煙臺火車站大跨度拱架固定鉸支座設計

趙建強,朱丹暉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

1 概況

新建鐵路煙臺站站房方案構思是以巨型拱門為立意,預示著城市面向世界,面向未來的“門戶”。中央大拱為雙層鋼網殼結構,網殼厚度3.5～5.0 m,最高點距地面60 m,東西方向跨度為114 m,南北方向長152.5 m,中部高度40.5 m,為一馬鞍形空間鋼結構,詳見圖1。大拱采用雙層網殼結構，大拱投影面積為1.5萬m2,總用鋼量1 100 t,結構安全等級為一級。大拱下部采用鋼筋混凝土剪力墻承重,墻厚700～1 000 mm,大拱通過抗震球形固定鋼鉸支座支撐于剪力墻上。因受下部鐵路站場等特殊條件的限制,大拱支座單側僅僅設置了8個支座,兩側對稱,共16個支座,單側支座間距為3.5～22.1 m,詳見圖2。大拱支座間距相差較大,給大拱受力帶來不利因素,支座型式的選擇及支座下預埋件的設計難度較大。

圖1 煙臺火車站建筑立面

圖2 網殼平面及支座布置(單位：mm)

2 支座選型

考慮大拱體量較大,受力情況復雜,對位移變形要求較高,所以對大拱進行應力分析時按固定鉸支座計算。經過對計算結果的分析,從支座反力中挑選出了最不利支座反力進行支座設計,并采用其余不利組合校驗，見表1。

表1 支座最大反力統計

從計算結果可知,支座受力較大,而且該結構屬于大型公共建筑,對安全性要求較高,選擇安全耐用的支座型式就尤為重要。

目前可應用的結構支座的類型很多,常用的支座有球形鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座、減震支座以及混凝土支座等。其中球形鋼支座傳力可靠,轉動靈活,它不但具備盆式橡膠支座承載能力大,容許支座位移大等特點,而且能更好地適應支座大轉角的需要,與盆式支座相比具有下列優點。

(1)球形鋼支座通過球面傳力,不出現力的縮頸現象,作用在混凝土上的反力比較均勻。

(2)球形鋼支座通過球面聚四氟乙烯板的滑動來實現支座的轉動過程,轉動力矩小,而且轉動力矩只與支座球面半徑及聚四氟乙烯板的摩擦系數有關,與支座轉角大小無關,特別適用于大轉角的要求,設計轉角可達0.05 rad。

(3)支座各向轉動性能一致,適用范圍廣。

(4)支座不用橡膠承壓,不存在橡膠老化對支座轉動性能的影響,特別適用于低溫區。

普通的橡膠支座使用年限有一定限制,且使用過程中需要更換,而其他支座則難以承受如此大的復雜荷載,綜合考慮本工程的重要性及使用條件,決定選用抗震球形固定鋼鉸支座。支座上部與焊接空心球底座采用摩擦型高強螺栓連接,支座底部與埋件鋼板焊接。抗震球形固定鋼鉸支座結構見圖3。

根據支座的受力情況,選定抗震球形固定鋼鉸支座技術參數如表2所示。

圖3 抗震球形固定鋼鉸支座(單位：mm)

表2 抗震球形固定鋼鉸支座(KQGZ)技術參數

3 支座連接計算

支座與上部焊接球節點底板采用高強螺栓連接,本支座采用24根10.9級M33摩擦型高強螺栓連接。支座底板與預埋板的連接及預埋件的設計較為復雜。

(1)計算條件

焊縫為部分熔透焊,焊縫有效高度20 mm。每側焊縫長750 mm,共4條。焊縫采用E50型焊條,焊縫抗剪設計值采用170 MPa。支座反力見表2,計算簡圖見圖4。

圖4 支座焊縫計算簡圖(單位：mm)

(2)計算依據：《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)

(3)強度計算

根據《鋼結構設計規范》(TB50017—2003)7.1.3-1、7.1.5條

在合力作用下根據7.1.3-3式

焊縫1

焊縫2

焊縫受力均小于焊縫強度設計值170 MPa,焊縫滿足受力要求。

4 埋件計算

支座底板通過預埋件與下部鋼筋混凝土剪力墻連接,埋件承受的內力較大,在常用的手冊和國標圖集中難以查到合適的埋件,所以需要對埋件另行設計。根據最不利支座反力,剪力墻內的埋件設計可以分為拉剪埋件和壓剪埋件,設計中為了減少埋件的種類,埋件偏安全地按拉、壓、剪設計,拉力由錨栓承擔,剪力由抗剪角鋼及抗剪鋼板共同承擔。

4.1 抗剪角鋼設計

因水平力為埋件設計的控制內力,“對于有抗震設防要求及直接承受動力荷載的預埋件不考慮壓力N產生的摩擦力0.3N”[1],全部水平力應由抗剪鋼板和角鋼共同承擔。故可以根據水平力初步估算角鋼根數。抗剪鋼板的計算公式如下[2]

0.7×k2×Av×fc≥0.3Vu；

式中k2——承載力折減系數；

Av——抗剪鋼板承壓面積,Av=av×hv；

av——抗剪鋼板長度；

hv——抗剪鋼板高度；

Vu——配置直錨筋與抗剪鋼板的預埋件的受剪承載力設計值。

配置角鋼的錨筋的預埋件設計值[2]

式中Wmin——中和軸與剪力方向垂直的角鋼最小彈性截面抵抗矩；

b′——角鋼肢寬度；

n——角鋼根數；

ar——沿剪力方向錨筋排數影響系數,對2排錨筋,取1.0,3排取0.9,4排取0.85；

fy——鋼筋抗拉強度設計值(Q235fy=300 MPa)；

fc——混凝土抗壓強度設計值(C40fy=19.1 MPa)。

角鋼型號選擇時應考慮剪力墻中受力鋼筋的間距影響,鋼筋間距為130 mm,如果角鋼肢寬大于130 mm,則因角鋼和鋼筋抵觸,而難以插入墻內。待肢寬確定應后盡量采用厚角鋼,以便增大Wmin,根據以上條件確定選用等邊角鋼L100×16,其特性指標為：Wmin=37 829 mm3,fy=300 MPa,fy=19.1 MPa，ar=0.85,k2=0.7，b′=100 mm,將該這些據代入上式,解得n=14,角鋼選用14根。

4.2 確定錨板尺寸

角鋼根數確定以后,下一步則根據構造要求進行角鋼布置。

(1)錨板厚度

(2)錨筋(角鋼)間距

邊距：順剪力方向(以下簡稱x向)，ca≥3.5t且≥25 mm；經計算,實際取125 mm。垂直剪力方向(以下簡稱y向)，cb≥3.0t且≥25 mm；經計算cb實際取150 mm。

中距：x向，b1≥3.0b′=300 mm,y向取300 mm。

(3)鋼支座底板和混凝土剪力墻平面尺寸對錨板的約束影響

因鋼支座底板和埋件頂板采用焊縫連接,錨板平面大小應大于球形鋼支座的底板尺寸,查得球形鋼支座的底板為750 mm×750 mm。

根據以上計算,結合實際情況,順大剪力方向(X向)5排,每排3根,角鋼選用15根。則預埋板尺寸采用1 200 mm×1 600 mm,厚度30 mm。抗剪鋼板采用高度100 mm,厚18 mm鋼板。

4.3 抗剪鋼板驗算

抗剪鋼板抗剪能力按雙向分別計算：0.7×k2×Av×fc=2 567 040 N=2 567 kN≥0.3Vu=1 570.4 kN；

說明抗剪鋼板僅需2根即可,其余抗剪鋼板可作為安全儲備。

4.4 錨栓驗算

錨栓僅承擔拉力,受底部混凝土尺寸限制,預埋件僅可布置8根錨栓,則每根錨栓僅承擔拉力值為：F=Nz/8=498.8 kN。由鋼結構規范表3.4.1-4查得Q345級錨栓拉力設計值為180 MPa,則錨栓直徑D=60 mm。由于預埋件構件較多,且與下部混凝土構件中鋼筋交叉,為了確保支座安全,可增大錨栓直徑,以增加安全儲備,最終選定采用M85錨栓。

5 支座安裝

由于預埋件較多,和下部鋼筋混凝土結構中鋼筋多有交錯,施工過程中加強觀測,混凝土澆筑時派專人在場監控支座定位情況,通過對施工過程的嚴格控制,埋件就位良好,后續支座安裝定位準確。支座及預埋件施工現場圖片詳見圖5、圖6。

圖5 支座現場施工圖片

圖6 預埋件圖片

6 結語

煙臺站改造工程已竣工3年并獲得國家優質工程獎銀獎,期間經歷了大風雨雪天氣,經長期觀測大拱結構及支座使用情況良好。事實證明,該工程抗震球形鋼鉸支座選型合理,設計安全可靠。通過該支座的設計,有以下幾點體會：

(1)建筑工程日趨新穎,結構設計荷載復雜,選用合理的支座是結構設計成功的必要因素；

(2)抗震球形鋼支座技術成熟,安裝簡便,在鋼與鋼筋混凝土結構連接時可優先采用；

(3)支座設計時應重視預埋件及加勁構件設計,并應考慮施工便利性。施工時應采取措施保證預埋件準確就位；

(4)有條件時,應采用有限元軟件對支座進行數值分析,以便為設計提供參考,保證設計安全。

參考文獻：

[1] GB50017—2003 鋼結構設計規范[S].

[2] JGJ82—91 鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規范[S].

[3] 李星榮,魏才昂,丁峙崐,等.鋼結構連接節點設計手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

[4] 劉保紅.煙臺火車站站房建筑設計[J].鐵道標準設計,2010(11)： 97-100.

[5] 張繼合.煙臺火車站彩虹拱的結構設計[J].鐵道標準設計,2008(6)：103-106.

[6] 張彥明.煙臺火車站異型懸挑網架安裝方案選擇及關鍵技術[J].建筑技術，2009(10)：103-106.

[7] 施曉.煙臺火車站站房結構設計[J].鐵道標準設計,2009(1)：103-105.

[8] 梅季魁,劉德明,姚亞雄.大跨建筑結構構思與結構選型[M].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[9] 藍天,張毅剛.大跨度屋蓋結構抗震設計[M].北京：中國建筑工業出版社,2000.

[10] 周學軍.鋼結構設計規范GB50017 應用指導[M].濟南：山東科學技術出版社,2004.