桃源站站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

敖曉欽，劉 明，魏 劍，王興葉

(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430071)

黔江—張家界—常德鐵路桃源站站房位于桃源縣城西北的深水港鄉(xiāng)，站房采用“線側(cè)平式”布局，鐵路旅客采用“下進(jìn)下出”流線模式,站房總建筑面積8 000 m2,站臺雨棚建筑面積10 725 m2。站房采用非對稱式而均衡的布局，建筑形態(tài)上采用大跨度弧形屋頂作為創(chuàng)作母題，結(jié)合室內(nèi)空間需要，將其錯(cuò)落拼疊，使功能和形式和諧統(tǒng)一，用出挑的大屋檐和柱廊營造正面和側(cè)面的灰空間。其實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 桃源站站房實(shí)景圖

站房地上兩層，首層層高6.5 m，站房屋面高低錯(cuò)落，最低點(diǎn)標(biāo)高為13.0 m，最高點(diǎn)為23.8 m。站房結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)屋蓋組成。候車大廳屋蓋為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，站房兩側(cè)屋面采用普通鋼梁結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

本文針對該站房的造型特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題，對屋蓋選型、懸挑區(qū)域設(shè)計(jì)、斜向鋼梁設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、特別不規(guī)則等方面進(jìn)行了相關(guān)的分析和研究，并采取了相應(yīng)的措施，保證了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性及合理性。

1 主要技術(shù)條件

站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)安全等級二級，站房中調(diào)度、運(yùn)轉(zhuǎn)、通信、信息設(shè)備房屋及相關(guān)部分抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，其他部分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。基本雪壓為0.60 kN/m2(100年重現(xiàn)期)，雪荷載分區(qū)為Ⅱ區(qū)。站房屋面存在高低錯(cuò)落，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1](GB 50009—2012)考慮積雪分布系數(shù)，局部低區(qū)積雪分布系數(shù)取2.0。基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2(50年重現(xiàn)期)，其中屋蓋結(jié)構(gòu)取0.50 kN/m2(100年重現(xiàn)期),地面粗糙度為B類。本工程屋面形狀復(fù)雜，但由于規(guī)模所限并未進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1](GB 50009—2012)中表8.3.1項(xiàng)次8、項(xiàng)次9和項(xiàng)次16提供的體型系數(shù)進(jìn)行取值，如圖2所示為左側(cè)來風(fēng)時(shí)屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值。

圖2 左側(cè)風(fēng)體型系數(shù)取值示意圖

本工程結(jié)構(gòu)超長，計(jì)算時(shí)需考慮溫度作用。溫度作用取值依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1](GB 50009—2012)及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范理解與應(yīng)用》[2]，混凝土結(jié)構(gòu)升溫取17℃，降溫取15℃；鋼結(jié)構(gòu)升溫(考慮熱輻射后)取31℃，降溫36℃。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場地土類別為II類。站房混凝土框架抗震等級為三級，涉及重點(diǎn)設(shè)防類部分框架抗震等級為二級，站臺雨棚抗震等級為三級。

2 結(jié)構(gòu)體系選型

站房結(jié)構(gòu)平面總長約156 m，由于建筑效果需要，結(jié)構(gòu)長度方向并未設(shè)置伸縮縫。站房下部結(jié)構(gòu)形式較為明確，采用普通混凝土框架結(jié)構(gòu)即可滿足建筑功能及受力需求，同時(shí)又具有較好的經(jīng)濟(jì)性。屋蓋造型復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)選型較為重要。

本工程屋蓋有以下特點(diǎn)：多段弧形屋頂、局部大跨度、高低錯(cuò)落、出挑大屋檐，且要求屋蓋的外邊緣高度不得超過1.5 m(含屋面及吊頂做法)。屋蓋下方主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為中部是約31 m×100 m的無柱候車大廳，其對應(yīng)范圍為屋頂?shù)膬蓷l脊線之間；候車大廳的兩側(cè)為柱跨9 m×9 m的兩層混凝土框架。屋蓋結(jié)構(gòu)選型時(shí)考慮了如下兩種方案。

屋蓋選用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。候車大廳范圍31 m跨度屋蓋選用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁高約1.8 m，兩側(cè)屋面采用普通混凝土梁板結(jié)構(gòu)。此種方案的優(yōu)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)自上而下均為鋼筋混凝土材料，構(gòu)件連接及節(jié)點(diǎn)處理簡單,屋面板自防水效果好；其缺點(diǎn)有如下：預(yù)應(yīng)力梁跨度已接近極限，混凝土結(jié)構(gòu)自重大，不合理；屋蓋結(jié)構(gòu)B軸向A軸方向懸挑約8.5 m，懸挑過大，采用預(yù)應(yīng)力懸挑梁的情況下，梁高也需1.3 m，考慮金屬屋面和吊頂后，即使懸挑端部梁高收縮也不能滿足建筑屋蓋室外部分總厚度1 500 mm的要求，懸挑梁根部裂縫也較難滿足；由于屋蓋多段弧，個(gè)別位置坡度較大，最大約35°，現(xiàn)場的施工質(zhì)量難以保障；候車大廳區(qū)域施工為高支模，最大高度約23 m；混凝土屋蓋結(jié)構(gòu)施工周期較長。

屋蓋選用鋼結(jié)構(gòu)。候車大廳范圍采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)，較容易實(shí)現(xiàn)31 m跨度；兩側(cè)屋面可用鋼梁體系實(shí)現(xiàn)，懸挑處梁高最大800 mm，梁端可做變截面，鋼梁通過支座與下部混凝土柱連接。選用鋼結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)大懸挑，滿足屋蓋邊緣厚度要求，容易實(shí)現(xiàn)候車大廳范圍的大跨度屋蓋，相比大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，屋蓋更輕盈；另外，鋼構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)大部分在工廠焊接加工，現(xiàn)場拼裝后再吊裝，考慮到本工程復(fù)雜的屋面造型，施工質(zhì)量更容易把控，施工周期更短。其缺點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土兩種材料之間需通過支座連接、鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架或桁架與兩側(cè)鋼梁部分的連接需要處理、弧形屋面使得鋼構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)相比常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與桁架結(jié)構(gòu)的對比：此區(qū)域?yàn)?1 m×100 m的長矩形區(qū)域，荷載作用下以短方向的結(jié)構(gòu)受力為主，網(wǎng)架與桁架結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)，但四角錐網(wǎng)架偏向于空間受力，而平面桁架可以更好的實(shí)現(xiàn)單向受力。另外，采用桁架結(jié)構(gòu)較容易與鋼梁結(jié)構(gòu)連接。

根據(jù)以上方案對比，本工程最終選用鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，候車大廳上方采用平面桁架結(jié)構(gòu)體系，兩側(cè)采用鋼梁體系，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)布置剖面如圖3所示，大懸挑部位局部布置如圖4所示。

圖3 屋蓋布置剖面(單位:mm)

圖4 屋蓋前端大懸挑局部布置(單位:mm)

3 主體混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

站房二層結(jié)構(gòu)標(biāo)高為6.5 m，屋面的最高脊線約為23 m，二層部分功能房間的凈空非常大，給吊頂和設(shè)備安裝帶來了困難。設(shè)計(jì)時(shí)在10.45 m標(biāo)高設(shè)置夾層梁，不設(shè)置樓板，這樣做帶來了極大的好處，解決了吊頂安裝及設(shè)備安裝的困難問題，同時(shí)有效減小了填充墻的高度，分擔(dān)了二層結(jié)構(gòu)的荷載，減小了框架柱的計(jì)算長度，形成了合理的框架體系。此外考慮了該夾層在局部凈高較大處的加層可能性，預(yù)留了加層荷載，保證了以后使用空間的擴(kuò)展性(見圖5)。

圖5 結(jié)構(gòu)整體模型

根據(jù)建筑效果的要求，在站房兩側(cè)各有10根較大截面通高廊柱，其高度從地面至屋面。設(shè)計(jì)之初擔(dān)心其剛度過大對整體結(jié)構(gòu)存在不利影響，因此考慮采用“假柱子”的形式實(shí)現(xiàn)，即內(nèi)部設(shè)置龍骨，外部包建筑板材，僅用于外立面效果，不作為結(jié)構(gòu)柱。后經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)設(shè)置結(jié)構(gòu)柱并不影響整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，且加強(qiáng)了屋面的端部支撐，提高了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為500 mm×1 000 mm，外包鋁板，較好的實(shí)現(xiàn)了建筑效果。

主體結(jié)構(gòu)超長，且未設(shè)置伸縮縫，計(jì)算時(shí)施加了溫度作用，梁柱等構(gòu)件按照有溫度作用的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)了樓板配筋。

4 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 鋼桁架設(shè)計(jì)

鋼桁架跨度為31 m，設(shè)計(jì)時(shí)桁架計(jì)算高度取上下弦桿中心線間距2.2 m，垂直軌道方向桁架為主受力桁架，每榀桁架間距4.35 m，最大弦桿截面為Φ245×14 mm；順軌方向桁架為弧形，邊緣兩榀桁架為主受力桁架，中間多榀桁架為次受力桁架，每榀桁架間距4.5 m，次受力桁架弦桿截面主要為Φ140×8 mm。主次桁架的腹桿均按照單斜式布置，垂直軌道方向桁架跨中位置的腹桿采用人字形，以考慮屋蓋檢修馬道的空間需要。為了增強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)的水平剛度，更好的傳遞水平力，在桁架四周和中部區(qū)域設(shè)置連續(xù)的圓管水平支撐。桁架區(qū)域平面布置及主次桁架布置如圖6、圖7所示。

圖6 桁架平面布置圖(單位:mm)

圖7 屋蓋兩個(gè)方向桁架側(cè)視圖

弦桿、腹桿和支撐等材質(zhì)為Q345。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3](JGJ 7—2010)，上下弦桿采用梁單元模擬，腹桿和支撐采用桿單元模擬。整體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用SAP 2000程序，計(jì)算時(shí)考慮恒載、活載、雪荷載、水平地震作用和溫度作用。地震分析采用振型分解反應(yīng)譜法。計(jì)算分析后，整體結(jié)構(gòu)前幾階振型無桁架區(qū)域局部振動(dòng)，表明桁架區(qū)域整體水平剛度良好，振型如圖8所示。

圖8 第一、二階振型圖

桁架區(qū)域中間下凹，根據(jù)規(guī)范考慮積雪不均勻分布系數(shù)，中間區(qū)域取2.0。標(biāo)準(zhǔn)組合工況下鋼桁架的最大豎向撓度計(jì)算值為30 mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4](GB 50017—2017)要求層間位移角小于1/250標(biāo)準(zhǔn)，表明桁架豎向剛度滿足。

4.2 鋼梁設(shè)計(jì)

站房兩側(cè)結(jié)構(gòu)的柱跨為9 m，按常規(guī)方式布置鋼梁，大部分鋼梁采用600 mm高的H型鋼即可滿足受力要求。屋蓋前檐懸挑跨度8.5 m，鋼梁高度按最大800 mm控制，采用主次鋼梁同時(shí)向外懸挑的布置方案。

設(shè)計(jì)時(shí)外立面幕墻構(gòu)件與屋蓋梁之間采用搖臂連接，外幕墻荷載只將水平力傳遞給屋面鋼結(jié)構(gòu)，其豎向荷載全部傳遞至下方的混凝土結(jié)構(gòu)上，這樣做減小了屋蓋懸挑鋼梁的荷載負(fù)擔(dān)，同時(shí)也使得屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與外幕墻構(gòu)件之間的豎向變形相互獨(dú)立。由于屋蓋懸挑鋼梁豎向撓度較大，因此豎向脫開的設(shè)計(jì)是很有必要的。連接如圖9所示。

圖9 外幕墻構(gòu)件與鋼梁連接圖

站房弧形鋼梁傾斜角度大， SAP 2000軟件分析結(jié)果顯示鋼梁存在明顯的軸向壓力，必須按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。另外，本工程屋蓋沒有混凝土樓板，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4](GB 50017—2017)6.2.1條，需計(jì)算鋼梁的整體穩(wěn)定性。而常規(guī)的H型鋼梁存在平面外慣性矩小的特點(diǎn)，導(dǎo)致平面外長細(xì)比λy遠(yuǎn)大于鋼梁平面內(nèi)長細(xì)比，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4](GB 50017—2017)附錄C，λy越大，整體穩(wěn)定系數(shù)φb越小，則穩(wěn)定應(yīng)力比越大。本工程設(shè)計(jì)時(shí)在相鄰弧形鋼梁之間設(shè)置垂直于鋼梁的圓管支撐，如圖8所示，圓管支撐通過節(jié)點(diǎn)板與鋼梁連接，有效的減小了鋼梁的側(cè)向計(jì)算長度，減小了λy值，從而減小穩(wěn)定應(yīng)力比。采用此方法簡潔直接，相比增加截面尺度其效果更明顯，大大的節(jié)省了用鋼量。本工程某9 m跨度鋼次梁截面為H500×200×10×16(mm),當(dāng)未采取其它措施時(shí)，鋼梁跨中的應(yīng)力比為1.432，不滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)采取設(shè)置圓管撐的方法后，鋼梁的應(yīng)力比減小為0.638，截面完全能夠滿足。圓管支撐需承擔(dān)一定的軸向力，由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4](GB 50017—2017)7.5.1條計(jì)算支撐的軸向力，如下公式：

=23.4 kN

圓管支撐按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算，軸壓力取23.4 kN，截面為Φ102×5，材質(zhì)為Q235B，經(jīng)計(jì)算，截面滿足受力要求(見圖10)。

(a) 平面布置示意(b) 圓管撐設(shè)置

根據(jù)以上分析可見，鋼梁存在軸向壓力，又無樓板約束鋼梁翼緣時(shí)，采取措施減小鋼梁的側(cè)向計(jì)算長度是較為有效的方法。

4.3 連接

4.3.1 鋼梁及鋼桁架與下部混凝土的連接

站房兩側(cè)屋蓋鋼梁在有柱的位置設(shè)置類似普通鋼框架結(jié)構(gòu)的圓形鋼管柱，鋼柱截面直徑500 mm，鋼梁與鋼管柱剛性連接，鋼管柱充當(dāng)鋼支座，其下端與混凝土結(jié)構(gòu)柱頂?shù)念A(yù)埋鋼板采用十字鋼板連接(計(jì)算假定為鉸接)。中部鋼管桁架結(jié)構(gòu)采用兩端豎腹桿貫通、上下弦桿及斜腹桿斷開的形式，兩端豎腹桿截面采用直徑500 mm的圓鋼管，豎腹桿下端與混凝土柱頂預(yù)埋板連接。考慮到桁架相對鋼梁跨度大、變形大的特點(diǎn)，連接位置豎腹桿下端均設(shè)置抗拉球形鉸支座[5]，更好的滿足計(jì)算的鉸接假定。兩種形式的計(jì)算簡圖如圖11、圖12所示。

圖11 鋼梁與混凝土柱的連接簡圖

圖12 桁架與混凝土柱的連接簡圖及節(jié)點(diǎn)詳圖

4.3.2 鋼梁與鋼桁架的連接節(jié)點(diǎn)

本工程桁架結(jié)構(gòu)布置區(qū)域和鋼梁結(jié)構(gòu)區(qū)域在33軸和42軸分界，分界處鋼梁的一端需作用在桁架結(jié)構(gòu)上。此處主桁架結(jié)構(gòu)上弦桿規(guī)格為Φ245×12，下弦規(guī)格為Φ203×10，有鋼梁連接的豎腹桿截面均為Φ140×8，次桁架上弦桿Φ140×8，斜腹桿Φ89×5。其節(jié)點(diǎn)做法如圖13所示。

圖13 鋼梁與桁架連接圖

由于此節(jié)點(diǎn)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)階段采用ABAQUS軟件對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元建模和分析。圓管和節(jié)點(diǎn)板均采用殼單元S4R模擬。從SAP 2000整體計(jì)算模型中提取節(jié)點(diǎn)處各桿件的內(nèi)力，選擇較不利的兩組內(nèi)力工況進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加載。加載及邊界條件的設(shè)置通過桿件形心位置的一個(gè)參考點(diǎn)與端部截面的耦合實(shí)現(xiàn)，該節(jié)點(diǎn)約束主桁架上弦桿一端的6個(gè)自由度，其它桿件施加荷載(見圖14、圖15)。

圖14 節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖15 最不利工況節(jié)點(diǎn)分析應(yīng)力圖

此節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力較大處位于主桁架上弦桿與節(jié)點(diǎn)板相交的兩側(cè)，最大Mises應(yīng)力為260 MPa,小于Q345鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，節(jié)點(diǎn)其它節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力較小。綜上，此節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 性能設(shè)計(jì)

本工程整體計(jì)算分析采用SAP 2000軟件，同時(shí)，采用盈建科軟件進(jìn)行計(jì)算復(fù)核及混凝土結(jié)構(gòu)部分配筋。本工程雖然不屬于高層建筑，但存在以下3個(gè)不規(guī)則項(xiàng)：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)y向扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；樓板不連續(xù)，開洞面積超過30%；局部不規(guī)則，穿層柱、夾層等，這也是中小型站房結(jié)構(gòu)的共有特點(diǎn)。考慮到屬于特別不規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)階段補(bǔ)充結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)[6]。抗震性能設(shè)計(jì)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB 50011—2010)(2016年版)執(zhí)行。承載力參考指標(biāo)、層間位移參考指標(biāo)及細(xì)部構(gòu)造的抗震等級性能要求均為性能3(對應(yīng)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8](JGJ 3—2010)的性能目標(biāo)C，抗震性能水準(zhǔn)在多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震下分別為1、3、4)。

本工程將支撐屋蓋桁架的框架柱、30軸—31軸交B軸—F軸的框架柱(出站通道范圍)、44軸—46軸交B軸—D軸框架柱(售票廳范圍)，及四電相關(guān)房間的框架柱定義為關(guān)鍵構(gòu)件，其余豎向構(gòu)件為普通豎向構(gòu)件，所有框架梁、桁架為耗能構(gòu)件。構(gòu)件性能目標(biāo)細(xì)化后如表1所示。

表1 構(gòu)件細(xì)化性能目標(biāo)

根據(jù)中震等效彈性計(jì)算，所有豎向構(gòu)件正截面不屈服，斜截面彈性；框架梁、鋼梁及桁架，斜截面均不屈服，極少數(shù)框架梁抗彎屈服。中震組合下，底層框架柱均處于受壓狀態(tài)，無拉應(yīng)力。中震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角x方向1/745，y方向1/809，均小于1/250。

根據(jù)大震等效彈性計(jì)算，關(guān)鍵構(gòu)件在大震作用下正截面不屈服，抗剪承載力不屈服；普通豎向構(gòu)件正截面沒有屈服的，斜截面均能滿足剪壓比要求；框架梁部分進(jìn)入屈服階段，鋼梁及桁架，斜截面均不屈服。

6 結(jié) 論

(1) 對于復(fù)雜的建筑形體，應(yīng)進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)方案的對比。基于本工程屋蓋非對稱、弧形及錯(cuò)落的特點(diǎn)，選用鋼梁體系+桁架體系的形式能夠滿足建筑造型需要，且結(jié)構(gòu)受力體系合理。

(2) 針對桃源站站房大懸挑的情況，采用減小懸挑構(gòu)件荷載負(fù)擔(dān)的方法；針對鋼梁傾斜角度大引起軸力過大的情況，合理設(shè)計(jì)水平支撐減小構(gòu)件應(yīng)力比。

(3) 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是受力的關(guān)鍵，有限元分析結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。

(4) 根據(jù)性能化設(shè)計(jì)方法對站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算，結(jié)果表明滿足相應(yīng)的性能水準(zhǔn)要求。