西宁站站房倾斜框架柱和拱形钢桁架结构设计研究

黄永安

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

西宁站位于青海省会西宁市，为兰青线上的区段站，东距兰西编组站约204 km，西距柯柯区段站约428 km，距格尔木区段站约为832 km。

西宁站站房建筑面积59 866 m2。地上主体3层，局部4层，主体结构采用钢筋混凝土预应力框架结构，屋盖采用拱形钢桁架结构，桁架跨度79 m，支撑于倾角18°钢筋混凝土预应力框架柱上。站房最高点建筑高度为47.78 m。建筑形态以流动的水平线条体现三江源的意向，同时形体上传达出雄鹰展翅腾飞的寓意。整体造型着力体现厚重雄浑的感觉，与青海的壮美相呼应，西宁站建筑效果图见图1。

图1 西宁站建筑效果图

2 主要技术标准

站房结构设计使用年限50年，耐久性按100年设计。为了满足站房结构的耐久性要求，在结构设计中采用以下标准:(1)基本风压和基本雪压均按100年一遇取值;(2)建筑结构的安全等级为一级，结构重要性系数为1.1;(3)钢筋混凝土结构设计中所采用的混凝土最低强度等级、配合比及相关参数、钢筋的保护层厚度均按耐久性为100年确定［1-2］;(4)西宁市的抗震设防烈度为7度，设计地震动峰值加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，地震动反应谱特征周期为0.35 s。主站房的抗震设防类别为重点设防类(乙类建筑)，按设防烈度7度进行抗震计算，按设防烈度8度采取抗震措施［3］;主站房钢筋混凝土框架结构的抗震等级为一级［4］。

3 结构分析及设计

采用空间通用有限元软件MIDAS Gen Ver.795建立站房整体模型，对结构进行整体计算，合理确定混凝土构件的截面尺寸和内力，并对钢结构构件进行设计;采用SAP2000 V15建立整体模型，对MIDAS的计算结果进行复核。分析过程中，各软件模型的荷载取值、杆件截面、构件布置应保证统一，各构件的边界条件尽量相同，西宁站结构整体三维模型见图2。

图2 西宁站结构整体三维模型

3.1 结构模型施工阶段模拟分析及设计

西宁站剖面见图3，由于钢筋混凝土框架柱有18°倾角，并且钢结构屋盖为拱形造型，钢筋混凝土柱在受到竖向力的同时，也承受柱自重和拱形钢桁架产生的水平推力。由于结构在不同的施工阶段，钢筋混凝土倾斜柱都会发生变形和呈现不同的内力状态，在每个施工阶段内，钢筋混凝土为线性受力特性，但在整个施工过程中，其受力为非线性特性。通过整体模型计算，无法准确计算各施工阶段杆件的受力。因此，在西宁站站房结构模型计算中采用分阶段模拟施工计算方法。

图3 西宁站剖面(单位:m)

施工阶段模拟分析分为4个施工阶段:第一施工阶段为-11.5 m高程到10.0 m高程钢筋混凝土结构完成;第二施工阶段为10.0 m高程到30.55 m高程钢筋混凝土结构完成;第三施工阶段为屋面钢结构安装完成;第四施工阶段为屋面围护体系完成后的整体模型。计算中通过施工分析模块考虑10 m和17 m高程施工荷载及混凝土的收缩和徐变因素。

通过施工模拟分析，倾斜框架柱在施工过程中由于混凝土柱自重及17.0 m高程结构自重引起的柱顶变形和内力，对整体结构的内力影响得到考虑。施工模拟分析与整体模型计算结果对比见表1和图4。

由表1对比分析可知，施工模拟分析结果与整体模型计算结果相比较，拱形钢桁架跨中下弦杆拉力减少15%，上弦杆压力变化不大;支座处下弦杆压力增加16%，上弦杆拉力减少14%。钢桁架在10轴线到11轴线范围内上、下弦杆内力均减少15%。倾斜框架柱10 m高程弯矩增加15% ～20%，17 m高程弯矩增加200%。在变形方面，在整体模型计算中，倾斜柱顶最大位移为36 mm;施工模拟计算中，倾斜柱顶最大位移为78 mm;通过施工模拟释放了在施工阶段钢屋架对倾斜柱的水平约束，降低了钢桁架的应力状态，与实际施工更加的吻合，并且充分利用了钢桁架的自身刚度，减少钢桁架总用钢量15%［5-6］。对于下部倾斜混凝土柱由于释放了柱顶水平约束，倾斜柱变为悬臂柱，柱顶水平位移和根部弯矩均大幅增大［7］。通过施工模拟分析，倾斜混凝土柱受力和变形更为不利，需要对倾斜柱进行加强设计。

表1 构件内力对照(一)

图4 施工阶段单榀模型弯矩图(局部)(单位:kN·m)

3.2 预应力钢筋混凝土倾斜柱计算及设计

通过施工模拟分析，倾斜框架柱10 m高程弯矩增加15% ～20%，17 m高程弯矩增加200%，且柱顶最大位移78 mm。为了有效控制倾斜柱的截面开裂和变形，设计采用预应力钢筋混凝土柱。由于倾斜柱受力状态复杂，选择并确定合适的预应力筋曲线和位置就成为预应力混凝土柱设计的关键［7］。根据预应力筋的外形和位置应尽可能与弯矩图一致和预应力筋的布置形状应该使张拉预应力筋所产生的等效荷载与外部荷载的分布在形式上应基本一致的原则［8-9］，设计中对高架候车区两个轴线倾斜柱受力的不同特点采用了不同的预应力曲线。倾斜柱弯矩图和预应力曲线对照见图5。

图5 弯矩图与预应力曲线对照(单位:mm)

由于预应力筋张拉施工应在拱形钢屋架安装之前完成，在此施工阶段倾斜柱承受自重和17 m高程楼面自重荷载作用，倾斜柱顶不受弯矩作用，在17 m和10 m梁柱节点处产生较大负弯矩。由于弯矩图形趋向直线，并且边柱10 m高程到17 m高程柱有反弯点，故边柱预应力筋采用直线形和折线形结合的布置形式;中柱采用直线形布置形式并且柱顶预应力筋均布置在柱中心，避免产生次弯矩。

按照以上预应力曲线布置，在施工模拟计算模型第三施工阶段前增加预应力加载施工阶段。施工模拟计算模型增加为五个施工阶段。施工模拟分析与整体模型计算结果对比见表2。

表2 构件内力对照(二)

由表2对比分析可知，通过给倾斜柱内设置预应力筋，柱顶水平方向位移减少近35%，并且叠加预应力等效弯矩后的倾斜柱根部支座弯矩减小15%，截面最大裂缝值由0.433 mm减小到0.258 mm，有效地控制了倾斜柱的水平变形和截面裂缝。通过对倾斜柱体内设置预应力，站房结构承载力、变形和裂缝均满足现有规范要求［10-11］。

4 结语

由于西宁站站房主体结构独特的结构形态，倾斜框架柱受竖向荷载的二阶效应明显，导致结构各个施工阶段的内力状态不同，并且倾斜框架柱的截面裂缝和侧向变形难以控制，设计过程中针对工程特点和难点进行了研究和分析得到以下结论。

(1)设计中采用的施工模拟分析方法和设计思路，更加准确地计算出了结构不同施工阶段的受力状态，优化了站房结构的受力状态，节约了站房工程费用。并且此种设计思路可以在其他大型旅客站房设计中得到推广和引用，缩短了工程建设周期，保证大型站房结构和铁路运营安全。

(2)设计中通过计算比选最终确定合理的预应力线形布置形式，有效控制了倾斜框架柱的变形和根部设计弯矩。

(3)预应力倾斜柱设计成果提供了倾斜钢筋混凝土预应力框架柱的设计方法和思路，对钢筋混凝土柱内预应力研究具有参考价值。

(4)对于拱形钢桁架，通过合理结构模拟计算，使得结构受力明确、构造相对简单，并且减少了钢结构总用钢量，节约了工程费用［12］。

［1］中国建筑科学研究院.西宁站站房及风雨棚风洞测压试验报告［R］.北京:中国建筑科学研究院，2011.

［2］中国建筑科学研究院.西宁站站房及风雨棚风致振动分析报告［R］.北京:中国建筑科学研究院，2011.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［4］蔡玉军.哈大客运专线沈阳站站房结构设计与分析［J］.铁道标准设计，2013(3):106-111.

［5］中华人民共和国建设部.GB 50017—2003 钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［6］赵建强，朱丹晖.烟台火车站大跨度拱架固定铰支座设计［J］.铁道标准设计，2012(6):127-131.

［7］黄刚.昆明南火车站结构设计研究［J］.铁道标准设计，2013(6):136-139，146.

［8］林同炎.预应力混凝土结构设计［M］.北京:中国铁道出版社，1983.

［9］熊学玉.预应力结构原理与设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［10］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［11］中华人民共和国建设部.JGJ 92—2004 无粘结预应力混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［12］董石麟，罗尧治.新型空间结构分析、设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2006.