某高架車站站房超長屋蓋的性能化分析

陸德龍，孫文波，2

（1、華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510641；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510641）

以往超長結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)中，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及建筑美學(xué)的追求，近年來，越來越多的超長屋蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在大型體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)航站樓建筑、大型車站站房等建筑場(chǎng)所中。地震行波效應(yīng)對(duì)這種超長結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的影響，因此行波效應(yīng)成為這些超長結(jié)構(gòu)必須考慮的設(shè)計(jì)因素［1-4］。

同時(shí)，對(duì)于大跨度公共建筑，地震作用可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定程度影響。對(duì)于超長屋蓋復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不僅要進(jìn)行地震行波效應(yīng)的影響分析，還需要對(duì)其抗震性能進(jìn)行系統(tǒng)的專門研究和專項(xiàng)論證［5］。本文以某高架車站站房屋蓋為例，對(duì)超限設(shè)計(jì)中涉及到的抗震性能方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

1 工程概況

某高架車站站房位于廣州市白云區(qū)，站房總建筑面積約14.3萬m2，地下2層，地上4層，建筑總高度37 m（屋蓋最高點(diǎn)）。本車站站房功能和流線復(fù)雜，-7.2 m為出站夾層；±0.000 m 為承軌層及站臺(tái)層；4.7 m 為站臺(tái)層夾層；10.0 m為高架候車層；16.5 m為商業(yè)的高架夾層。16.5 m 以上為整片不分縫的屋蓋，屋蓋南北向長412 m，東西向?qū)?52 m。車站整體結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型三維視圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)及屋蓋結(jié)構(gòu)三維視圖Fig.1 3D View of Integral and Roof Structural Calculation Model

本工程存在以下幾個(gè)不規(guī)則項(xiàng)：下部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、局部樓板不連續(xù)、局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；由于建筑效果要求不設(shè)縫，屋蓋部分的結(jié)構(gòu)尺度很大，存在超長超限情況。按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［6］要求，針對(duì)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況和屋蓋的超長情況，設(shè)計(jì)應(yīng)采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和論證。本文僅針對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)抗震性能方面的分析進(jìn)行論述。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，Ⅱ類場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0=1.1。

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系與荷載情況

2.1 屋蓋結(jié)構(gòu)布置

站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的內(nèi)部由直徑為1.6 m 的鋼管柱支承。南北向最大柱距28.5 m，東西向最大柱距64.0 m，結(jié)合屋面的幾何形態(tài)、采光要求以及下部支承結(jié)構(gòu)布置，站房屋蓋主體結(jié)構(gòu)分為中間屋蓋結(jié)構(gòu)、“波浪”造型結(jié)構(gòu)、光谷“花瓣”造型結(jié)構(gòu)3個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Roof Structure Composition

屋蓋主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下。①柱網(wǎng)布置：站房東西向布置6 列鋼結(jié)構(gòu)支承柱，柱距分別為40.0 m、40.0 m、64.0 m、40.0 m、40.0 m；站房南北向典型柱距22.0 m、23.0 m、28.0 m、28.5 m。②中間屋蓋主體結(jié)構(gòu)：采用鋼結(jié)構(gòu)桁架+網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合形式，桁架截面為2.0 m×3.6 m，網(wǎng)架與桁架等高取為3.6 m。③“波浪”造型結(jié)構(gòu)：南北側(cè)“波浪”造型采用橫向主桁架+網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)形式，橫向主桁架最大跨度為40.0 m，桁架截面取為2.0 m×3.0 m，網(wǎng)架與桁架等高取為3.0 m。④光谷“花瓣”造型結(jié)構(gòu)：東西側(cè)光谷“花瓣”造型采用懸挑曲線形鋼梁+水平拉桿+拱組合結(jié)構(gòu)形式，為實(shí)現(xiàn)建筑效果，“花瓣”采用焊接箱形實(shí)腹鋼梁，并結(jié)合花瓣造型及受力特點(diǎn)變化截面高度，梁根部截面尺寸為0.4 m×1.5 m，最大截面為0.4 m×2.8 m；拉桿結(jié)構(gòu)采用焊接箱形實(shí)腹鋼梁，截面取為0.4 m×1.0 m；拱結(jié)構(gòu)采用焊接箱形實(shí)腹鋼梁，截面取為0.4 m×1.0 m。

2.2 風(fēng)荷載及溫度作用

地面粗糙度為B 類，基本風(fēng)壓W0當(dāng)n=50 年時(shí)取0.5 kN/m2，當(dāng)n=100年時(shí)取0.6 kN/m2。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［7］規(guī)定，廣州地區(qū)基本氣溫最低6 ℃，最高36 ℃，年平均氣溫21 ℃。合攏溫度取16～26 ℃。升溫時(shí)取30 ℃，降溫時(shí)取-30 ℃；其中，光谷部分為玻璃屋面，鋼結(jié)構(gòu)考慮太陽輻射，參考文獻(xiàn)［7］9.3.2條的條文說明，考慮表面溫度增加11 ℃，升溫為30+11=41 ℃。

3 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ 3—2010》［8］第3.11 條，本工程結(jié)構(gòu)整體的抗震性能目標(biāo)設(shè)定為C 級(jí)。屋蓋結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的性能目標(biāo)如表1 所示。其中，關(guān)鍵構(gòu)件包括中間屋蓋主體結(jié)構(gòu)的橫向主桁架，“波浪”造型結(jié)構(gòu)的橫向主桁架和光谷“花瓣造型結(jié)構(gòu)”，如圖3?所示。一般構(gòu)件為“關(guān)鍵構(gòu)件”范疇以外的鋼桁架和網(wǎng)架，如圖3?所示。

表1 屋蓋結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年）Tab.1 Roof Structure Performance Target（Design Base Period 50 Years）

圖3 屋蓋構(gòu)件Fig.3 Components of Roof

4 小震彈性時(shí)程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）：DBJ 15-92—2013》4.3.4條和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）：GB 50011—2010》［9］第10.2.10條規(guī)定，本工程采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行小震階段的補(bǔ)充分析。本工程屋蓋部分采用2 條天然波和1 條人工波，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。其中，天然波分別為Livermore-01（天然波1）、Whittier Narrows-01（天然波2），人工波為RH1TG040（人工波）。地震波峰值加速度根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限50年調(diào)整為35 cm/s2。2個(gè)分量峰值加速度比值為主方向∶次方向=1.0∶0.85，阻尼比取0.03。主要計(jì)算結(jié)果如表2和表3 所示，考察屋蓋有代表性的柱子（見圖4）的層間位移角，結(jié)果如表4所示。

以上計(jì)算結(jié)果表明：①多遇地震時(shí)，根據(jù)3條地震波的時(shí)程包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大包絡(luò)值與反應(yīng)譜法的比值為133.32%；則采用振型分解反應(yīng)譜法放大1.33 倍計(jì)算結(jié)果為設(shè)計(jì)依據(jù)。②在多遇地震時(shí)程作用下，四角的柱位移角一致性不是很強(qiáng)，但是均能滿足混凝土框架結(jié)構(gòu)1/550的限值要求。

5 結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)分析

圖4 有代表性柱子具體位置Fig.4 Specific Location of Representative Columns

表2 小震作用下屋蓋柱底總剪力（X向?yàn)橹鳎㏕ab.2 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Small Earthquake（X-direction is the Main Direction）

表3 小震作用下屋蓋柱底總剪力（Y向?yàn)橹鳎㏕ab.3 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Small Earthquake（Y-direction is the Main Direction）

表4 X、Y向?qū)娱g位移角Tab.4 Interlayer Displacement Angles in X and Y Directions

在地震傳播過程中，行波效應(yīng)對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)有一定的影響，故需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行行波效應(yīng)分析。根據(jù)文獻(xiàn)［9］5.1.2 條及其條文說明，長度大于300 m 屬于平面投影尺寸很大的空間結(jié)構(gòu)，需考慮行波影響。該結(jié)構(gòu)在東西向的屋蓋長度約為412 m，南北向長度約為252 m。故本工程對(duì)結(jié)構(gòu)東西向進(jìn)行行波效應(yīng)分析。視波速是超長結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)的重要影響因素［10-11］，本工程分別取視波速1 500 m/s、1 000 m/s、500 m/s 進(jìn)行試算，則東西向行波效應(yīng)的最大時(shí)間間隔Δt分別為0.26 s、0.39 s、0.78 s。

選取小震彈性時(shí)程分析中的3條地震波進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)程分析。采用地面運(yùn)動(dòng)的位移作為動(dòng)荷載建立動(dòng)力平衡方程，進(jìn)行多點(diǎn)地震動(dòng)輸入的激勵(lì)。對(duì)屋蓋支撐柱底東西向總剪力的行波效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5所示。

屋蓋支撐柱底的總剪力計(jì)算結(jié)果顯示，3 條地震波的位移時(shí)程多點(diǎn)激勵(lì)均比一致激勵(lì)要小，且視波速越大，多點(diǎn)激勵(lì)越接近一致激勵(lì)。計(jì)算表明，地震作用的行波效應(yīng)對(duì)此屋蓋結(jié)構(gòu)的影響不明顯，此結(jié)論與牟在根等人［12］的結(jié)論基本吻合。

表5 行波效應(yīng)下屋蓋支撐柱底剪力Tab.5 Shear Force of Roof Support Column under Traveling Wave Effect

因多點(diǎn)輸入效應(yīng)時(shí)，同一構(gòu)件的內(nèi)力變化規(guī)律不盡相同。本工程采用各內(nèi)力共同作用下的構(gòu)件截面最大應(yīng)力作為鋼構(gòu)件的主要考察對(duì)象。王元清等人［13］給出基于抗震截面驗(yàn)算的設(shè)計(jì)響應(yīng)比Kd作為衡量多點(diǎn)輸入效應(yīng)影響程度的參數(shù)。其中：

考察屋蓋中部網(wǎng)架和兩側(cè)飄帶下部支承柱（見圖5）在上述荷載組合下的構(gòu)件截面最大應(yīng)力，具體結(jié)果如表6、表7所示。

圖5 考察對(duì)象Fig.5 Object of Investigation

表6 各設(shè)計(jì)響應(yīng)比下鋼構(gòu)件數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.6 Number Statistics of Steel Components under Different Design Response Ratios

表7 綜合計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistical of Comprehensive Calculation Results

表6、表7 表明，大多數(shù)鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)響應(yīng)比Kd小于1，即多點(diǎn)輸入效應(yīng)會(huì)減小大多數(shù)鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力。對(duì)于這些構(gòu)件，不考慮多點(diǎn)輸入效應(yīng)時(shí)偏安全。但仍然有大約15%的構(gòu)件響應(yīng)超過一致輸入，其中大多數(shù)超載幅度小于5%，小部分超載幅度均在5%～10%之間，設(shè)計(jì)中予以復(fù)核即可。

6 等效彈性結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)驗(yàn)算

本工程的中震性能要求為屋蓋的關(guān)鍵構(gòu)件中震彈性，一般構(gòu)件中震不屈服。采用等效彈性方法計(jì)算，中震采用振型分解反應(yīng)譜法放大1.33倍計(jì)算結(jié)果為設(shè)計(jì)依據(jù)（繼承小震時(shí)程結(jié)果分析結(jié)論）。關(guān)鍵構(gòu)件為中震彈性，荷載組合為1.2G+1.3Exy；一般構(gòu)件中震不屈服，荷載組合為1.0G+1.0Exy。

在雙向地震作用下，對(duì)部分不滿足要求的關(guān)鍵構(gòu)件針對(duì)性地采取截面加大和牌號(hào)提高措施，得出的主要分析結(jié)果情況如圖6所示。

圖6 關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力比Fig.6 Stress Ratio of Key Components

由圖6可知，經(jīng)過上述針對(duì)性加強(qiáng)措施后，關(guān)鍵構(gòu)件僅有個(gè)別構(gòu)件未滿足要求，在后期對(duì)剩余的個(gè)別桿件做針對(duì)性的截面加強(qiáng)即能滿足中震彈性性能目標(biāo)。一般構(gòu)件的主應(yīng)力均未達(dá)到構(gòu)件的屈服強(qiáng)度355 MPa，即滿足不屈服性能要求。

7 罕遇地震作用下屋蓋鋼結(jié)構(gòu)等效彈性時(shí)程分析

罕遇地震時(shí)程分析時(shí)采用調(diào)幅后的時(shí)程曲線（同小震時(shí)程分析），調(diào)幅峰值為220 cm/s2?？紤]罕遇地震下部結(jié)構(gòu)的損傷，剛度退化。阻尼相比多遇地震時(shí)增加了0.005，即采用0.035。屋蓋的關(guān)鍵構(gòu)件需滿足大震不屈服的要求。大震工況荷載組合為1.0G+1Exy。

7.1 大震驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)分析，大震情況下的屋蓋整體計(jì)算結(jié)果如表8、表9所示。

經(jīng)大震時(shí)程分析，揭示出本工程主要構(gòu)件中的薄弱環(huán)節(jié)有下面幾處：

⑴光谷的薄弱環(huán)節(jié)主要有4 處（見圖7）：光谷外排中間部位的主梁、光谷中排中間部位主梁、光谷內(nèi)排外側(cè)主梁和光谷外排中間部位的支撐。

加強(qiáng)措施：光谷薄弱部位的主梁采用高強(qiáng)度鋼材，擬采用Q460B 牌號(hào)。光谷外排中部支撐擬采用加大截面的形式，截面尺寸同外部支撐，即由原設(shè)計(jì)的“方200×6”改成“方300×10”。

⑵ 中部桁架部位的薄弱環(huán)節(jié)主要有2 處（見圖8）：外排桁架端部腹桿和波浪橫向桁架轉(zhuǎn)折部位。

加強(qiáng)措施：外排桁架端部腹桿，擬采用加大截面的措施。波浪橫向桁架轉(zhuǎn)折部位擬采用“相關(guān)桿件加大截面+立體桁架三面加鋼板蒙皮”的加強(qiáng)措施。

7.2 采取針對(duì)性加強(qiáng)措施

罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)不同部位采用相應(yīng)的針對(duì)性加強(qiáng)措施后，只有光谷花瓣處2 道環(huán)梁矩形1 200×800×30×40 和矩形1 000×600×30×30 與花瓣主梁連接節(jié)點(diǎn)位置不滿足要求，略有超載。后期通過針對(duì)性的節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)措施（如環(huán)梁牌號(hào)改成Q460B，節(jié)點(diǎn)區(qū)域主梁和環(huán)梁加大截面厚度等）能滿足不屈服性能目標(biāo)。

表8 大震作用下屋蓋柱底總剪力（X向?yàn)橹鳎㏕ab.8 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Large Earthquake（X-direction is the Main Direction）

表9 大震作用下屋蓋柱底總剪力（Y向?yàn)橹鳎㏕ab.9 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Large Earthquake（Y-direction is the Main Direction）

圖7 光谷薄弱部位Fig.7 Weak Parts of The Valley

圖8 中部桁架薄弱部位Fig.8 Weak Parts of Central Truss

8 針對(duì)超限的結(jié)論和加強(qiáng)措施

經(jīng)過上述系列的分析可得下列結(jié)論：

⑴根據(jù)多遇地震時(shí)程分析結(jié)果，采用振型分解反應(yīng)譜法放大1.33倍計(jì)算結(jié)果為設(shè)計(jì)依據(jù)。

⑵屋蓋結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)不明顯，采用設(shè)計(jì)響應(yīng)比Kd=Sm/Su衡量行波影響，極少數(shù)桿件略大于一致激勵(lì)情況，在設(shè)計(jì)中予以針對(duì)性復(fù)核即可。

⑶中震、大震針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)和構(gòu)件進(jìn)行針對(duì)性增加截面或提高鋼材牌號(hào)等加強(qiáng)措施能滿足預(yù)設(shè)的普通構(gòu)件中震不屈服，關(guān)鍵構(gòu)件中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)要求。

9 結(jié)語

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)部分，東西走向屋蓋總長412 m，單元長度超過300 m，屬于大跨度超限建筑。采用SAP 2000 對(duì)這大跨度超限結(jié)構(gòu)進(jìn)行了行波效應(yīng)分析、小震時(shí)程、以及中、大震分析計(jì)算。經(jīng)系列分析，針對(duì)超限項(xiàng)目采取了針對(duì)性的加強(qiáng)措施。分析結(jié)果表明：該超長屋蓋行波效應(yīng)不明顯，本結(jié)構(gòu)抗震性能良好，能滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

本工程的超限分析內(nèi)容還包括了相應(yīng)的防連續(xù)倒塌分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析和施工模擬分析，限于篇幅，以上內(nèi)容不在本文論述。本工程其他的專項(xiàng)分析（包括溫度專項(xiàng)）則在后續(xù)施工圖階段進(jìn)行專門分析論證。