金衛(wèi)明， 陸 俊， 唐 偉， 曹學(xué)鋒， 王鵬飛， 阮楚烘

(杭州中聯(lián)筑境建筑設(shè)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(zhèn)，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(wǎng)的重要連接通道，是山東省“四縱六橫”高鐵網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，也是山東省有史以來建設(shè)里程最長、投資規(guī)模最大、建設(shè)條件最復(fù)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(shè)計范圍包括高鐵站房和站臺雨棚兩部分內(nèi)容，地鐵、高速正線橋及高架落客車道不在設(shè)計范圍之內(nèi)。站房建筑面積為76 000m2(其中含預(yù)留京滬場38 000m2)，采用跨線式候車站房，以上進(jìn)下出的方式組織進(jìn)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(shè)，沿順軌向在平面中部設(shè)通高的防震縫。站房由下往上包括出站層(標(biāo)高-13.900m)、廣場層(標(biāo)高-7.050m)、承軌層(標(biāo)高-2.700m)、站臺層(標(biāo)高±0.000m)、高架候車層(標(biāo)高9.600m)、商業(yè)夾層(標(biāo)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(biāo)高約為30.950m，屋頂鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，承軌層及以下部位結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)同時滿足鐵路橋梁與民用建筑相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足民用建筑相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。站房安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。站房承軌層及以下部分設(shè)計基準(zhǔn)期為100年,其他為50年,站房耐久性設(shè)計使用年限為100年[1]。站房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)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(shè)計地震分組為第二組[2]；場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)。

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

2.1 與地鐵層相關(guān)的樁基礎(chǔ)和出站層底板

出站層地面結(jié)構(gòu)標(biāo)高-13.900m，與預(yù)留地鐵層頂板平齊。

(1)樁基設(shè)計

本工程場地上覆第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，接著為沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土，第三層為中砂層(Q4al+pl)；下伏基巖為下第三系古新統(tǒng)卞橋組(E1gb)砂質(zhì)泥巖，由上到下分別為全風(fēng)化泥巖層(W4)、強風(fēng)化泥巖層(W3)、弱風(fēng)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(fēng)化泥巖層(W2)。建筑樁基設(shè)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(yù)留地鐵層下共建樁基設(shè)計時，先按站房柱底反力布置樁基礎(chǔ)。設(shè)計完成后，進(jìn)行整體模型分析，通過假設(shè)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(dān)的樁頂不利抗壓力和在最高抗浮水位下，站房樁承擔(dān)的不利抗拔力，并復(fù)核抗拔樁和站房樁的承載力和樁身強度。

(2)出站層底板設(shè)計

出站層地下室底板寬為240m，一期長為200m，以地鐵側(cè)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(shè)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(shè)置連續(xù)式膨脹加強帶。

2.2 承軌層設(shè)計

軌道線路分為正線和到發(fā)線，正線橋與承軌層結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開。承軌層結(jié)構(gòu)分別按民用建筑相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求的概率極限狀態(tài)法和鐵路橋梁規(guī)范要求的容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)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(jīng)過對鋼框架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。

2.3 候車層設(shè)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(jié)構(gòu)是采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，次梁采用雙向布置的純混凝土梁，候車層典型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平面布置圖

2.4 商業(yè)夾層設(shè)計

商業(yè)夾層層高8.4m，位于候車層的兩側(cè)，是跨度為83.0m拱桁架的支點，結(jié)合下部候車層的柱網(wǎng)，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?？紤]到三角撐的平面內(nèi)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(yè)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(jié)構(gòu)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(cè)商業(yè)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(yè)夾層的斜撐框架頂部。大拱架設(shè)置平面桁架式檁條，在柱子處設(shè)置三角形聯(lián)系桁架，加強腹部桁架平面外抗側(cè)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(wěn)定性。大拱架兩端支座處結(jié)合內(nèi)部裝飾造型，在大拱架曲面上設(shè)置拱形網(wǎng)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(shè)置滿布斜撐，增強大拱架的平面外剛度，增強整體屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的面內(nèi)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(nèi)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(nèi)側(cè)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(shè)10個支承點，主入口內(nèi)側(cè)桁架兩端設(shè)4個支承點，主入口中間設(shè)4個通高的倒錐形斜柱(圖7)，兩側(cè)各設(shè)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(nèi)側(cè)桁架軸測圖

圖7 主入口關(guān)鍵桁架軸測圖

圖8 主入口兩側(cè)巨型桁架支座

3 結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析和下部混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計。采用3D3S(V13版)進(jìn)行商業(yè)夾層及屋頂鋼結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計；采用MIDAS Gen2016(V8.55)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)復(fù)核及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析。站房主體結(jié)構(gòu)整體計算模型見圖9。采用ABAQUS6.14有限元軟件對結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行有限元分析。

圖9 站房主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3](簡稱荷載規(guī)范)及《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014J 1942—2014)[4]進(jìn)行取值。2)基本風(fēng)壓取0.45kN/m2(按100年一遇取值)；地面粗糙度為B類。同時根據(jù)《臨沂北站風(fēng)洞測壓試驗報告》[5]，對風(fēng)荷載進(jìn)行包絡(luò)取值。3)基本雪壓取0.45kN/m2(按100年一遇取值)。4)抗震設(shè)防烈度為8度，相關(guān)參數(shù)見第1節(jié)。同時根據(jù)《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(shù)進(jìn)行調(diào)整，由0.16提高到0.189?？紤]到屋蓋結(jié)構(gòu)的豎向剛度較弱，在對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平抗震驗算的同時，進(jìn)行豎向抗震驗算。5)根據(jù)文獻(xiàn)[3]，臨沂市的平均最高氣溫為35℃，平均最低氣溫為-10℃；根據(jù)地勘報告，臨沂市極端高溫為41.4℃，極端低溫為-16.6℃，要求結(jié)構(gòu)合攏環(huán)境溫度為10～15℃。結(jié)構(gòu)設(shè)計中溫度作用取值如下：鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,正溫度差ΔT=32℃，負(fù)溫度差ΔT=-32℃；普通樓層，正溫度差ΔT=25℃，負(fù)溫度差ΔT=-25℃；地下樓層，正溫度差ΔT=13℃，負(fù)溫度差ΔT=-13℃。6)站房設(shè)計承軌層時，按文獻(xiàn)[4]，取鐵路運行的等效活載，同時對承軌層及上部結(jié)構(gòu)按荷載規(guī)范進(jìn)行荷載組合。

3.3 站房整體彈性計算結(jié)果

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

空間耦聯(lián)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(shè)計

本工程主體結(jié)構(gòu)整體抗震性能設(shè)計目標(biāo)設(shè)置為C級，各部位構(gòu)件需滿足的抗震性能水準(zhǔn)要求見表4。

各部位構(gòu)件滿足的抗震性能水準(zhǔn)要求 表4

3.5 結(jié)構(gòu)專項分析

3.5.1 風(fēng)致振動力響應(yīng)分析

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)為大跨度空間結(jié)構(gòu)，造型復(fù)雜新穎，主入口處存在大懸挑結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形較大，對風(fēng)荷載作用敏感。為了對風(fēng)荷載進(jìn)行準(zhǔn)確計算，對魯南高鐵臨沂北站站房和雨棚整體模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗及風(fēng)致振動力響應(yīng)分析[5]。

根據(jù)風(fēng)洞報告顯示，屋蓋中間區(qū)域的負(fù)風(fēng)壓區(qū)體型系數(shù)為-0.75～-0.37。與荷載規(guī)范不同，屋蓋中間區(qū)域也存在正風(fēng)壓區(qū)，風(fēng)壓體型系數(shù)為0.15～0.6。屋蓋周圍負(fù)風(fēng)壓較大，負(fù)風(fēng)壓區(qū)體型系數(shù)為-2.35～-0.73。

有了屋蓋上風(fēng)壓布置圖，再結(jié)合整體計算模型中的各個節(jié)點的質(zhì)量和加速度值，可推導(dǎo)出各個節(jié)點的風(fēng)振系數(shù)。通過程序自動處理，可自動將屋蓋結(jié)構(gòu)上各個風(fēng)向下各個節(jié)點的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值賦予到結(jié)構(gòu)計算軟件中，進(jìn)行風(fēng)荷載的組合計算。

為節(jié)省模型計算時間，提高設(shè)計效率。在風(fēng)荷載計算時，首先按荷載規(guī)范的體型系數(shù)、高度變化系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)(預(yù)估值2.0)計算得到的風(fēng)荷載分布值，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計。后根據(jù)風(fēng)洞報告生成的各個風(fēng)向下的風(fēng)荷載布置工況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

3.5.2 主入口大懸挑桁架的抗連續(xù)倒塌能力分析

主入口大懸挑桁架，兩側(cè)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(dá)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(zāi)，從而引發(fā)斜柱腳失效。故對主入口大懸挑桁架的抗連續(xù)倒塌能力分析非常有必要。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7]第3.12.4條規(guī)定，本工程采用拆除構(gòu)件法，拆除主入口中部一根倒錐形斜柱，相應(yīng)荷載效應(yīng)組合Sd=ηd(1.0恒荷載+0.3活荷載)+0.2風(fēng)荷載。與拆除柱相連的桁架及外側(cè)的懸挑桁架部分，豎向荷載動力系數(shù)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(zhǔn)永久系數(shù)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(yīng)力桿件見圖11，在相鄰柱附近以及拆除柱的頂部出現(xiàn)了部分腹桿屈服，應(yīng)力比在1.0～1.5之間，不會造成相關(guān)桁架的倒塌，可知原設(shè)計中的主入口大拱架整體性能較好，結(jié)構(gòu)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(yīng)力桿件

3.5.3 節(jié)點設(shè)計

本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式多樣，結(jié)構(gòu)體系新穎，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜多變。這要求有不同的節(jié)點形式去實現(xiàn)各種構(gòu)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(jìn)行連接。當(dāng)疊合柱上下變截面時，節(jié)點處的鋼筋排布尤為復(fù)雜。節(jié)點處下柱鋼筋、上柱鋼筋以及節(jié)點四周的型鋼混凝土梁鋼筋，應(yīng)統(tǒng)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(cè)存在帶斜撐的箱形鋼管疊合柱與型鋼混凝土梁連接的節(jié)點，作為屋蓋大拱架重要支撐點，存在較大的水平力，對此節(jié)點進(jìn)行了專門彈塑性有限元分析[8]，分析結(jié)果滿足規(guī)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(shè)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(jié)構(gòu)的可靠度,大拱架鑄鋼支座在大震作用下的應(yīng)力云圖見圖12。

圖12 大拱架鑄鋼支座在大震作用下的應(yīng)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(jié)點相交桿件數(shù)達(dá)到10根，采用鑄鋼件有效地避免了集中焊縫，實現(xiàn)各桿件之間的平滑過渡。另通過在主管根部設(shè)置縱向連接的竹節(jié)型加強環(huán)，有效增強主管的根部強度，節(jié)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(yīng)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(yīng)力值分別為290.6MPa和280.4MPa，均小于材料的屈服強度，節(jié)點處于彈性狀態(tài)。另通過對節(jié)點進(jìn)行彈塑性極限承載力有限元分析得到，兩種節(jié)點在小震作用下的極限承載力不小于相應(yīng)設(shè)計荷載的3.1倍。節(jié)點承載力滿足設(shè)計要求，且有一定的富裕度。

圖13 節(jié)點分析模型

圖14 主入口桁架大鑄鋼支座大震作用下應(yīng)力云圖/MPa

3.5.4 節(jié)點分析

主入口桁架尺度大且復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)在深化設(shè)計過程中決定采用焊接球作為多重桿件連接節(jié)點，焊接球直徑在1 000～1 400mm，超過《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[10]中球節(jié)點規(guī)格范圍。深化設(shè)計過程中，已對所有球節(jié)點進(jìn)行有限元分析，結(jié)果能滿足受力要求。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[11]相關(guān)要求，需進(jìn)行節(jié)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(jìn)行足尺加載試驗[12]，1 200mm直徑焊接球節(jié)點試驗測點位置示意圖見圖15。兩種直徑焊接球節(jié)點的連接桿件達(dá)到9根和11根。桿件內(nèi)力選取主管軸力最大組合下的各桿件內(nèi)力。最大加載值為節(jié)點各桿件設(shè)計荷載的1.3倍。

圖15 1 200mm直徑焊接球節(jié)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(nèi)節(jié)點試驗設(shè)備條件的限制，后對次要桿件進(jìn)行簡化。試驗過程與有限元計算過程進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，節(jié)點在設(shè)計荷載和1.3倍試驗荷載作用下，試驗實測結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致，球體均處于彈性狀態(tài)。1 200mm直徑焊接球在1.3倍荷載作用下的等效應(yīng)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(yīng)力云圖/MPa

4 結(jié)語

(1)屋蓋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式新穎，結(jié)構(gòu)傳力合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，且與建筑造型貼合度好。

(2)站房主體整體結(jié)構(gòu)的周期比、最大彈性層間位移角及大跨度結(jié)構(gòu)的豎向撓度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

(3)通過抗震性能化設(shè)計可知，整個結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件、各關(guān)鍵節(jié)點均能滿足相應(yīng)的抗震性能化水準(zhǔn)的要求。