鐵路站房環(huán)梁轉(zhuǎn)換層及關鍵轉(zhuǎn)換節(jié)點的設計

石東婉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司）

1 工程概況

江門站位于廣東省江門市新會區(qū)，站房總建筑面積約為4hm2，共有八個站臺20條到發(fā)線，最高聚集人數(shù)4000人，為大型鐵路站房。江門站結(jié)構體系復雜，上部采用鋼結(jié)構、下部為混凝土結(jié)構，且存在梁柱轉(zhuǎn)換。樹筒鋼管在高架層與鋼骨混凝土柱轉(zhuǎn)換，部分鋼骨混凝土柱在地面層通過雙鋼骨混凝土梁轉(zhuǎn)換，支承體系豎向部分連續(xù)。樹形編織筒鋼結(jié)構圓鋼管豎向編織，網(wǎng)格呈菱形狀，形成空間筒殼結(jié)構。筒殼結(jié)構下部由型鋼混凝土結(jié)構支承。正是由于上下層結(jié)構的變化，需要在結(jié)構中間加設轉(zhuǎn)換層，將上部鋼結(jié)構的荷載通過轉(zhuǎn)換層加在下層與地面直接連通的支撐柱子上。工程采用的轉(zhuǎn)換形式為梁式轉(zhuǎn)換層。

對于江門站弧形轉(zhuǎn)換梁特殊結(jié)構，以連續(xù)整體的轉(zhuǎn)換梁為研究對象，考慮結(jié)構的整體及連續(xù)性，計算梁柱轉(zhuǎn)換結(jié)構的抗震性能。

2 環(huán)梁轉(zhuǎn)換層的結(jié)構特點

本工程的轉(zhuǎn)換層為地面層，轉(zhuǎn)換層的關鍵梁柱構件（即轉(zhuǎn)換節(jié)點）是結(jié)構中間部位的環(huán)梁部分，即雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點。雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁由三部分組成，即外包鋼筋骨架、混凝土和組合型鋼[1]。組合型鋼是通過將兩根工字鋼通過綴板連接起來而形成的。上部型鋼柱通過端板螺栓連接的方式與轉(zhuǎn)換梁連接。該轉(zhuǎn)換層屬于梁式轉(zhuǎn)換層，結(jié)構傳力途徑清晰，且受力性能好、便于施工[2]。

在進行結(jié)構設計時，要求做到“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構件”[3]，主要是為了考慮構件的重要性以及破壞后對整個結(jié)構的影響程度。顯然柱子的破壞造成的后果比梁破壞更嚴重，所以結(jié)構設計時，總是讓梁比柱先破壞[4]。而本工程中因為轉(zhuǎn)換梁需要有足夠的剛度來承受上部荷載，下部的支撐柱也應同時設計的更“強”。

轉(zhuǎn)換層處梁柱節(jié)點是結(jié)構非常關鍵的部位，是結(jié)構剛度突變的位置，也是地震中受損最嚴重的地方。在設計時，應該把轉(zhuǎn)換層上下層結(jié)構的剛度比控制在一定的范圍內(nèi)[5]。根據(jù)“強節(jié)點弱構件”的要求，理想情況是梁和柱都破壞掉了，節(jié)點再被破壞?？墒窃谵D(zhuǎn)換層中節(jié)點是受力最復雜的，受到彎、剪、扭的作用，同時還要將荷載經(jīng)由節(jié)點往下傳[6]。因此，對節(jié)點傳力機制和破壞模式的研究一直是重難點，而本工程中的托柱梁式轉(zhuǎn)換節(jié)點也是我們研究的重點。

3 轉(zhuǎn)換層設計及有限元分析

針對以上提出的研究重點，分別對江門站側(cè)方站的雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構無樓板和有樓板兩種情況施加考慮地震荷載組合的各種工況下的最不利荷載，通過有限元軟件ABAQUS分析其變形情況及安全性能，并進行對比[7]。

3.1 構件設計及內(nèi)力提取

3.1.1 抗震設計

抗震設計需明確整體結(jié)構的抗震性能水準和目標[8]，在《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》（JGJ3—2010）第3.11.1條中將結(jié)構的抗震性能水準劃分為五類；在《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》（JGJ3—2010）第3.11.2條中將結(jié)構的抗震性能目標規(guī)定為四種。

依據(jù)本項目的抗震設防類別、場地條件、設防烈度和震后損失，確定需達到的結(jié)構抗震性能目標為：在多遇地震、設防烈度地震和預估的罕遇地震作用下，該結(jié)構的抗震性能水準分別判定為完好、基本完好、輕度損壞。轉(zhuǎn)換層的梁和柱是關鍵的結(jié)構構件，高規(guī)中規(guī)定了在第一、第二和第三抗震性能水準下，震后關鍵構件的性能狀況應分別為無損壞、無損壞和輕微損壞。

3.1.2 內(nèi)力提取

采用四種荷載工況：①施加20種靜力荷載工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力；②對20種靜力荷載工況分別組合上小震工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力；③對20種靜力荷載工況分別組合上中震工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力；④對20種靜力荷載工況分別組合上大震工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力。

3.2 轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構的有限元分析

3.2.1 建立模型

選用AutoCAD2012版本對雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構進行建模，分別建立無樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層模型；再將模型導入ABAQUS中進行后續(xù)處理。

3.2.2 材料參數(shù)

混凝土材料參數(shù)見表1，型鋼和鋼筋材料參數(shù)見表2[9]。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 無樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構的分析結(jié)果

通過有限元軟件ABAQUS對無樓板轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構在四種荷載工況下的分析，得到各個工況下整體結(jié)構的變形位移結(jié)果。

如圖1所示，模型在靜力荷載最不利工況下，結(jié)構的變形最大值為5.83mm，變形特別微小?；炷恋淖畲髴χ禐?7.14MPa，鋼筋的最大應力值為171.3MPa，型鋼的最大應力值為156.7MPa?；炷痢摻?、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在小震的最不利工況下，結(jié)構的變形最大值為15.11mm，環(huán)梁撓度最大值為3mm，變形較為微小?；炷恋淖畲髴χ禐?9.08MPa，鋼筋的最大應力值為195.5MPa，型鋼的最大應力值為198.3MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在中震的最不利工況下，結(jié)構的豎向變形最大值為9.911mm，環(huán)梁撓度最大值為5mm，變形較為微小?；炷恋淖畲髴χ禐?4.44MPa，鋼筋的最大應力值為196.6MPa，型鋼的最大應力值為188.9MPa?；炷?、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在大震的最不利工況下，混凝土的最大應力超過其強度的標準值，并發(fā)生局部損壞；鋼筋和型鋼的最大應力未超過其各自的屈服強度，并且仍處于彈性階段。圈梁撓度最大值為7.5mm左右，變形較為微小。

表1 混凝土材料參數(shù)表

表2 鋼材和鋼筋材料參數(shù)表

圖1 無樓板轉(zhuǎn)換梁結(jié)構有限元計算結(jié)果

因此，無樓板的結(jié)構梁式轉(zhuǎn)換層部分的環(huán)梁結(jié)構在靜力荷載作用下滿足安全要求。在小震和中震下，混凝土、鋼筋和型鋼均未屈服；在大震下，混凝土的破壞程度較小，滿足高規(guī)中在三個抗震性能水準下結(jié)構關鍵構件的震后性能目標[10]。

4.2 有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構的分析結(jié)果

通過有限元軟件ABAQUS對有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構在四種荷載工況下的分析，得到各個工況下整體結(jié)構的變形位移結(jié)果。

如圖2所示，模型在靜力荷載最不利工況下，結(jié)構的變形最大值為5.912mm，變形特別微小。相較于無樓板的環(huán)梁結(jié)構，有樓板的環(huán)梁結(jié)構混凝土、鋼筋、型鋼最大應力較大一些，仍處于彈性階段，未屈服。在小震的最不利工況下，結(jié)構的變形最大值為15.10mm，圈梁撓度最大值為3mm左右，變形較為微小?；炷痢摻?、型鋼均處于彈性階段，未屈服。

在中震的最不利工況下，結(jié)構的豎向變形最大值為9.741mm，圈梁撓度最大值為5mm，變形較為微小?；炷?、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在大震的最不利工況下，混凝土的最大應力超過其強度的標準值，并發(fā)生局部損壞；鋼筋和型鋼的最大應力未超過其各自的屈服強度，并且仍處于彈性階段。圈梁撓度最大值為7mm左右，變形較為微小。

因此，配有樓板的結(jié)構梁式轉(zhuǎn)換層部分的圈梁結(jié)構在靜力荷載作用下滿足安全要求。在小震和中震下，混凝土、鋼筋和型鋼均未屈服；在大震下，混凝土的破壞程度較小，滿足高規(guī)中在三個抗震性能水準下結(jié)構關鍵構件的震后性能目標。

5 結(jié)語

文章介紹了江門站型鋼混凝土環(huán)梁轉(zhuǎn)換結(jié)構及其節(jié)點在不同工況下的有限元分析，通過計算結(jié)果圖進行整理分析得出以下結(jié)論：

①在四種工況下，雙型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構及節(jié)點的變形均較小，轉(zhuǎn)換梁的撓度也滿足安全使用要求。

②在靜力荷載組合的最不利工況作用下，無樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁的混凝土、鋼筋、型鋼的應力均小于屈服應力，結(jié)構可正常工作。

圖2 有樓板轉(zhuǎn)換梁結(jié)構有限元計算結(jié)果

③在考慮小震的荷載組合最不利工況作用及中震的荷載組合最不利工況作用下，無樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁的混凝土、鋼筋、型鋼的應力均小于屈服應力，結(jié)構無損傷。在考慮大震的荷載組合最不利工況作用下，無樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁的混凝土梁柱的局部位置應力大于屈服應力從而發(fā)生屈服，而鋼筋、型鋼的應力均小于屈服應力，結(jié)構受到輕微損傷；滿足高規(guī)中在三個抗震性能水準下結(jié)構關鍵構件的震后性能目標。

④轉(zhuǎn)換層環(huán)梁內(nèi)無樓板和有樓板的計算數(shù)據(jù)相差不大，分析結(jié)論相同。