西安火車站站房建筑幕墻跨地裂縫構(gòu)造設(shè)計及受力分析

康志明

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市交通便捷化程度的提高以及鐵路客運公交化的推進(jìn)，中國鐵路建設(shè)進(jìn)入了高速跨越式發(fā)展時期，鐵路客運站也隨之成為城市的大型交通樞紐[1]。西安鐵路樞紐是西北地區(qū)最大的鐵路樞紐[2]，為滿足新時代的發(fā)展要求，位于西安鐵路樞紐核心的西安火車站于2014年啟動了改擴建工程，包括新建北站房、東配樓、高架候車室、地下交通空間及既有站房改造等幾部分[3]。就站房的形體和立面設(shè)計而言，建筑幕墻因具有建設(shè)周期短、質(zhì)量輕、施工方便等技術(shù)優(yōu)點，能夠呈現(xiàn)出交通建筑現(xiàn)代大方美觀的裝飾效果，顯著地改善鐵路建筑的整體外觀形象，而被廣泛地應(yīng)用于鐵路站房。建筑幕墻的推廣與應(yīng)用也為鐵路行業(yè)的發(fā)展提供了便利條件[4]。因此西安站改擴建工程中，針對西安火車站樞紐位于兩大歷史遺址間的這一獨特的城市空間特征[5]，站房大量采用了玻璃幕墻作為圍護結(jié)構(gòu)，塑造出現(xiàn)代與傳統(tǒng)呼應(yīng)、景觀與功能交織的建筑形象，如圖1所示。

圖1 西安站站房效果圖

1 研究背景

西安站位于唐大明宮遺址與明城墻之間，其中f3地裂縫從用地斜穿而過，如圖2所示。地裂縫是發(fā)育于地殼表層的一種巖土介質(zhì)的不連續(xù)或錯斷現(xiàn)象，是內(nèi)外力作用和人類活動等因素引起的地表破裂形跡[6]。地裂縫活動不僅會引起建筑結(jié)構(gòu)的破壞，還會導(dǎo)致建筑局部沉降、整體傾斜甚至倒塌[7]。因此跨越地裂縫的建筑不僅要保證主體結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，對圍護結(jié)構(gòu)也需進(jìn)行特殊設(shè)計，使幕墻在因受力變形過大時面板及龍骨不受到損壞，確保建筑立面的功能和完整。

圖2 西安站f3地裂縫走向示意(單位：m)

現(xiàn)有文獻(xiàn)中分別對建筑幕墻結(jié)構(gòu)以及地裂縫活動有了深入研究。黃強兵等[8]以西安地鐵穿越地裂縫帶為研究對象，分析了地裂縫活動對地鐵隧道的危害模式，從結(jié)構(gòu)、防水、地基基礎(chǔ)與變形監(jiān)測等方面提出了防治措施。劉妮娜[9]通過振動臺模型試驗，對穿越活動地裂縫的地鐵隧道的動力響應(yīng)進(jìn)行研究。馮若強[10]采用了模型試驗和數(shù)值模擬的方法，對單層平面索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究。李芊[11]基于玻璃幕墻安全使用影響因素，通過建立既有玻璃幕墻安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系，確立了安全風(fēng)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)對方案。劉軍進(jìn)[12-13]通過有限元分析和理論推導(dǎo)，揭示了隱框玻璃幕墻硅酮結(jié)構(gòu)膠在主體結(jié)構(gòu)側(cè)移下的變形機理，并提出張拉索桿支承結(jié)構(gòu)支承的點式玻璃幕墻因其建筑效果的通透性和力學(xué)美感。張山山[14]在既有玻璃幕墻現(xiàn)場檢測和試驗研究基礎(chǔ)上，提出采用面積法結(jié)合不確定層次分析法對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行綜合性評估。通過對已有文獻(xiàn)的整理可以發(fā)現(xiàn)，建筑幕墻和地裂縫的獨立研究較為成熟，但是對于跨越地裂縫的建筑幕墻構(gòu)造體系方面的研究還處于空白。本文提出了在西安站高架候車室幕墻跨地裂縫位置設(shè)置可豎向調(diào)節(jié)連接的設(shè)計方法，通過對靜力作用下的受力分析研究其受力特點，從而保證在地裂縫緩慢活動的情況下幕墻變形在可控范圍內(nèi)。

2 幕墻構(gòu)造設(shè)計及桿件受力分析

2.1 西安地裂縫活動特征

西安地裂縫是一種獨特的城市地質(zhì)災(zāi)害，主要成因是在過量開采承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，加上地貌界限、地層巖性條件(不均勻、濕陷等)、降雨及地表水入滲、建筑荷載及動荷載的影響，隱伏地裂縫擴張呈現(xiàn)于地表并發(fā)生位移而形成的地表破裂[15]。地裂縫的活動方式是蠕動，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南側(cè)(上盤)下降，北側(cè)(下盤)相對上升。其南側(cè)影響范圍一般為20 m，其中主變形區(qū)0～6 m，微變形區(qū)6～20 m；北側(cè)影響范圍一般為12 m，其中主變形區(qū)0～4 m，微變形區(qū)4～12 m，主變形區(qū)的地裂縫活動速率明顯大于微變形區(qū)的活動速率，活動速率按5 mm/a設(shè)防考慮[16]，西安地裂縫有垂向位移、水平拉張和水平扭動共3個方向的活動。擬建場地的f3地裂縫基本呈隱伏狀態(tài)，現(xiàn)近活動性整體較弱，活動速率較低。比照其他地段的監(jiān)測資料及地表破壞形式，推斷擬建場地的f3地裂縫活動速率不大于5 mm/a。

在地裂縫上盤地基長期下沉和少量水平張拉的共同作用下，基礎(chǔ)的不均勻沉降不斷累積增大，上部建筑物產(chǎn)生開裂和錯位，進(jìn)而引起幕墻的變形與開裂。這些破壞形式會給人們正常生活和工程活動帶來不同程度的制約和損失，因此研究地裂縫對圍護結(jié)構(gòu)的災(zāi)害影響是防災(zāi)減災(zāi)、保障人民和工程安全的重要環(huán)節(jié)。

2.2 幕墻構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計方案

目前跨越地裂縫修建的大型公共建筑實例極少，建筑幕墻跨地裂縫的構(gòu)造措施及應(yīng)用更是無據(jù)可查，該領(lǐng)域的設(shè)計及施工尚無指導(dǎo)性的技術(shù)方案可鑒。本設(shè)計研究提出建筑幕墻跨地裂縫的可行構(gòu)造措施，填補了該領(lǐng)域技術(shù)空白。本項目中10 m高架候車層為簡支梁結(jié)構(gòu)、18 m商業(yè)夾層為雙跨梁結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上本設(shè)計提出了一種跨地裂縫建筑幕墻的豎向可調(diào)節(jié)構(gòu)造系統(tǒng)。其主要作用是在建筑主體發(fā)生沉降時，系統(tǒng)中的相關(guān)構(gòu)造措施可在設(shè)計允許范圍內(nèi)吸收沉降造成的豎向位移，從而保障幕墻系統(tǒng)的安全性；同時，由于建筑主體沉降造成幕墻系統(tǒng)變形后，通過調(diào)節(jié)裝置對幕墻龍骨進(jìn)行豎向調(diào)節(jié)，使幕墻體系的變形得以恢復(fù)。該構(gòu)造系統(tǒng)主要包括：主體鋼結(jié)構(gòu)、附屬鋼結(jié)構(gòu)、幕墻龍骨及調(diào)節(jié)裝置、豎向滑動支座、鋼結(jié)構(gòu)鏈桿及幕墻面板等。

西安站f3地裂縫斜跨整個高架候車層，主體結(jié)構(gòu)根據(jù)地質(zhì)條件分為3個區(qū)域[17]，建筑幕墻根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的布置形式也劃分為3個區(qū)域?？烧{(diào)節(jié)幕墻系統(tǒng)設(shè)置在中部跨越地裂縫的結(jié)構(gòu)區(qū)域，在南、北非跨越地裂縫的結(jié)構(gòu)區(qū)域仍采用常規(guī)的幕墻構(gòu)造方式，可調(diào)節(jié)幕墻系統(tǒng)和常規(guī)幕墻系統(tǒng)之間采用垂直變形縫進(jìn)行連接，如圖3所示。

圖3 車站整體幕墻立面

根據(jù)建筑立面幕墻整體效果分格，合理布置幕墻龍骨間距，將可調(diào)節(jié)幕墻系統(tǒng)按樓層分為上、下兩層，如圖4所示。幕墻上層結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造措施：幕墻龍骨頂部通過調(diào)節(jié)裝置固定到建筑主體結(jié)構(gòu)的附屬鋼結(jié)構(gòu)上，如圖5所示。幕墻龍骨中部和底部通過豎向滑動支座連接到建筑主體鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)，如圖6所示。幕墻下層結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造措施：幕墻龍骨頂部通過調(diào)節(jié)裝置固定到建筑主體鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)，幕墻龍骨底部通過鋼結(jié)構(gòu)鏈桿連接到主體鋼結(jié)構(gòu)上，如圖7所示。

圖4 上、下層幕墻龍骨

圖5 幕墻上層頂部結(jié)構(gòu)

圖6 幕墻上層底部和下層頂部結(jié)構(gòu)

圖7 幕墻下層底部結(jié)構(gòu)

幕墻龍骨與調(diào)節(jié)裝置相對應(yīng)的連接位置均設(shè)置有耳板，通過耳板和螺栓實現(xiàn)鉸接。調(diào)節(jié)裝置包括限位器和連接螺桿，限位器頂板上方的連接螺桿上設(shè)置有限位螺栓，限位器底板下方的連接螺桿上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺栓，如圖8所示。通過對螺栓的擰動和限位器的上下移動，實現(xiàn)幕墻龍骨進(jìn)行豎向位置的調(diào)節(jié)，最大豎向調(diào)節(jié)量可達(dá)50 mm。豎向滑動支座上開設(shè)豎向的長圓孔，插入限位螺桿，有效限制了幕墻龍骨的水平位移，并控制其豎向位移量，如圖9所示。

圖8 幕墻龍骨調(diào)節(jié)裝置

圖9 豎向滑動支座

通過對跨地裂縫區(qū)域建筑主體沉降量進(jìn)行科學(xué)合理的計算，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降時，在設(shè)計允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)中豎向滑動支座及鋼結(jié)構(gòu)鏈桿可吸收沉降造成的豎向位移，以保障幕墻系統(tǒng)的安全性。當(dāng)幕墻體系發(fā)生豎向變形時，可擰動位于幕墻龍骨頂部調(diào)節(jié)裝置上的螺栓，將幕墻龍骨進(jìn)行豎向調(diào)節(jié)，從而恢復(fù)建筑沉降造成的幕墻體系變形，以滿足建筑外立面的美觀。采用與建筑立面效果分格對應(yīng)的獨立豎向龍骨布置形式，并將幕墻龍骨按樓層分為上、下兩層，使整個幕墻面板在外觀上是整體的，但幕墻體系被分隔為各自獨立的單元，這樣可針對建筑不同部位的沉降量，做到對每個獨立的幕墻單元進(jìn)行不同位移量的調(diào)節(jié)。幕墻龍骨采用分層的下掛方式，可有效地減輕幕墻單元的自重，調(diào)節(jié)裝置位于幕墻龍骨頂部，方便檢修人員進(jìn)行調(diào)節(jié)操作。

2.3 幕墻選材及規(guī)格

橫跨地裂縫的玻璃幕墻類型為全明框玻璃幕墻和豎隱橫明玻璃幕墻。高架候車層玻璃幕墻(3.5～7.7 m)采用全明框玻璃幕墻。明框式玻璃幕墻是最為傳統(tǒng)的玻璃幕墻形式，應(yīng)用也最為廣泛，工作性能也相對可靠，相對于隱框式玻璃幕墻而言，其更容易滿足施工技術(shù)水平的要求[18]。此外明框玻璃幕墻不僅玻璃參與室內(nèi)外傳熱，鋁合金框也參與室內(nèi)外傳熱。在一個幕墻單元中，玻璃面積遠(yuǎn)超過鋁合金框的面積，因此玻璃的熱工性能在明框玻璃幕墻中占主導(dǎo)地位。面板采用6Low-e+12A+6鋼化中空超白玻璃，豎向龍骨采用□160×80×5鋼方管，橫向龍骨采用□80×80×4鋼方管，鋼材均為Q235B，采用氟碳噴涂。各種五金件、連接件設(shè)計，要防止不同金屬相接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[19]。商業(yè)夾層及以上玻璃幕墻(11.5～20.8 m)采用的是豎隱橫明玻璃幕墻，面板采用6Low-e+12A+6鋼化中空超白玻璃，豎向龍骨采用□200×100×6鋼方管，橫向龍骨采用□100×100×4鋼方管，鋼材均為Q235B，采用氟碳噴涂。裝飾條材質(zhì)均為6063-T5，鋁型材室內(nèi)外可視面氟碳噴涂，其余陽極氧化處理，非透明部分采用3 mm厚鋁單板背襯。

2.4 幕墻桿件受力模型分析

此次西安站改擴建工程的設(shè)計中，幕墻結(jié)構(gòu)安全等級為二級，重要性系數(shù)γ0為1.0。主體幕墻基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2(100年一遇)。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第二組，特征周期為0.40 s，場地類別為Ⅱ類。耐火等級不低于二級，地下部分為一級。幕墻的耐久年限不小于25年。在實際結(jié)構(gòu)分析計算中，幕墻立柱的計算常采用簡支梁、雙跨梁、多跨鉸接連續(xù)梁和連續(xù)梁等力學(xué)模型[20]。玻璃幕墻龍骨上的7種不同鋼桿件通過Midas Gen 8.0軟件建立有限元模型，對其進(jìn)行靜態(tài)分析計算并滿足GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求。

桿件基本情況：本項目工程中桿件材料均選用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，此種材料的抗拉強度為235 MPa，壓縮模量為2.06×108Pa，計算長度系數(shù)為Ky=1.00，Kz=1.00。在計算等效彎矩系數(shù)中，1、5、6、7號桿件βmy=1.00，βmz=1.00，而2、3、4號桿件βmy=0.85，βmz=0.85。在進(jìn)行強度設(shè)計時凈截面特征值調(diào)整系數(shù)為0.85，如表1所示。

表1 桿件形式及尺寸

對7種桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸力、彎矩、端部彎矩、剪力的計算；通過長細(xì)比、軸向應(yīng)力驗算、彎曲應(yīng)力驗算、整體穩(wěn)定驗算(壓縮+彎曲)以及剪切強度驗算來判斷桿件是否達(dá)到強度要求。

應(yīng)力比對疲勞裂紋擴展有明顯的影響，高應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴展速率明顯快于低應(yīng)力比條件下的擴展速率[21]。細(xì)長桿件的撓度是指在變形時其軸線上各點在該點處軸線法平面內(nèi)的位移量。工程中桿件的桿件應(yīng)力比、撓度變形如圖10、圖11所示。

圖10 桿件應(yīng)力比

通過分析計算，桿件長細(xì)比均小于150，桿件最大應(yīng)力為186.15 MPa，應(yīng)力比為0.87，設(shè)計指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

圖11 桿件撓度變形

由圖11可見，在水平風(fēng)荷載作用下，構(gòu)件最大變形發(fā)生在跨中位置，最大值為32.14 mm，約為跨度的1/311，滿足規(guī)范要求。

通過以上分析計算可見在進(jìn)行強度驗算時，長細(xì)比KL/r需小于150.0，軸向應(yīng)力比N/Nrc需小于1.000，彎曲應(yīng)力比My/Mry、Mz/Mrz需小于1.000，整體穩(wěn)定驗算(壓縮+彎曲)小于1.000，剪切強度比Vy/Vry、Vz/Vrz小于1.000，且7種桿件均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

3 結(jié)語

西安站改建工程高架候車室跨地裂縫幕墻圍護構(gòu)造系統(tǒng)研究項目，通過對幕墻的設(shè)計方案進(jìn)行受力對比分析，借助Midas Gen 8.0軟件建立有限元模型對其進(jìn)行靜態(tài)分析，提出了一種跨地裂縫建筑幕墻的豎向可調(diào)節(jié)構(gòu)造系統(tǒng)。此構(gòu)造措施使幕墻系統(tǒng)在建筑主體發(fā)生沉降時，在設(shè)計允許的范圍內(nèi)吸收沉降造成的豎向位移，保障幕墻系統(tǒng)的安全性；同時，通過調(diào)節(jié)裝置上的螺栓對幕墻龍骨進(jìn)行豎向調(diào)節(jié)，來恢復(fù)建筑沉降造成的幕墻體系變形，以滿足建筑幕墻的整體性及美觀要求。

這種創(chuàng)新性的建筑幕墻跨地裂縫構(gòu)造設(shè)計，在確保主體結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的前提下，能夠有效避免地裂縫活動引起建筑圍護結(jié)構(gòu)的破壞；同時，保證在地裂縫緩慢活動的情況下幕墻變形在可控范圍內(nèi)，使幕墻在因受力變形過大時面板及龍骨不受到損壞，確保建筑立面的功能和完整。該構(gòu)造設(shè)計方案為大型公共建筑幕墻跨地裂縫設(shè)計提供了新的思路，具有一定的參考及推廣價值。