西寧站站房傾斜框架柱和拱形鋼桁架結構設計研究

黃永安

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

西寧站位于青海省會西寧市，為蘭青線上的區段站，東距蘭西編組站約204 km，西距柯柯區段站約428 km，距格爾木區段站約為832 km。

西寧站站房建筑面積59 866 m2。地上主體3層，局部4層，主體結構采用鋼筋混凝土預應力框架結構，屋蓋采用拱形鋼桁架結構，桁架跨度79 m，支撐于傾角18°鋼筋混凝土預應力框架柱上。站房最高點建筑高度為47.78 m。建筑形態以流動的水平線條體現三江源的意向，同時形體上傳達出雄鷹展翅騰飛的寓意。整體造型著力體現厚重雄渾的感覺，與青海的壯美相呼應，西寧站建筑效果圖見圖1。

圖1 西寧站建筑效果圖

2 主要技術標準

站房結構設計使用年限50年，耐久性按100年設計。為了滿足站房結構的耐久性要求，在結構設計中采用以下標準:(1)基本風壓和基本雪壓均按100年一遇取值;(2)建筑結構的安全等級為一級，結構重要性系數為1.1;(3)鋼筋混凝土結構設計中所采用的混凝土最低強度等級、配合比及相關參數、鋼筋的保護層厚度均按耐久性為100年確定［1-2］;(4)西寧市的抗震設防烈度為7度，設計地震動峰值加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，地震動反應譜特征周期為0.35 s。主站房的抗震設防類別為重點設防類(乙類建筑)，按設防烈度7度進行抗震計算，按設防烈度8度采取抗震措施［3］;主站房鋼筋混凝土框架結構的抗震等級為一級［4］。

3 結構分析及設計

采用空間通用有限元軟件MIDAS Gen Ver.795建立站房整體模型，對結構進行整體計算，合理確定混凝土構件的截面尺寸和內力，并對鋼結構構件進行設計;采用SAP2000 V15建立整體模型，對MIDAS的計算結果進行復核。分析過程中，各軟件模型的荷載取值、桿件截面、構件布置應保證統一，各構件的邊界條件盡量相同，西寧站結構整體三維模型見圖2。

圖2 西寧站結構整體三維模型

3.1 結構模型施工階段模擬分析及設計

西寧站剖面見圖3，由于鋼筋混凝土框架柱有18°傾角，并且鋼結構屋蓋為拱形造型，鋼筋混凝土柱在受到豎向力的同時，也承受柱自重和拱形鋼桁架產生的水平推力。由于結構在不同的施工階段，鋼筋混凝土傾斜柱都會發生變形和呈現不同的內力狀態，在每個施工階段內，鋼筋混凝土為線性受力特性，但在整個施工過程中，其受力為非線性特性。通過整體模型計算，無法準確計算各施工階段桿件的受力。因此，在西寧站站房結構模型計算中采用分階段模擬施工計算方法。

圖3 西寧站剖面(單位:m)

施工階段模擬分析分為4個施工階段:第一施工階段為-11.5 m高程到10.0 m高程鋼筋混凝土結構完成;第二施工階段為10.0 m高程到30.55 m高程鋼筋混凝土結構完成;第三施工階段為屋面鋼結構安裝完成;第四施工階段為屋面圍護體系完成后的整體模型。計算中通過施工分析模塊考慮10 m和17 m高程施工荷載及混凝土的收縮和徐變因素。

通過施工模擬分析，傾斜框架柱在施工過程中由于混凝土柱自重及17.0 m高程結構自重引起的柱頂變形和內力，對整體結構的內力影響得到考慮。施工模擬分析與整體模型計算結果對比見表1和圖4。

由表1對比分析可知，施工模擬分析結果與整體模型計算結果相比較，拱形鋼桁架跨中下弦桿拉力減少15%，上弦桿壓力變化不大;支座處下弦桿壓力增加16%，上弦桿拉力減少14%。鋼桁架在10軸線到11軸線范圍內上、下弦桿內力均減少15%。傾斜框架柱10 m高程彎矩增加15% ～20%，17 m高程彎矩增加200%。在變形方面，在整體模型計算中，傾斜柱頂最大位移為36 mm;施工模擬計算中，傾斜柱頂最大位移為78 mm;通過施工模擬釋放了在施工階段鋼屋架對傾斜柱的水平約束，降低了鋼桁架的應力狀態，與實際施工更加的吻合，并且充分利用了鋼桁架的自身剛度，減少鋼桁架總用鋼量15%［5-6］。對于下部傾斜混凝土柱由于釋放了柱頂水平約束，傾斜柱變為懸臂柱，柱頂水平位移和根部彎矩均大幅增大［7］。通過施工模擬分析，傾斜混凝土柱受力和變形更為不利，需要對傾斜柱進行加強設計。

表1 構件內力對照(一)

圖4 施工階段單榀模型彎矩圖(局部)(單位:kN·m)

3.2 預應力鋼筋混凝土傾斜柱計算及設計

通過施工模擬分析，傾斜框架柱10 m高程彎矩增加15% ～20%，17 m高程彎矩增加200%，且柱頂最大位移78 mm。為了有效控制傾斜柱的截面開裂和變形，設計采用預應力鋼筋混凝土柱。由于傾斜柱受力狀態復雜，選擇并確定合適的預應力筋曲線和位置就成為預應力混凝土柱設計的關鍵［7］。根據預應力筋的外形和位置應盡可能與彎矩圖一致和預應力筋的布置形狀應該使張拉預應力筋所產生的等效荷載與外部荷載的分布在形式上應基本一致的原則［8-9］，設計中對高架候車區兩個軸線傾斜柱受力的不同特點采用了不同的預應力曲線。傾斜柱彎矩圖和預應力曲線對照見圖5。

圖5 彎矩圖與預應力曲線對照(單位:mm)

由于預應力筋張拉施工應在拱形鋼屋架安裝之前完成，在此施工階段傾斜柱承受自重和17 m高程樓面自重荷載作用，傾斜柱頂不受彎矩作用，在17 m和10 m梁柱節點處產生較大負彎矩。由于彎矩圖形趨向直線，并且邊柱10 m高程到17 m高程柱有反彎點，故邊柱預應力筋采用直線形和折線形結合的布置形式;中柱采用直線形布置形式并且柱頂預應力筋均布置在柱中心，避免產生次彎矩。

按照以上預應力曲線布置，在施工模擬計算模型第三施工階段前增加預應力加載施工階段。施工模擬計算模型增加為五個施工階段。施工模擬分析與整體模型計算結果對比見表2。

表2 構件內力對照(二)

由表2對比分析可知，通過給傾斜柱內設置預應力筋，柱頂水平方向位移減少近35%，并且疊加預應力等效彎矩后的傾斜柱根部支座彎矩減小15%，截面最大裂縫值由0.433 mm減小到0.258 mm，有效地控制了傾斜柱的水平變形和截面裂縫。通過對傾斜柱體內設置預應力，站房結構承載力、變形和裂縫均滿足現有規范要求［10-11］。

4 結語

由于西寧站站房主體結構獨特的結構形態，傾斜框架柱受豎向荷載的二階效應明顯，導致結構各個施工階段的內力狀態不同，并且傾斜框架柱的截面裂縫和側向變形難以控制，設計過程中針對工程特點和難點進行了研究和分析得到以下結論。

(1)設計中采用的施工模擬分析方法和設計思路，更加準確地計算出了結構不同施工階段的受力狀態，優化了站房結構的受力狀態，節約了站房工程費用。并且此種設計思路可以在其他大型旅客站房設計中得到推廣和引用，縮短了工程建設周期，保證大型站房結構和鐵路運營安全。

(2)設計中通過計算比選最終確定合理的預應力線形布置形式，有效控制了傾斜框架柱的變形和根部設計彎矩。

(3)預應力傾斜柱設計成果提供了傾斜鋼筋混凝土預應力框架柱的設計方法和思路，對鋼筋混凝土柱內預應力研究具有參考價值。

(4)對于拱形鋼桁架，通過合理結構模擬計算，使得結構受力明確、構造相對簡單，并且減少了鋼結構總用鋼量，節約了工程費用［12］。

［1］中國建筑科學研究院.西寧站站房及風雨棚風洞測壓試驗報告［R］.北京:中國建筑科學研究院，2011.

［2］中國建筑科學研究院.西寧站站房及風雨棚風致振動分析報告［R］.北京:中國建筑科學研究院，2011.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50011—2010 建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［4］蔡玉軍.哈大客運專線沈陽站站房結構設計與分析［J］.鐵道標準設計，2013(3):106-111.

［5］中華人民共和國建設部.GB 50017—2003 鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［6］趙建強，朱丹暉.煙臺火車站大跨度拱架固定鉸支座設計［J］.鐵道標準設計，2012(6):127-131.

［7］黃剛.昆明南火車站結構設計研究［J］.鐵道標準設計，2013(6):136-139，146.

［8］林同炎.預應力混凝土結構設計［M］.北京:中國鐵道出版社，1983.

［9］熊學玉.預應力結構原理與設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［10］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50010—2010 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［11］中華人民共和國建設部.JGJ 92—2004 無粘結預應力混凝土結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［12］董石麟，羅堯治.新型空間結構分析、設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2006.