劉傳梅， 唐 偉， 王 芳， 吳建樂， 孫會(huì)郎

(杭州中聯(lián)筑境建筑設(shè)計(jì)有限公司， 杭州 310011)

1 工程概況

濰坊北站(圖1)位于山東省濰坊市，主要包含火車站站房、站臺(tái)雨棚和其他配套工程，本文主要介紹火車站站房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。濰坊北站站房建筑面積為60 000m2，車站最高聚集人數(shù)1 500人，屬中型鐵路旅客站，按七臺(tái)二十線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 建筑效果圖

站房由下往上平面呈“工”字形，包括出站層(標(biāo)高-10.800m)、廣場層(標(biāo)高-7.800m)、承軌層(標(biāo)高-2.550m)、站臺(tái)層(標(biāo)高±0.000m)、候車層(標(biāo)高9.600m)、商業(yè)夾層(標(biāo)高18.000m)，候車層屋頂屋脊線標(biāo)高約為30.650m，站房屋頂標(biāo)高為23.000～31.250m，是不規(guī)則折板屋蓋。其中，站臺(tái)層平面尺寸約為168.4m×323.90m，候車層平面尺寸約為117m×293.9m，屋蓋平面尺寸約為194m×350m。普通層典型跨度15，18，22，24，24.6，28.5m，承軌層典型跨度15，18，24，7.3m，候車層及站房屋蓋鋼結(jié)構(gòu)最大跨度約為54m。

本工程抗震設(shè)防類別為乙類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?；撅L(fēng)壓為0.40kN/m2(50年一遇)、0.45kN/m2(100年一遇)；基本雪壓為0.35kN/m2(50年一遇)、0.40kN/m2(100年一遇)，地面粗糙度類別為B類。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗規(guī))，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0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地土類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s，小震影響系數(shù)最大值為0.12(承軌層以上部位)、0.156(承軌層及以下層)。本工程以基礎(chǔ)頂作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。

2 站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本工程高架站房結(jié)構(gòu)與鐵路橋梁結(jié)構(gòu)(承軌層)采用“橋-建”合一結(jié)構(gòu)體系，承軌層及以下部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足鐵路橋梁和民用建筑相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足民用建筑相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]的要求。承軌層及以下部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及設(shè)計(jì)使用年限均為100年；承軌層以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，耐久性年限為100年。對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其荷載及作用均要根據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定做出調(diào)整：根據(jù)抗規(guī)，設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)，其地震作用調(diào)整系數(shù)可取1.3～1.4；根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性》(GB 50153—2008)[3]，設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)，活荷載調(diào)整系數(shù)為1.1。本工程對(duì)承軌層及以下部位結(jié)構(gòu)考慮設(shè)計(jì)使用年限為100年后，地震調(diào)整系數(shù)取值1.3，活荷載調(diào)整系數(shù)取值1.1。

2.2 結(jié)構(gòu)體系選擇

站房主體結(jié)構(gòu)為鋼-鋼筋混凝土混合框架結(jié)構(gòu)[4]。廣場層、候車層及商業(yè)夾層采用型鋼混凝土框架柱+型鋼混凝土框架梁+鋼筋混凝土次梁(雙向布置)+鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，候車層典型結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。站臺(tái)層包含南北側(cè)式站房的落客平臺(tái)及站臺(tái)次結(jié)構(gòu)，落客平臺(tái)層?xùn)|西向長168.4m，南北向長63.8m，構(gòu)件類型同候車層；站臺(tái)次結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土小框架。承軌層采用型鋼混凝土柱+部分鋼筋混凝土柱(僅伸至承軌層)+鋼筋混凝土框架梁+鋼筋混凝土次梁(單向布置)+鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，承軌層順軌向長112.7m，垂軌向長194.3m，承軌層典型結(jié)構(gòu)平面布置見圖3。由于正線橋的設(shè)縫脫開，承軌層分成4個(gè)溫度區(qū)段，圖3為從南往北數(shù)第2個(gè)溫度區(qū)段。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系由大跨空間桁架[5]、單向平面次桁架、鋼檁條與水平支撐體系組成。

圖2 候車層典型結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 承軌層典型結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.3 結(jié)構(gòu)防震縫設(shè)置

本工程在南北側(cè)式站房與候車層之間設(shè)縫脫開，站房屋蓋鋼結(jié)構(gòu)南北向長約350.0m，其中B，C區(qū)南北向最長結(jié)構(gòu)單元為132.95m，東西向最長結(jié)構(gòu)單元為96.9m；A，D區(qū)東西向最長結(jié)構(gòu)單元為194m，最大外懸挑長度約38.5m。同時(shí)，候車層因分期建設(shè)問題又增加1道結(jié)構(gòu)縫，因此站房主體共有3道防震縫[6]將整個(gè)結(jié)構(gòu)(包括屋蓋鋼結(jié)構(gòu))分為A，B，C，D四個(gè)區(qū)，如圖4所示。

圖4 站房結(jié)構(gòu)分縫示意圖

2.4.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程地下室采用灌注樁+筏板的基礎(chǔ)形式，典型樁基布置如圖5所示，非地下室區(qū)域采用灌注樁+承臺(tái)的基礎(chǔ)形式，樁端均以變粒巖為持力層。由于站房城市通廊南北向下部有地鐵結(jié)構(gòu)貫穿，地鐵與站房基礎(chǔ)施工次序?yàn)椋夯娱_挖→地鐵主體結(jié)構(gòu)施工→基坑回填至站房底板底→站房樁基施工。地鐵結(jié)構(gòu)與站房結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系如圖6所示，由圖6可見，因有17m左右的回填土，城市通廊中軸線4排柱子在布置樁基時(shí)，樁基設(shè)計(jì)應(yīng)考慮負(fù)摩阻力的不利影響[7]，同時(shí)，也應(yīng)考慮底板傳至基礎(chǔ)的荷載，方能保證4排柱子基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全性。地下室樁徑1.2m，底板厚度800mm，地鐵換乘處底板厚度1 200mm，1.2m樁徑對(duì)應(yīng)的樁基承載力特征值為11 000kN，對(duì)應(yīng)的17m回填土的負(fù)摩阻力為2 000kN；非地下室樁徑1.0m，其樁基承載力特征值為7 700kN。鑒于試樁噸位較大，本工程最終采用了錨樁法進(jìn)行樁基的靜載試驗(yàn)。因持力層起伏較大，1.2m樁基長度為57～72m(長徑比為47.5～60)，1.0m樁基長度為66～80m(長徑比為66～80)，均為超長樁基，為保證成孔及樁身質(zhì)量，樁基施工之前進(jìn)行了專家論證。

圖5 典型樁基布置圖

圖6 地鐵結(jié)構(gòu)與站房結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系示意圖

2.4.2 屋頂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

A，D區(qū)鋼屋蓋東西長約188m，南北長約75m，最大跨度為54m，最大懸挑約39m。整個(gè)屋蓋采用多塊折板相連，采用雙向折線空間三角形桁架找形；門廳入口采用“W”形支撐桁架，“W”形支撐桁架底部兩個(gè)支點(diǎn)落在對(duì)應(yīng)的框架柱上，“W”形支撐桁架上部兩側(cè)支點(diǎn)支承屋蓋懸挑桁架，上部中間支點(diǎn)為門廳入口屋脊頂點(diǎn)，見圖7，8。本文重點(diǎn)介紹39m懸挑桁架和“W”形支撐桁架的設(shè)計(jì)與分析。

圖7 A，D區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖

圖8 A，D區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)平面布置圖

(1)39m懸挑桁架的變形計(jì)算分析

A，D區(qū)最大懸挑部位距離主桁架中心約39.1m，且主桁架自身懸挑長度也達(dá)18.4m左右，見圖9。為減少懸挑角部豎向變形，設(shè)計(jì)中采取了以下措施：1)增加主桁架尤其是懸挑部位桁架剛度，桁架高度按照1/5懸挑長度取值為3.6m；2)“W”形支撐桁架上部支點(diǎn)盡量往角點(diǎn)靠近，最終定為距離角點(diǎn)為14m左右。通過采取上述措施，大大增加了主桁架和“W”形支撐桁架的空間剛度。最大懸挑部位在1.0恒荷載+1.0活荷載工況下，豎向變形為103mm，撓度為1/757；在1.0恒荷載+1.0風(fēng)荷載作用下，豎向變形34mm，撓度為1/2294，變形均滿足規(guī)范要求。

圖9 A，D區(qū)角部懸挑部位結(jié)構(gòu)平面布置圖

(2)“W”形支撐桁架應(yīng)力分析

“W”形支撐桁架，采用近似“空腹三角桁架”形式，見圖10。各三角腹桿平面外聯(lián)系采用鋼拉桿，鋼拉桿截面為φ50和φ80，強(qiáng)度等級(jí)為650級(jí)。鋼拉桿交叉點(diǎn)采用鋼拉桿錨具連接，見圖11。僅受恒荷載作用時(shí)，“W”形支撐桁架上弦桿受拉，下弦桿受壓，“空腹三角桁架”腹桿受力為一拉一壓，鋼拉桿僅受拉力；風(fēng)吸力作用時(shí)，軸力受力情況與上述剛好相反。在各種工況組合下，桿件的最大應(yīng)力比在0.8左右，滿足規(guī)范要求?？梢?，“W”形支撐桁架采用這種近似“空腹三角桁架”+交叉鋼拉桿組合形式，既能滿足受力要求，又能夠達(dá)到良好的建筑效果。

圖10 “W”形支撐桁架立面圖

圖11 鋼拉桿錨具連接

(3)“W”形支撐桁架支座節(jié)點(diǎn)有限元分析

“W”形支撐桁架支座采用銷軸支座，銷軸直徑為200mm，見圖12。此支座節(jié)點(diǎn)承受彎矩、剪力及軸力，受力比較復(fù)雜，采用ANSYS軟件對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算分析。在罕遇地震作用下，此支座鑄鋼節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力最大約為220N/mm2，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度295N/mm2，應(yīng)力云圖見圖13，節(jié)點(diǎn)大部分仍處于彈性范圍，應(yīng)力較大處主要由應(yīng)力集中產(chǎn)生，可通過在鑄造時(shí)倒角來進(jìn)一步降低應(yīng)力。此支座鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大變形為1.3mm，滿足規(guī)范要求。在罕遇地震作用下，此支座銷軸底板節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大約為137N/mm2，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度295N/mm2，應(yīng)力云圖見圖14，節(jié)點(diǎn)大部分仍處于彈性范圍，節(jié)點(diǎn)最大變形為0.23mm，滿足規(guī)范要求。由此可見，采用鑄鋼銷軸支座，在罕遇地震作用下，整個(gè)節(jié)點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài)，且通過對(duì)個(gè)別位置進(jìn)行倒角處理，可以避免應(yīng)力集中。

圖12 “W”形支撐桁架支座節(jié)點(diǎn)

圖13 “W”形支撐桁架支座節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖/(N/mm2)

圖14 “W”形支撐桁架支座銷軸底板von Mises應(yīng)力云圖/(N/mm2)

3 承軌層列車動(dòng)荷載等效方法

承軌層為列車行駛的結(jié)構(gòu)樓層，見圖15。本工程承軌層以下沿垂軌向在大柱網(wǎng)之間增加柱子布置，間距控制在6～7.5m左右。采用次梁順軌的單向布置方式，最大跨度結(jié)構(gòu)布置方式見圖16。采用順軌單向布置方式的優(yōu)點(diǎn)是可以將軌行區(qū)的次梁簡化為連續(xù)多跨梁，受力明確，方便計(jì)算分析。承軌層設(shè)計(jì)應(yīng)考慮高速鐵路列車荷載。高速鐵路列車設(shè)計(jì)活荷載應(yīng)采用ZK活荷載，ZK活荷載是一組移動(dòng)荷載，在目前常用的民用建筑設(shè)計(jì)軟件中，很難實(shí)現(xiàn)移動(dòng)荷載的輸入，如何將ZK活荷載等效成民用建筑的常規(guī)活荷載，是保證其荷載精確性及承軌層設(shè)計(jì)安全性的關(guān)鍵，ZK標(biāo)準(zhǔn)活荷載如圖17所示。

圖15 承軌層剖面圖

圖16 承軌層順軌向最大跨度結(jié)構(gòu)布置圖

圖17 ZK標(biāo)準(zhǔn)活荷載

本工程承軌層活荷載取值過程如下：1)將承軌層順軌方向的軌承區(qū)梁簡化為連續(xù)梁；2)根據(jù)影響線原理，且不考慮異符號(hào)影響區(qū)段，求出承軌層各個(gè)控制部位最大的內(nèi)力；3)根據(jù)各個(gè)控制部位內(nèi)力，求出等效均布荷載Qe；4)根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)附錄C[8]，按照簡支梁影響線計(jì)算出不同跨度的等效均布荷載qe；5)最后綜合考慮取max[Qe,qe]，作為本工程承軌層軌行區(qū)列車等效荷載。本工程按連續(xù)梁計(jì)算結(jié)果得到Qe最大值為103kN/m；按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[8]附錄C，可求出15m加載長度的等效荷載為140.5kN/m,24m加載長度的等效荷載為123.7kN/m，qe最大值為140.5kN/m。綜上所述可得：1)列車等效荷載按照規(guī)范取值更為安全，本工程列車等效荷載取值為140.5kN/m，另考慮列車動(dòng)力系數(shù)為1.27，最終列車等效荷載取178.44kN/m；2)列車的等效荷載的大小，與承載梁跨度密切相關(guān)，跨度越大，等效荷載值越?。环粗?，跨度越小，等效荷載值越大，這與規(guī)范取值規(guī)律一致。

4 超長結(jié)構(gòu)溫度作用及加強(qiáng)措施

A區(qū)落客平臺(tái)層結(jié)構(gòu)單元東西長168.4m，南北長63.7m，屬于超長結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，考慮溫度作用，并假定樓板為彈性板，進(jìn)行樓板的應(yīng)力分析和配筋計(jì)算。溫度取值如下：濰坊市的平均最高溫度為36℃，平均最低溫度為-12℃；極端高溫為41.4℃,極端低溫為-16.6℃，設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)合攏環(huán)境溫度為10～15℃。模型計(jì)算時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的正溫度差ΔT=32℃，負(fù)溫度差ΔT=-32℃；普通層的正溫度差ΔT=26℃，負(fù)溫度差ΔT=-27℃；地下樓層的正溫度差ΔT=13℃，負(fù)溫度差ΔT=-13℃。從計(jì)算分析結(jié)果可知，降溫工況下，東西向梁、板出現(xiàn)拉應(yīng)力，由兩端到中間成增大趨勢(shì)，板最大拉應(yīng)力達(dá)2.7N/m2，見圖18。針對(duì)計(jì)算結(jié)果，對(duì)東西向梁上、下縱筋及腰筋進(jìn)行了加強(qiáng)；室內(nèi)板配筋采用上下雙向12@100拉通，室外板面筋采用14@100拉通，底筋采用12@100拉通，薄弱的地方另附鋼筋。為減少混凝土早期收縮裂縫，沿南北向設(shè)置2道后澆帶，控制溫度區(qū)段在56m左右，沿東西向設(shè)置1道加強(qiáng)帶。同時(shí)，要求混凝土應(yīng)摻入膨脹劑[9]，超長結(jié)構(gòu)施工前應(yīng)進(jìn)行專家論證，并加強(qiáng)施工過程中的混凝土養(yǎng)護(hù)[10]。通過采取上述計(jì)算分析和各類措施，本工程投入使用過程中，裂縫控制效果良好。

5 結(jié)語

(1)考慮站房建筑功能需要及分期建設(shè)，結(jié)合正線橋位置，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)分縫。

(2)因地鐵基坑采用全開挖，回填土厚度達(dá)17m，樁基設(shè)計(jì)中考慮回填土壓不實(shí)帶來的負(fù)摩阻力影響。

(3)承軌層承受列車ZK活荷載，根據(jù)影響線原理，將剪力和彎矩對(duì)應(yīng)的等效荷載和規(guī)范采用的簡化荷載取包絡(luò)值，作為承軌層設(shè)計(jì)時(shí)的活荷載。

(4)落客平臺(tái)長168.4m，屬于超長結(jié)構(gòu)，考慮溫度作用并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采取了加強(qiáng)板厚和增加配筋等措施，有效地解決了裂縫開裂的問題。

(5)A，D區(qū)屋頂鋼結(jié)構(gòu)，是本工程建筑造型的“點(diǎn)睛”之作?！癢”形支撐桁架，上部兩端作為大懸挑的支撐點(diǎn)，有效減小了懸挑端的豎向變形。“W”形支撐桁架采用近似“空腹三角桁架”形式，既能滿足受力要求，又能夠達(dá)到良好的建筑效果。