱形鋼桁架，通過合理結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算，使得結(jié)構(gòu)受力明確、構(gòu)造相對簡單，并且減少了鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量，節(jié)約了工程費(fèi)用［12］。

［1］中國建筑科學(xué)研究院.西寧站站房及風(fēng)雨棚風(fēng)洞測壓試驗(yàn)報(bào)告［R］.北京:中國建筑科學(xué)研究院，2011.

［2］中國建筑科學(xué)研究院.西寧站站房及風(fēng)雨棚風(fēng)致振動(dòng)分析報(bào)告［R］.北京:中國建筑科學(xué)研究院，2011.

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］蔡玉軍.哈大客運(yùn)專線沈陽站站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(3):106-111.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

［6］趙建強(qiáng)，朱丹暉.煙臺(tái)火車站大跨度拱架固定鉸支座設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6):127-131.

［7］黃剛.昆明南火車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6):136-139，146.

［8］林同炎.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國鐵道出版社，1983.

［9］熊學(xué)玉.預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［10］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［11］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 92—2004 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［12］董石麟，羅堯治.新型空間結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:人民交通出版社，2006.