上海西火車站站房結構設計

邊建烽

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510060）

上海西站位于位上海普陀區(qū)，是滬寧城際軌道交通線上站房之一。站房平面呈矩形狀，東西長約124m，南北長為25.4m，結構總高約17.5m，東、西兩側局部有兩層輔助功能用房，層高為5.4m，中部為17.5m通高，南北跨度為25.4的候車廳，四周均為玻璃幕墻。

1 結構概況

綜合建筑功能、幕墻形式、結構安全、經(jīng)濟等因素，本工程實施階段采用框架結構體系，框架柱柱距為10m，局部候車廳中部由于建筑立面要求，柱距達20m。屋蓋結構采用了正放四角錐平板網(wǎng)架，網(wǎng)架點支承于周圈24根框架柱上，網(wǎng)架采用結構找坡，厚度約為1.5~2.1m，由于網(wǎng)架結構對整個長達125m起到一個平面協(xié)調的作用，在設計上不進行分縫處理，因此，為較小溫度效應對支承網(wǎng)架柱的影響，在局部柱頂設置了抗震球形彈性支座。幕墻與結構的關系是本工程關鍵點之一，由于空間通高達17.5m，東、西、南側幕墻在5.4m以上往外懸挑約2.5m，只能支承于上下孤框架梁上，框架梁受力較為復雜，為雙向受彎構件。通過與幕墻單位協(xié)商，為減小幕墻結構對整體結構的聯(lián)系，明確兩者的支撐與被支撐的關系，減小幕墻的受力負擔，幕墻采用上掛形式，豎向荷載由10.8m標高處的大框架梁承受，側向風荷載則由梁柱組成的豎向平面支撐和網(wǎng)架屋蓋組成的空間抗側體系承受。圖1、2分別為上海西建筑效果圖和二層建筑平面圖。

圖1 上海西站房效果圖

圖2 二層建筑布置圖

由于場地具有較厚的回填土及軟弱層，本工程基礎采用鉆孔灌注樁，樁長約40m。場地抗震設防烈度為7度（0.1g），按上海地方標準，特征周期為0.9s，由于結構屋蓋為鋼結構，適當考慮阻尼比折減，取為0.045。乙類建筑框架結構抗震措施提高一度，抗震等級為二級。50年一遇基本風風壓和基本雪壓分別為 0.55kN/m2和 0.2kN/m2。

內部夾層框架柱截面主要為600×600，周圈支撐上部網(wǎng)架柱主要截面為800×1200和 1200×1200 及 1100×1200。

2 結構計算設計

由于本工程除屋蓋網(wǎng)架為較為完整的平面協(xié)調結構（在東西兩側局部有掏空）外，其余只有局部夾層的樓板，整個結構樓板嚴重不連續(xù)，如果采用一般的層模型進行結構分析，結構在風荷載計算及傳遞上存在一定問題，尤其對柱子的設計存在較為嚴重的安全隱患。因為層模型的假定導致在計算分析中，無法計算出柱子的扭矩值，按《混凝土結構設計規(guī)范》[1]第7.6.13條，柱子應考慮軸力、剪力、扭矩及彎矩共同作用的驗算。而對于本工程柱子，尤其是中間候車廳入口20m的柱子及角柱，在風荷載作用下柱子扭矩不可忽略，從后續(xù)分析看，實際上抗扭截面限值起到了控制作用。從概念上分析結構體系來看，南北方向實際上是單榀排架，網(wǎng)架實際上是連接彈性桿，因此，在設計中無夾層處的柱子在南北方向計算長度按規(guī)范取為1.5倍的柱子凈高。由于網(wǎng)架結構不僅僅是承受豎向荷載，實際上是重要的水平協(xié)調構件，其與支承柱的連接尤其重要，只有將其與作為主體結構整體建模才能充分考慮到其安全性。因此，本工程采用了sap2000作為計算設計程序。結構計算考慮偶然偏心地震作用、扭轉耦連。考慮到幕墻和結構結合密切，本工程分析當中考慮了以下兩個不同的分析模型進行包絡設計，第一種情況為模型中不含幕墻結構，僅將幕墻荷載作用到主體作用點上；第二種情況為模型將主體結構和幕墻結構整體建模。圖3為帶有幕墻結構的計算模型。

由于本工程長度達125m，屋蓋采用網(wǎng)架結構，溫度作用不可忽略，為減小溫度影響，通過試算分析，最后在柱頂設置抗震球形鋼支座，支座南北方向與柱子為固定鉸連接，縱向則為彈性鉸接支座，支座剛度為5kN/mm。

圖3 結構整體分析模型

結構整體計算的主要指標見下表1。

表1 結構整體計算主要結果

圖4 Y方向風荷載下南面柱子扭矩圖

圖4給出了Y方向風荷載標準值作用下中間20m跨柱的扭矩圖，扭矩達到了345kN—m，角柱也達到了150kN—m，這些扭矩對柱子的剪扭設計不可忽略，需要加以重視。通過柱頂設置彈性支座后，溫度作用顯著降低，對結構設計影響不大，僅在設計中對適當加強即可滿足要求。

結論

火車站站房結構設計具有跨度大、樓板布置不連續(xù)或嚴重缺失，其完全不起空間協(xié)調作用，幕墻與結構關系緊密，尤其是存在大量的臨空幕墻須有框架柱及其上部支承屋蓋共同組成抗風體系等特點。我國目前正在大量新建高速鐵路，通過上海西站的設計經(jīng)歷，針對此類結構，須采用空間有限元分析軟件,如sap2000等進行分析，而不能簡單采用以層為基本單位的分析模型，這樣容易造成周邊框架柱的安全隱患；在具體設計中，看結構整體指標等可以不必考慮幕墻的結構作用，僅需考慮其荷載即可，而對于具體構件的驗算，建議在模型中帶入幕墻支承于結構上的支點一定范圍內的幕墻結構，以準確計算其對支承結構（梁、柱）的作用；網(wǎng)架屋蓋在設計中應該整體建入模型，其不僅僅是承受豎向荷載，其更重要的是對結構起到了一個協(xié)調整合的作用，是結構抗側的重要組成部分，設計中應加強其與柱子的連接，加強支座附近的腹桿，適當降低其截面利用率。

[1] 中華人民共和國國家標準.混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2002[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.