魯南高鐵臨沂北站站房結構設計與分析

金衛明， 陸 俊， 唐 偉， 曹學鋒， 王鵬飛， 阮楚烘

(杭州中聯筑境建筑設計有限公司， 杭州 310011)

1 工程概況

魯南高鐵臨沂北站位于山東省臨沂市白沙埠鎮，是魯南高速鐵路重要的樞紐站。魯南高速鐵路是國家“八縱八橫”高速鐵路網的重要連接通道，是山東省“四縱六橫”高鐵網絡的重要組成部分，也是山東省有史以來建設里程最長、投資規模最大、建設條件最復雜、惠及人口最多的鐵路項目。本工程已完成施工并通車運營，站房實景照片見圖1。

圖1 站房實景照片

魯南高鐵臨沂北站站房設計范圍包括高鐵站房和站臺雨棚兩部分內容，地鐵、高速正線橋及高架落客車道不在設計范圍之內。站房建筑面積為76 000m2(其中含預留京滬場38 000m2)，采用跨線式候車站房，以上進下出的方式組織進出站流線。站房主體上部3層，局部4層，地下1層。

站房平面尺寸約237m×364m，呈“工”字形。考慮分期建設，沿順軌向在平面中部設通高的防震縫。站房由下往上包括出站層(標高-13.900m)、廣場層(標高-7.050m)、承軌層(標高-2.700m)、站臺層(標高±0.000m)、高架候車層(標高9.600m)、商業夾層(標高18.000m)，站房順軌向剖面圖見圖2。站房候車大廳屋頂屋脊線標高約為30.950m，屋頂鋼結構最大跨度約為83m，主入口桁架最大懸挑長度約為40m。

圖2 站房順軌向剖面圖

本工程為“橋-建”合一結構體系，承軌層及以下部位結構設計應同時滿足鐵路橋梁與民用建筑相關設計規范的要求，上部結構應滿足民用建筑相關設計規范的要求。站房安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。站房承軌層及以下部分設計基準期為100年,其他為50年,站房耐久性設計使用年限為100年[1]。站房結構的抗震設防烈度為8度，基本地震加速度值為0.2g，特征周期為0.40s，設計地震分組為第二組[2]；場地類別為Ⅱ類，抗震設防類別為重點設防類(乙類)。

站房主體結構為框架結構，城市通廊、承軌層采用箱形鋼管疊合柱-混凝土梁框架結構，候車層采用箱形鋼管疊合柱-型鋼混凝土梁框架結構，商業夾層采用箱形鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構，屋蓋為空間鋼桁架結構。

2.1 與地鐵層相關的樁基礎和出站層底板

出站層地面結構標高-13.900m，與預留地鐵層頂板平齊。

(1)樁基設計

本工程場地上覆第四系全新統人工填土(Q4ml)，接著為沖洪積(Q4al+pl)粉質黏土，第三層為中砂層(Q4al+pl)；下伏基巖為下第三系古新統卞橋組(E1gb)砂質泥巖，由上到下分別為全風化泥巖層(W4)、強風化泥巖層(W3)、弱風化泥巖層(W2)。

樁基采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁端持力層為弱風化泥巖層(W2)。建筑樁基設計等級為甲級。主要樁直徑為1.2m，樁抗壓承載力特征值為11 000kN，抗拔承載力特征值為3 500kN，樁長為50m。

預留地鐵層下共建樁基設計時，先按站房柱底反力布置樁基礎。設計完成后，進行整體模型分析，通過假設站房樁和地鐵抗拔樁剛度，驗算在最低地下水位情況下，抗拔樁承擔的樁頂不利抗壓力和在最高抗浮水位下，站房樁承擔的不利抗拔力，并復核抗拔樁和站房樁的承載力和樁身強度。

(2)出站層底板設計

出站層地下室底板寬為240m，一期長為200m，以地鐵側壁為邊界，地鐵范圍外出站層底板采用樁承臺加防水板形式，板厚為1 000mm。出站層底板通過設置2m寬膨脹加強帶來減小底板的收縮變形。具體位置為底板與與地鐵頂板邊界處、一二期分縫處、承軌層與站房邊界處，其余位置設置連續式膨脹加強帶。

2.2 承軌層設計

軌道線路分為正線和到發線，正線橋與承軌層結構設縫脫開。承軌層結構分別按民用建筑相關設計規范要求的概率極限狀態法和鐵路橋梁規范要求的容許應力法進行設計。順軌向主要柱間跨度為20.7m，垂軌向主要柱間跨度為14.5，7.5m。經過對鋼框架結構、預應力混凝土框架結構、型鋼混凝土框架結構等多方案比較，從造價、施工難易、后期維護等方面考慮，承軌層結構采用鋼筋混凝土柱(上部共用柱采用箱形鋼管疊合柱)+鋼筋混凝土梁+鋼筋混凝土樓板結構體系。

2.3 候車層設計

順軌向主要柱間跨度為20.7m，垂軌向主要柱間跨度為22.0,11.5m。候車層主體結構是采用型鋼混凝土框架結構，次梁采用雙向布置的純混凝土梁，候車層典型結構平面布置圖見圖3，圖中粗虛線部分表示鋼骨梁，鋼骨截面為H1 500×300×40×40，次梁截面均為500×1 800，板厚為150mm。

圖3 候車層典型結構平面布置圖

2.4 商業夾層設計

商業夾層層高8.4m，位于候車層的兩側，是跨度為83.0m拱桁架的支點，結合下部候車層的柱網，布置了左右對稱的兩對三角撐(圖4)，使得上部屋蓋拱桁架的巨大水平力可以通過三角撐直接傳遞到候車層柱上。考慮到三角撐的平面內剛度較大，三角撐及其余的候車層柱采用箱形鋼管混凝土柱，加強斜撐框架的平面外剛度。商業夾層樓面采用雙向箱形框架梁(H1 500×500×30×40)+單向H形次梁(H1 350×500×30×40)形式，樓板采用鋼筋桁架樓承板，板厚為150mm。

圖4 屋蓋腹部桁架形式

屋蓋鋼結構分為腹部大跨度拱桁架(簡稱大拱架)+主入口大懸挑桁架兩部分。腹部為中間跨度為83.0m的大拱架，兩側商業夾層屋蓋桁架支承在大拱架上，并連為一體。大拱架均采用倒三角形桁架形式(圖4)。大拱架支座處三根弦桿交于一點，通過鑄鋼件連成一體，大拱架通過專用球鉸支座擱置在商業夾層的斜撐框架頂部。大拱架設置平面桁架式檁條，在柱子處設置三角形聯系桁架，加強腹部桁架平面外抗側剛度。桁架式檁條上弦、下弦桿通過橫向連桿拉接，增加平面桁架上、下弦的平面外穩定性。大拱架兩端支座處結合內部裝飾造型，在大拱架曲面上設置拱形網格支撐。大拱架中部，除了平面桁架式檁條、上下弦連桿，還在大拱架上弦層設置滿布斜撐，增強大拱架的平面外剛度，增強整體屋蓋鋼結構的面內剛度。

主入口大懸挑桁架上表面以屋蓋骨架下皮為控制面，下表面以室內吊頂龍骨上皮為控制面，以雙向平面桁架作為基本形式。主入口內側桁架最大跨度101.50m，最大懸挑尺寸接近40m，主入口大懸挑桁架軸測圖見圖5，6。主入口大懸挑桁架僅設10個支承點，主入口內側桁架兩端設4個支承點，主入口中間設4個通高的倒錐形斜柱(圖7)，兩側各設一個巨型桁架支座(圖8)。

圖5 主入口大懸挑桁架軸測圖

圖6 主入口內側桁架軸測圖

圖7 主入口關鍵桁架軸測圖

圖8 主入口兩側巨型桁架支座

3 結構設計分析與計算

3.1 分析與計算程序及整體模型

采用YJK(1.8.3版)進行結構整體分析和下部混凝土結構的設計。采用3D3S(V13版)進行商業夾層及屋頂鋼結構分析和設計；采用MIDAS Gen2016(V8.55)進行整體結構復核及罕遇地震作用下結構動力彈塑性分析。站房主體結構整體計算模型見圖9。采用ABAQUS6.14有限元軟件對結構設計關鍵節點進行有限元分析。

圖9 站房主體結構整體計算模型

3.2 荷載及組合

荷載取值如下：1)豎向活荷載按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[3](簡稱荷載規范)及《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014J 1942—2014)[4]進行取值。2)基本風壓取0.45kN/m2(按100年一遇取值)；地面粗糙度為B類。同時根據《臨沂北站風洞測壓試驗報告》[5]，對風荷載進行包絡取值。3)基本雪壓取0.45kN/m2(按100年一遇取值)。4)抗震設防烈度為8度，相關參數見第1節。同時根據《新建魯南高速鐵路臨沂北站工程場地地震安全性評價報告》[6]對水平地震影響系數進行調整，由0.16提高到0.189?？紤]到屋蓋結構的豎向剛度較弱，在對整體結構進行水平抗震驗算的同時，進行豎向抗震驗算。5)根據文獻[3]，臨沂市的平均最高氣溫為35℃，平均最低氣溫為-10℃；根據地勘報告，臨沂市極端高溫為41.4℃，極端低溫為-16.6℃，要求結構合攏環境溫度為10～15℃。結構設計中溫度作用取值如下：鋼結構屋蓋,正溫度差ΔT=32℃，負溫度差ΔT=-32℃；普通樓層，正溫度差ΔT=25℃，負溫度差ΔT=-25℃；地下樓層，正溫度差ΔT=13℃，負溫度差ΔT=-13℃。6)站房設計承軌層時，按文獻[4]，取鐵路運行的等效活載，同時對承軌層及上部結構按荷載規范進行荷載組合。

3.3 站房整體彈性計算結果

對站房主體結構采用YJK軟件進行建模分析，空間耦聯周期及振動結果見表1，站房最大層間位移角結果見表2，恒荷載+活荷載作用下的撓度結果見表3。由表1～3可看出，計算結果均滿足規范的要求。MIDAS Gen軟件計算結果與上述結果基本一致，此處不再列出MIDAS Gen計算結果。

空間耦聯周期及振動 表1

站房最大層間位移角 表2

恒荷載+活荷載作用下的撓度 表3

3.4 性能化設計

本工程主體結構整體抗震性能設計目標設置為C級，各部位構件需滿足的抗震性能水準要求見表4。

各部位構件滿足的抗震性能水準要求 表4

3.5 結構專項分析

3.5.1 風致振動力響應分析

本工程屋蓋結構為大跨度空間結構，造型復雜新穎，主入口處存在大懸挑結構。結構在荷載作用下變形較大，對風荷載作用敏感。為了對風荷載進行準確計算，對魯南高鐵臨沂北站站房和雨棚整體模型進行了風洞試驗及風致振動力響應分析[5]。

根據風洞報告顯示，屋蓋中間區域的負風壓區體型系數為-0.75～-0.37。與荷載規范不同，屋蓋中間區域也存在正風壓區，風壓體型系數為0.15～0.6。屋蓋周圍負風壓較大，負風壓區體型系數為-2.35～-0.73。

有了屋蓋上風壓布置圖，再結合整體計算模型中的各個節點的質量和加速度值，可推導出各個節點的風振系數。通過程序自動處理，可自動將屋蓋結構上各個風向下各個節點的風荷載標準值賦予到結構計算軟件中，進行風荷載的組合計算。

為節省模型計算時間，提高設計效率。在風荷載計算時，首先按荷載規范的體型系數、高度變化系數及風振系數(預估值2.0)計算得到的風荷載分布值，對結構進行初步設計。后根據風洞報告生成的各個風向下的風荷載布置工況，對結構進行包絡設計。

3.5.2 主入口大懸挑桁架的抗連續倒塌能力分析

主入口大懸挑桁架，兩側桁架落點間距96.3m，中間布置了4根倒錐形斜鋼管柱，桁架懸挑跨度由柱頂計算達39.5m，從柱底計算懸挑跨度為50.5m。所以斜柱是懸挑桁架非常重要的支承點。另外斜柱位于高架落客平臺的站房主入口處，很容易遭受意外荷載，如汽車撞擊、炸彈襲擊、火災，從而引發斜柱腳失效。故對主入口大懸挑桁架的抗連續倒塌能力分析非常有必要。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[7]第3.12.4條規定，本工程采用拆除構件法，拆除主入口中部一根倒錐形斜柱，相應荷載效應組合Sd=ηd(1.0恒荷載+0.3活荷載)+0.2風荷載。與拆除柱相連的桁架及外側的懸挑桁架部分，豎向荷載動力系數ηd取2.0，其余部分取1.0。屋蓋活荷載考慮有部分活荷載為吊掛荷載和馬道的骨架荷載，活荷載準永久系數近似取0.3。主入口中部柱拆除后，主入口大懸挑桁架豎向位移見圖10，懸挑端最大豎向位移為275mm，滿足撓跨比1/125的要求。主入口中部柱拆除后，主入口桁架超應力桿件見圖11，在相鄰柱附近以及拆除柱的頂部出現了部分腹桿屈服，應力比在1.0～1.5之間，不會造成相關桁架的倒塌，可知原設計中的主入口大拱架整體性能較好，結構的冗余度較高，有較強的抗倒塌能力。

圖10 主入口中部柱拆除后，主入口大懸挑桁架豎向位移/mm

圖11 主入口中部柱拆除后，主入口大懸挑桁架超應力桿件

3.5.3 節點設計

本工程結構構件形式多樣，結構體系新穎，屋蓋鋼結構造型復雜多變。這要求有不同的節點形式去實現各種構件間完美地、安全地、可靠地連接。

(1)箱形鋼管疊合柱與型鋼混凝土梁的連接

型鋼混凝土梁的縱筋與箱形鋼管疊合柱相交時，通過與連接板或者與1∶6變坡的梁鋼骨翼緣焊接進行連接。當疊合柱上下變截面時，節點處的鋼筋排布尤為復雜。節點處下柱鋼筋、上柱鋼筋以及節點四周的型鋼混凝土梁鋼筋，應統一排布，所有鋼筋的間距必須確定，以免相互交錯。候車層兩側存在帶斜撐的箱形鋼管疊合柱與型鋼混凝土梁連接的節點，作為屋蓋大拱架重要支撐點，存在較大的水平力，對此節點進行了專門彈塑性有限元分析[8]，分析結果滿足規范要求，且具有一定的安全度。

(2)鑄鋼支座

本鑄鋼件材料彈性模量E=2.06×105N/mm2，切線模量取6 100N/mm2，泊松比μ=0.3[9]，設計強度為230MPa，屈服強度取300MPa。在大拱架支座處，3根弦桿交于一點，且相交角度較小，采用鑄鋼支座有利于減小施工難度和提高結構的可靠度,大拱架鑄鋼支座在大震作用下的應力云圖見圖12。

圖12 大拱架鑄鋼支座在大震作用下的應力云圖/MPa

主入口桁架落地處，屋蓋桁架與站房主入口處幕墻桁架交于一點，單節點相交桿件數達到10根，采用鑄鋼件有效地避免了集中焊縫，實現各桿件之間的平滑過渡。另通過在主管根部設置縱向連接的竹節型加強環，有效增強主管的根部強度，節點分析模型見圖13，主入口桁架大鑄鋼支座大震作用下的應力云圖見圖14。從圖12,14可知，大拱架鑄鋼支座和主入口桁架大鑄鋼支座在大震作用下最大應力值分別為290.6MPa和280.4MPa，均小于材料的屈服強度，節點處于彈性狀態。另通過對節點進行彈塑性極限承載力有限元分析得到，兩種節點在小震作用下的極限承載力不小于相應設計荷載的3.1倍。節點承載力滿足設計要求，且有一定的富裕度。

圖13 節點分析模型

圖14 主入口桁架大鑄鋼支座大震作用下應力云圖/MPa

3.5.4 節點分析

主入口桁架尺度大且復雜，鋼結構在深化設計過程中決定采用焊接球作為多重桿件連接節點，焊接球直徑在1 000～1 400mm，超過《空間網格結構技術規程》(JGJ 7—2010)[10]中球節點規格范圍。深化設計過程中，已對所有球節點進行有限元分析，結果能滿足受力要求。根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[11]相關要求，需進行節點試驗以驗證有限元分析的正確性。

選用了1 200mm和1 400mm兩種直徑焊接球進行足尺加載試驗[12]，1 200mm直徑焊接球節點試驗測點位置示意圖見圖15。兩種直徑焊接球節點的連接桿件達到9根和11根。桿件內力選取主管軸力最大組合下的各桿件內力。最大加載值為節點各桿件設計荷載的1.3倍。

圖15 1 200mm直徑焊接球節點試驗測點位置示意圖

由于焊接球及桿件尺度大，桿件多，國內節點試驗設備條件的限制，后對次要桿件進行簡化。試驗過程與有限元計算過程進行了對比，結果表明，節點在設計荷載和1.3倍試驗荷載作用下，試驗實測結果與有限元分析結果基本一致，球體均處于彈性狀態。1 200mm直徑焊接球在1.3倍荷載作用下的等效應力云圖見圖16。

圖16 1 200mm直徑焊接球在1.3倍荷載作用下的等效應力云圖/MPa

4 結語

(1)屋蓋采用鋼桁架結構。結構形式新穎，結構傳力合理，結構安全可靠，且與建筑造型貼合度好。

(2)站房主體整體結構的周期比、最大彈性層間位移角及大跨度結構的豎向撓度均滿足相關規范的要求。

(3)通過抗震性能化設計可知，整個結構的各類構件、各關鍵節點均能滿足相應的抗震性能化水準的要求。