鐵路站房環(huán)梁轉(zhuǎn)換層及關(guān)鍵轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

石東婉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）

1 工程概況

江門(mén)站位于廣東省江門(mén)市新會(huì)區(qū)，站房總建筑面積約為4hm2，共有八個(gè)站臺(tái)20條到發(fā)線，最高聚集人數(shù)4000人，為大型鐵路站房。江門(mén)站結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，上部采用鋼結(jié)構(gòu)、下部為混凝土結(jié)構(gòu)，且存在梁柱轉(zhuǎn)換。樹(shù)筒鋼管在高架層與鋼骨混凝土柱轉(zhuǎn)換，部分鋼骨混凝土柱在地面層通過(guò)雙鋼骨混凝土梁轉(zhuǎn)換，支承體系豎向部分連續(xù)。樹(shù)形編織筒鋼結(jié)構(gòu)圓鋼管豎向編織，網(wǎng)格呈菱形狀，形成空間筒殼結(jié)構(gòu)。筒殼結(jié)構(gòu)下部由型鋼混凝土結(jié)構(gòu)支承。正是由于上下層結(jié)構(gòu)的變化，需要在結(jié)構(gòu)中間加設(shè)轉(zhuǎn)換層，將上部鋼結(jié)構(gòu)的荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換層加在下層與地面直接連通的支撐柱子上。工程采用的轉(zhuǎn)換形式為梁式轉(zhuǎn)換層。

對(duì)于江門(mén)站弧形轉(zhuǎn)換梁特殊結(jié)構(gòu)，以連續(xù)整體的轉(zhuǎn)換梁為研究對(duì)象，考慮結(jié)構(gòu)的整體及連續(xù)性，計(jì)算梁柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 環(huán)梁轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本工程的轉(zhuǎn)換層為地面層，轉(zhuǎn)換層的關(guān)鍵梁柱構(gòu)件（即轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)）是結(jié)構(gòu)中間部位的環(huán)梁部分，即雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點(diǎn)。雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁由三部分組成，即外包鋼筋骨架、混凝土和組合型鋼[1]。組合型鋼是通過(guò)將兩根工字鋼通過(guò)綴板連接起來(lái)而形成的。上部型鋼柱通過(guò)端板螺栓連接的方式與轉(zhuǎn)換梁連接。該轉(zhuǎn)換層屬于梁式轉(zhuǎn)換層，結(jié)構(gòu)傳力途徑清晰，且受力性能好、便于施工[2]。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求做到“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”[3]，主要是為了考慮構(gòu)件的重要性以及破壞后對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響程度。顯然柱子的破壞造成的后果比梁破壞更嚴(yán)重，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，總是讓梁比柱先破壞[4]。而本工程中因?yàn)檗D(zhuǎn)換梁需要有足夠的剛度來(lái)承受上部荷載，下部的支撐柱也應(yīng)同時(shí)設(shè)計(jì)的更“強(qiáng)”。

轉(zhuǎn)換層處梁柱節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵的部位，是結(jié)構(gòu)剛度突變的位置，也是地震中受損最嚴(yán)重的地方。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該把轉(zhuǎn)換層上下層結(jié)構(gòu)的剛度比控制在一定的范圍內(nèi)[5]。根據(jù)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求，理想情況是梁和柱都破壞掉了，節(jié)點(diǎn)再被破壞。可是在轉(zhuǎn)換層中節(jié)點(diǎn)是受力最復(fù)雜的，受到彎、剪、扭的作用，同時(shí)還要將荷載經(jīng)由節(jié)點(diǎn)往下傳[6]。因此，對(duì)節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)制和破壞模式的研究一直是重難點(diǎn)，而本工程中的托柱梁式轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)也是我們研究的重點(diǎn)。

3 轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)及有限元分析

針對(duì)以上提出的研究重點(diǎn)，分別對(duì)江門(mén)站側(cè)方站的雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)無(wú)樓板和有樓板兩種情況施加考慮地震荷載組合的各種工況下的最不利荷載，通過(guò)有限元軟件ABAQUS分析其變形情況及安全性能，并進(jìn)行對(duì)比[7]。

3.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)及內(nèi)力提取

3.1.1 抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)計(jì)需明確整體結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)和目標(biāo)[8]，在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）第3.11.1條中將結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)劃分為五類(lèi)；在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）第3.11.2條中將結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)規(guī)定為四種。

依據(jù)本項(xiàng)目的抗震設(shè)防類(lèi)別、場(chǎng)地條件、設(shè)防烈度和震后損失，確定需達(dá)到的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為：在多遇地震、設(shè)防烈度地震和預(yù)估的罕遇地震作用下，該結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)分別判定為完好、基本完好、輕度損壞。轉(zhuǎn)換層的梁和柱是關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，高規(guī)中規(guī)定了在第一、第二和第三抗震性能水準(zhǔn)下，震后關(guān)鍵構(gòu)件的性能狀況應(yīng)分別為無(wú)損壞、無(wú)損壞和輕微損壞。

3.1.2 內(nèi)力提取

采用四種荷載工況：①施加20種靜力荷載工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力；②對(duì)20種靜力荷載工況分別組合上小震工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力；③對(duì)20種靜力荷載工況分別組合上中震工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力；④對(duì)20種靜力荷載工況分別組合上大震工況，考慮最不利荷載組合下的內(nèi)力。

3.2 轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.2.1 建立模型

選用AutoCAD2012版本對(duì)雙型鋼混凝土轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分別建立無(wú)樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層模型；再將模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行后續(xù)處理。

3.2.2 材料參數(shù)

混凝土材料參數(shù)見(jiàn)表1，型鋼和鋼筋材料參數(shù)見(jiàn)表2[9]。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 無(wú)樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果

通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)無(wú)樓板轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)在四種荷載工況下的分析，得到各個(gè)工況下整體結(jié)構(gòu)的變形位移結(jié)果。

如圖1所示，模型在靜力荷載最不利工況下，結(jié)構(gòu)的變形最大值為5.83mm，變形特別微小。混凝土的最大應(yīng)力值為17.14MPa，鋼筋的最大應(yīng)力值為171.3MPa，型鋼的最大應(yīng)力值為156.7MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在小震的最不利工況下，結(jié)構(gòu)的變形最大值為15.11mm，環(huán)梁撓度最大值為3mm，變形較為微小。混凝土的最大應(yīng)力值為19.08MPa，鋼筋的最大應(yīng)力值為195.5MPa，型鋼的最大應(yīng)力值為198.3MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在中震的最不利工況下，結(jié)構(gòu)的豎向變形最大值為9.911mm，環(huán)梁撓度最大值為5mm，變形較為微小。混凝土的最大應(yīng)力值為24.44MPa，鋼筋的最大應(yīng)力值為196.6MPa，型鋼的最大應(yīng)力值為188.9MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在大震的最不利工況下，混凝土的最大應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，并發(fā)生局部損壞；鋼筋和型鋼的最大應(yīng)力未超過(guò)其各自的屈服強(qiáng)度，并且仍處于彈性階段。圈梁撓度最大值為7.5mm左右，變形較為微小。

表1 混凝土材料參數(shù)表

表2 鋼材和鋼筋材料參數(shù)表

圖1 無(wú)樓板轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

因此，無(wú)樓板的結(jié)構(gòu)梁式轉(zhuǎn)換層部分的環(huán)梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下滿足安全要求。在小震和中震下，混凝土、鋼筋和型鋼均未屈服；在大震下，混凝土的破壞程度較小，滿足高規(guī)中在三個(gè)抗震性能水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的震后性能目標(biāo)[10]。

4.2 有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果

通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁結(jié)構(gòu)在四種荷載工況下的分析，得到各個(gè)工況下整體結(jié)構(gòu)的變形位移結(jié)果。

如圖2所示，模型在靜力荷載最不利工況下，結(jié)構(gòu)的變形最大值為5.912mm，變形特別微小。相較于無(wú)樓板的環(huán)梁結(jié)構(gòu)，有樓板的環(huán)梁結(jié)構(gòu)混凝土、鋼筋、型鋼最大應(yīng)力較大一些，仍處于彈性階段，未屈服。在小震的最不利工況下，結(jié)構(gòu)的變形最大值為15.10mm，圈梁撓度最大值為3mm左右，變形較為微小。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。

在中震的最不利工況下，結(jié)構(gòu)的豎向變形最大值為9.741mm，圈梁撓度最大值為5mm，變形較為微小。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在大震的最不利工況下，混凝土的最大應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，并發(fā)生局部損壞；鋼筋和型鋼的最大應(yīng)力未超過(guò)其各自的屈服強(qiáng)度，并且仍處于彈性階段。圈梁撓度最大值為7mm左右，變形較為微小。

因此，配有樓板的結(jié)構(gòu)梁式轉(zhuǎn)換層部分的圈梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下滿足安全要求。在小震和中震下，混凝土、鋼筋和型鋼均未屈服；在大震下，混凝土的破壞程度較小，滿足高規(guī)中在三個(gè)抗震性能水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的震后性能目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了江門(mén)站型鋼混凝土環(huán)梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn)在不同工況下的有限元分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果圖進(jìn)行整理分析得出以下結(jié)論：

①在四種工況下，雙型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)的變形均較小，轉(zhuǎn)換梁的撓度也滿足安全使用要求。

②在靜力荷載組合的最不利工況作用下，無(wú)樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁的混凝土、鋼筋、型鋼的應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力，結(jié)構(gòu)可正常工作。

圖2 有樓板轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

③在考慮小震的荷載組合最不利工況作用及中震的荷載組合最不利工況作用下，無(wú)樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁的混凝土、鋼筋、型鋼的應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力，結(jié)構(gòu)無(wú)損傷。在考慮大震的荷載組合最不利工況作用下，無(wú)樓板和有樓板的轉(zhuǎn)換層環(huán)梁的混凝土梁柱的局部位置應(yīng)力大于屈服應(yīng)力從而發(fā)生屈服，而鋼筋、型鋼的應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受到輕微損傷；滿足高規(guī)中在三個(gè)抗震性能水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的震后性能目標(biāo)。

④轉(zhuǎn)換層環(huán)梁內(nèi)無(wú)樓板和有樓板的計(jì)算數(shù)據(jù)相差不大，分析結(jié)論相同。