某鐵路站房大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

殷 靜

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

目前公共建筑為實(shí)現(xiàn)大跨空間，普遍采用下部混凝土結(jié)構(gòu)與上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的組合形式，鐵路旅客站房就屬于這類典型的公共建筑。在對站房施工圖進(jìn)行審核的過程中發(fā)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)時(shí)常常各自分開計(jì)算，即下部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將上部鋼屋蓋等效成鋼梁或樓板計(jì)算，并未真實(shí)考慮鋼屋蓋對下部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)；進(jìn)行上部鋼屋蓋設(shè)計(jì)時(shí)，常常也未考慮下部結(jié)構(gòu)對上部屋蓋的邊界影響［1-2］。為此，本文選取鐵路站房中比較常見的站型及規(guī)模，在施工圖審核過程中通過單體鋼屋蓋模型和整體模型的對比，分析兩種模型的受力特性，研究大跨鋼屋蓋與其下部混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作特性及抗震薄弱環(huán)節(jié)，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)體系選型的合理性及結(jié)構(gòu)安全性，為今后類似工程施工圖審核提供參考［3］。

2 工程概況

某鐵路站房南候車廳建筑平面尺寸約為139 m×48 m，建筑高度約28.4 m。結(jié)構(gòu)地上四層，一、二層層高為4.8 m；地下二層，地下一層為地鐵集散廳，層高5 m，局部地下二層為地鐵換乘層。下部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸8.1 m、15.6 m和24 m，屋蓋縱橫向最大跨度36 m，建筑剖面圖見圖1。

圖1 鐵路站房剖面（單位：mm）

該建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

2.1 設(shè)計(jì)荷載

（1）恒荷載

①結(jié)構(gòu)自重:放大1.1倍考慮節(jié)點(diǎn)重量；②屋蓋上弦荷載:金屬屋面0.65 kN／m2；玻璃屋面1.0 kN／m2；③屋蓋下弦荷載:吊頂及吊掛0.35 kN／m2，馬道1.0 kN／m2；設(shè)備管道荷載根據(jù)實(shí)際布置按線荷載施加。

（2）活荷載 0.5 kN／m2；馬道檢修活荷載 1 kN作用在跨中驗(yàn)算。

（3）風(fēng)荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［4］（下文簡稱荷載規(guī)范），基本風(fēng)壓按百年一遇取值為0.45 kN／m2，地面粗糙度類別為A類。

（4）雪荷載

基本雪壓按照100年重現(xiàn)期取0.5 kN／m2，同時(shí)考慮雪荷載不均勻分布以及半跨均布的情況。

（5）溫度荷載

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣髻Y料，同時(shí)參考荷載規(guī)范［4］，控制鋼結(jié)構(gòu)合龍溫度在10～15℃，取升溫+30℃、降溫-30℃進(jìn)行溫度工況的施加。

（6）地震作用

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）［5］，工程抗震設(shè)防烈度為7度（0.1 g），抗震設(shè)防類別為乙類；設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為II類。

2.2 設(shè)計(jì)荷載組合

工程設(shè)計(jì)荷載組合見表1。表中各個(gè)荷載工況的分項(xiàng)系數(shù)和組合值系數(shù)按照荷載規(guī)范取值，由于該工程屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)，因此適當(dāng)考慮了豎向地震作用組合。

表1 荷載組合

3 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

該鐵路站房屋蓋采用正交正放管桁架結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)建筑效果及支承條件，將桁架分為立體桁架和平面桁架兩種［6］。其中，作為主受力桁架，立體桁架沿雙向交錯(cuò)布置。懸挑部分采用平面桁架，共37榀，最大懸挑長度約14 m，平面懸挑桁架間通過支撐連接形成整體。屋蓋立體桁架桿件及平面桁架腹桿采用無縫圓鋼管，平面桁架弦桿采用矩形鋼管，材質(zhì)為Q345B。節(jié)點(diǎn)采用相貫節(jié)點(diǎn)和焊接球節(jié)點(diǎn)。圖2為屋蓋桁架軸測圖。

圖2 屋蓋桁架軸測圖

立體桁架為倒三角形桁架，桁架下弦采用φ325×20，中間大廳由于建筑采光要求，采用單向立體三角桁架，桁架邊部設(shè)置支撐和系桿，保證其空間穩(wěn)定性。根據(jù)建筑造型的要求，高低變化處通過設(shè)置局部雙層桁架來實(shí)現(xiàn)（見圖3～圖5）。

圖3 中間采光大廳屋蓋結(jié)構(gòu)布置（單位：mm）

圖4 局部雙層桁架示意（單位：mm）

圖5 立體、平面桁架轉(zhuǎn)換示意

4 設(shè)計(jì)思路

4.1 上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程中常用的邊界約束條件有靜定約束和全三向鉸接兩種。采用靜定約束邊界條件時(shí)結(jié)構(gòu)跨中位移偏大，桿件內(nèi)力小；而采用全三向鉸接約束邊界條件時(shí)結(jié)構(gòu)跨度位移小，桿件內(nèi)力大（尤其是支座附近）。

本工程采用靜定約束和全三向鉸接兩種不同的邊界條件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，通過取兩種模型的包絡(luò)位移和內(nèi)力，驗(yàn)算屋蓋結(jié)構(gòu)位移、桿件應(yīng)力比等指標(biāo)是否滿足要求。

4.2 總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過建立下部結(jié)構(gòu)的總裝模型，對鋼屋蓋進(jìn)行驗(yàn)算，對考慮下部結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度后的結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析，并對屋蓋結(jié)構(gòu)桿件再次進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)［7］。

采用Midas Gen軟件分別建立鋼屋蓋單體模型和整體模型，其中單體模型為考慮不同邊界約束包絡(luò)設(shè)計(jì)后的靜定約束模型。Midas Gen中桁架弦桿采用梁單元，桁架腹桿采用桁架單元。鋼屋蓋單體模型和整體模型見圖6～圖7。

圖6 鋼屋蓋單體模型

圖7 總裝模型

5 上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)

5.1 單體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)果分析

（1）撓度

1.0恒載+1.0活載下，桁架結(jié)構(gòu)中心區(qū)域豎向撓度最大，最大撓度值為111 mm，撓跨比為1／324（跨度36 m）；周邊懸挑端撓度值為33 mm，撓跨比為 1／333（懸挑 11 m），見圖 8，均滿足規(guī)范［8-9］規(guī)定的撓度限制要求。要求施工單位在施工過程中對撓度較大處采取適當(dāng)?shù)钠鸸按胧?/p>

（2）桿件應(yīng)力比

①非地震組合和多遇地震組合工況驗(yàn)算

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合下?lián)隙戎?/p>

非地震組合和多遇地震組合工況下，考慮壓桿穩(wěn)定系數(shù)，桿件應(yīng)力比基本控制在0.85以下，個(gè)別桿件應(yīng)力比達(dá)到0.9（支座處），滿足設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。桿件驗(yàn)算應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)圖及桿件應(yīng)力比分布圖見圖9、圖 10。

圖9 桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)

圖10 桿件應(yīng)力比分布圖

②中震彈性驗(yàn)算

支座附近桿件為屋蓋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)計(jì)過程中對其采用中震彈性驗(yàn)算，并考慮壓桿穩(wěn)定系數(shù)。取消地震內(nèi)力調(diào)整后，桿件應(yīng)力比最大值為0.9，滿足中震彈性的控制指標(biāo)。

5.2 總裝模型分析

（1）撓度及應(yīng)力比

采用midas Gen對屋蓋單體模型和總裝模型進(jìn)行對比分析，得到兩種模型在同樣荷載條件下的撓度值和桿件最大應(yīng)力比，見表2。

表2 兩種模型結(jié)果對比

由表2可知，單體模型由于假定下部結(jié)構(gòu)為無限剛體，采用三向鉸接計(jì)算；而總裝模型考慮了下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度，因此單體模型的撓度值比總裝模型小，但由于單體模型支座約束較強(qiáng)，應(yīng)力比會(huì)比總裝模型偏大。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用兩種邊界約束條件包絡(luò)設(shè)計(jì)后的單體模型是偏于安全的，與總裝模型計(jì)算結(jié)果接近。

（2）周期

結(jié)構(gòu)前三階振型和周期見圖11。第1階振型為X向平動(dòng)，周期為1.180 s；第2階振型為Y向平動(dòng)，周期為0.988 s；第3階振型為扭轉(zhuǎn)，周期為0.947 s。周期比為0.802，滿足規(guī)范要求。

由圖11可以看出兩種模型屋蓋部分振型形式基本一致，但整體模型中除豎向振型之外還夾雜較多的平動(dòng)振型，這與下部混凝土部分參與振動(dòng)有關(guān)。

圖11 結(jié)構(gòu)前三階振型

（3）下部結(jié)構(gòu)總裝分析與單體分析對比

采用midas Gen進(jìn)行分析后，提取總裝模型和下部單體模型的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果進(jìn)行對比，具體見表3。

表3 關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果對比

由表3可知，總裝模型的基底剪力略小于單體模型，但相差不大；總裝模型位移比偏大，這可能是由于上部鋼屋蓋鞭梢作用的原因［10］，對于與鋼屋蓋相連的混凝土框架柱的內(nèi)力有放大作用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大該框架柱配筋。

6 支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

支座節(jié)點(diǎn)不僅能阻止結(jié)構(gòu)發(fā)生剛體位移，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能，同時(shí)可有效抵消結(jié)構(gòu)支座的部分反力［11-12］。該站房鋼屋蓋支座在設(shè)計(jì)時(shí)考慮如下因素:

（1）支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造需滿足計(jì)算假定；

（2）支座節(jié)點(diǎn)各部位尺寸應(yīng)避免與其他構(gòu)件碰撞，且保證足夠凈距以保證結(jié)構(gòu)的控制變形；

（3）保證鋼屋蓋在地震作用下的安全性，尤其是支座處的安全可靠性。

本工程選用抗震球形支座，構(gòu)造如圖12所示。通過提取模型中的支座受力，確定支座產(chǎn)品參數(shù)。

圖12 支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（單位：mm）

7 結(jié)論

（1）針對某鐵路站房大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計(jì)思路和流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，根據(jù)建筑自身造型要求選用了合理的結(jié)構(gòu)體系。

（2）單體鋼屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)采用靜定約束邊界條件和全三向鉸接邊界條件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（3）總裝模型結(jié)果對比分析表明:采用兩種邊界約束條件包絡(luò)設(shè)計(jì)后的單體模型進(jìn)行設(shè)計(jì)偏于安全，與總裝模型計(jì)算結(jié)果比較接近。

（4）對于下部混凝土結(jié)構(gòu)，考慮上部鋼屋蓋的鞭梢作用后，與其相連的下部混凝土框架柱受力有所增加，該框架柱配筋建議適當(dāng)放大。

（5）該鐵路站房結(jié)構(gòu)的控制指標(biāo)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范制定，各項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，可為今后類似工程提供參考。