钢-混凝土组合梁在铁路旅客站房设计中的应用

郭占月,黄北平

(1.武汉铁路职业技术学院，武汉 430205; 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

组合梁在国内出现至今已近半个世纪,对这种新型组合结构的研究和应用也非常活跃,随着研究的不断深入,对于不直接承受动力荷载的一般简支组合梁及连续组合梁,其设计计算理论也逐步从弹性分析法计算转化为塑性分析方法进行计算。从而组合梁不断在交通、冶金、电力、煤炭、建筑等领域有了更为广泛的应用。

近年来,虽然组合梁在我国的建筑和桥梁建筑领域已得到越来越多的应用,显示出很好的技术经济效益。但与钢筋混凝土结构和钢结构相比,由于专业技术人员对组合梁熟悉程度不一,加之没有现成的设计手册可查阅等因素,设计时没有传统的钢筋混凝土结构和钢结构形式方便、省时,从而舍弃了组合梁设计方案,这一状况也与我国推广钢结构设计初期较为类同,短时间内组合梁的普及应用还受到许多的约束和限制。随着组合结构不断的深入研究,加之更多、更广泛的工程应用,组合梁或组合结构的良好的受力性能和较好的综合性经济效益将不断体现。

1 结构设计方案

1.1 工程概况

某铁路旅客站房主站房长246 m、宽56 m,建筑高度44.8 m,客流组织方式采用“上进下出”为线侧下式站房。结构设计按3个区进行划分,其中,中部区域8.15 m高程处楼面,为18 m×36 m×18 m(开间方向)和30 m(进深方向)大跨度楼面分格。根据建筑柱网以及候车室净高要求,结构设计需在有限制条件和有限空间的条件下,确定最优、最合理的楼面结构体系。区域位置示意如图1所示。

图1 区域位置示意

1.2 结构方案比较

根据以上情况,就30 m×36 m楼面的结构设计,对可能选用的大跨度楼屋(盖)结构方案进行了比选,如钢骨混凝土、混凝土井字梁、钢桁架、预应力混凝土、钢-混凝土组合结构等。这几种结构形式特点比较如下。结构布置如图2所示。

图2 高程8.15 m楼面组合梁结构布置(单位：mm)

(1)钢骨混凝土：梁高较大(H/L=115～120),自重也较大,用钢量大(5%～9%),柱的尺寸相对也较大,工程造价较高。

(2)钢筋混凝土井字梁：梁高较大(H/L=1/20),自重也较大,柱的尺寸相对也较大,工程造价较高。

(3)预应力混凝土梁：梁体高度较高(H/L=112～120),自重大,施工所需机具较多,施工工艺较复杂,需提前预制,并需架梁设备,工程造价较高。

(4)钢桁架：平面外的刚度较小,所需钢材较多,造价高,养护维修费用高。

(5)钢-混凝土组合梁：梁体高度较低,自重轻,施工便捷,施工工具简单,不需要架梁设备。另外,梁体上部为钢筋混凝土,下部为钢材,能充分发挥钢与混凝土材料特性,综合造价较低。不足方面主要体现在：所需钢材较多,材料造价偏高。

通过综合比较,钢-混凝土组合梁在本项目更能发挥其优越性,能获得良好的美学造型和较大的跨高比,兼顾使用舒适度的要求下,钢-混凝土组合梁是一种比较优异的结构形式。经过建筑和结构的专业人员共同商议,比较各个方案优缺点以及建筑功能及净高等要求,选择了双向井字钢-混凝土组合楼盖结构方案。

1.3 计算与分析

组合梁的设计是以弹性理论和塑性理论为基础的简化计算方法。在合理应用塑性法和弹性法对推广组合梁的应用有着积极的意义。弹性设计要求材料为理想的弹性体,而钢-混凝土组合构件是弹塑性体,当其应力达到屈服强度时,截面发生塑性变形,这时截面还可以继续承载。塑性设计的前提条件是形成塑性铰。荷载增大时,钢梁一部分产生塑性化,在塑性铰处作用的弯矩等于构件的全部塑性弯矩,使塑性铰能充分转动、变形,最终形成破坏机构。

在理论研究的基础上,分析了组合框架梁在垂直加载条件下变形情况、钢梁截面应变变化规律,结合ANSYS有限元分析数据和采用规范规定的理论计算数据,进一步了解了这种组合框架梁模型受力性能,验证了该组合框架梁模型时假定的合理性,并提出探讨了实际应用这种组合框架梁构造模型的一些问题,包括加强段长度取值、截面确定条件和过渡阶段电算分析处理方法。其中组合楼板30 m×36 m区域双向组合楼板,采用Ansys和Sap2000两种软件建模进行有限元分析。按照《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)5.2.3条规定：杆系结构计算图形宜取截面几何中心连线；现浇结构的梁柱节点可作为刚接。Ansys采用了杆件和实体单元进行分析。杆件有限元模型采用BEAM44和shell181单元。BEAM44单元模拟钢筋混凝土柱和钢梁,shell181单元用以模拟混凝土楼板。建立的模型中考虑钢梁和楼板是完全耦合的,不考虑相互之间的滑移。8.15 m的组合梁楼板根据具体的工程,建立的有限元模型见图3、图4。借助于有限元软件,8.15 m组合梁在恒载和活载组合下,竖向位移最大值为83 mm,满足规范的要求。

图3 8.15 m楼板杆件有限元模型

图4 8.15 m楼板实体有限元模型

2 现场测试试验

2.1 测试内容及测点布置

为了解及评价其结构静、动力特性,针对B区8.15 m组合楼盖进行了结构静力特性等性能现场的测试试验研究工作。测试分静力试验和动力试验两部分,均在现场实际测试,为能对测试结果进行定量分析,并揭示大跨钢-混凝土组合楼面的结构性能,对结构进行有限元分析,将结构实测结果与理论计算结果进行对比分析,以反映结构工作性状。对楼盖结构舒适度根据测试结果参照国内外相关资料,给出评价建议。结构有限元计算分析采用通用的有限元计算软件ANSYS进行。

变形测点结合本项目柱网最大跨36 m×30 m布设。见图5。

图5 变形测点布置(单位：mm)

2.2 测试结果

图6 变形结果对比曲线

实测楼面结构竖向变形包含有在试验荷载作用下沉降变形,为便于计算与对比分析,以柱顶测点3和测点10的竖向变形平均值作为整体沉降值,其余各测点的竖向变形减去整体沉降值得到楼面测点的竖向挠度,以计算出的竖向挠度与有限元理论计算假定柱两端固支的计算挠度值进行比较。比较结果见图6,通过图6可看出,实测与理论计算差值较小,试验测量结果与计算值基本接近。

3 结语

在大跨度楼面结构中当梁高受一定限制时,对于钢-混凝土组合井字(连续)梁结构,通过理论分析及工程测试对比,较好地解决了现代铁路旅客站房柱网,采用大开间且层高不易过低的难题。工程的成功实施和投入使用,为类似工程提供了可借鉴作用。

[1]GB50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2]GB50010—2002,混凝土结构设计规范[S].

[3]《Minimizing Floor Vibration》(ATC Design Guide 1)[S].

[4]中国建筑科学研究院建筑结构研究所.西站房竖向振动舒适度测试报告[R].北京：2008.

[5]中铁第四勘察设计院集团有限公司.武昌站大跨度钢-混凝土组合梁楼盖应用研究[R].武汉：2008.