桃源站站房结构设计研究

敖晓钦，刘 明，魏 剑，王兴叶

(中南建筑设计院股份有限公司， 湖北 武汉 430071)

黔江—张家界—常德铁路桃源站站房位于桃源县城西北的深水港乡，站房采用“线侧平式”布局，铁路旅客采用“下进下出”流线模式,站房总建筑面积8 000 m2,站台雨棚建筑面积10 725 m2。站房采用非对称式而均衡的布局，建筑形态上采用大跨度弧形屋顶作为创作母题，结合室内空间需要，将其错落拼叠，使功能和形式和谐统一，用出挑的大屋檐和柱廊营造正面和侧面的灰空间。其实景图如图1所示。

图1 桃源站站房实景图

站房地上两层，首层层高6.5 m，站房屋面高低错落，最低点标高为13.0 m，最高点为23.8 m。站房结构由钢筋混凝土框架结构和钢结构屋盖组成。候车大厅屋盖为钢管桁架结构，站房两侧屋面采用普通钢梁结构；基础形式为钻孔灌注桩基础。

本文针对该站房的造型特点及结构设计中的实际问题，对屋盖选型、悬挑区域设计、斜向钢梁设计、连接设计、复杂节点、特别不规则等方面进行了相关的分析和研究，并采取了相应的措施，保证了整体结构设计的可行性及合理性。

1 主要技术条件

站房结构设计使用年限为50 a，结构安全等级二级，站房中调度、运转、通信、信息设备房屋及相关部分抗震设防类别为重点设防类，其他部分为标准设防。基本雪压为0.60 kN/m2(100年重现期)，雪荷载分区为Ⅱ区。站房屋面存在高低错落，按《建筑结构荷载规范》[1](GB 50009—2012)考虑积雪分布系数，局部低区积雪分布系数取2.0。基本风压为0.40 kN/m2(50年重现期)，其中屋盖结构取0.50 kN/m2(100年重现期),地面粗糙度为B类。本工程屋面形状复杂，但由于规模所限并未进行风洞试验，设计时依据《建筑结构荷载规范》[1](GB 50009—2012)中表8.3.1项次8、项次9和项次16提供的体型系数进行取值，如图2所示为左侧来风时屋面的风荷载体型系数取值。

图2 左侧风体型系数取值示意图

本工程结构超长，计算时需考虑温度作用。温度作用取值依据《建筑结构荷载规范》[1](GB 50009—2012)及《建筑结构荷载规范理解与应用》[2]，混凝土结构升温取17℃，降温取15℃；钢结构升温(考虑热辐射后)取31℃，降温36℃。

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。场地土类别为II类。站房混凝土框架抗震等级为三级，涉及重点设防类部分框架抗震等级为二级，站台雨棚抗震等级为三级。

2 结构体系选型

站房结构平面总长约156 m，由于建筑效果需要，结构长度方向并未设置伸缩缝。站房下部结构形式较为明确，采用普通混凝土框架结构即可满足建筑功能及受力需求，同时又具有较好的经济性。屋盖造型复杂，其结构选型较为重要。

本工程屋盖有以下特点：多段弧形屋顶、局部大跨度、高低错落、出挑大屋檐，且要求屋盖的外边缘高度不得超过1.5 m(含屋面及吊顶做法)。屋盖下方主体结构的特点为中部是约31 m×100 m的无柱候车大厅，其对应范围为屋顶的两条脊线之间；候车大厅的两侧为柱跨9 m×9 m的两层混凝土框架。屋盖结构选型时考虑了如下两种方案。

屋盖选用钢筋混凝土梁板结构。候车大厅范围31 m跨度屋盖选用预应力混凝土结构，梁高约1.8 m，两侧屋面采用普通混凝土梁板结构。此种方案的优点是整体结构自上而下均为钢筋混凝土材料，构件连接及节点处理简单,屋面板自防水效果好；其缺点有如下：预应力梁跨度已接近极限，混凝土结构自重大，不合理；屋盖结构B轴向A轴方向悬挑约8.5 m，悬挑过大，采用预应力悬挑梁的情况下，梁高也需1.3 m，考虑金属屋面和吊顶后，即使悬挑端部梁高收缩也不能满足建筑屋盖室外部分总厚度1 500 mm的要求，悬挑梁根部裂缝也较难满足；由于屋盖多段弧，个别位置坡度较大，最大约35°，现场的施工质量难以保障；候车大厅区域施工为高支模，最大高度约23 m；混凝土屋盖结构施工周期较长。

屋盖选用钢结构。候车大厅范围采用网架结构或桁架结构，较容易实现31 m跨度；两侧屋面可用钢梁体系实现，悬挑处梁高最大800 mm，梁端可做变截面，钢梁通过支座与下部混凝土柱连接。选用钢结构体系的优点是容易实现大悬挑，满足屋盖边缘厚度要求，容易实现候车大厅范围的大跨度屋盖，相比大跨度预应力结构，屋盖更轻盈；另外，钢构件及节点大部分在工厂焊接加工，现场拼装后再吊装，考虑到本工程复杂的屋面造型，施工质量更容易把控，施工周期更短。其缺点是钢结构与下部混凝土两种材料之间需通过支座连接、钢结构网架或桁架与两侧钢梁部分的连接需要处理、弧形屋面使得钢构件及节点相比常规钢结构复杂一些。网架结构与桁架结构的对比：此区域为31 m×100 m的长矩形区域，荷载作用下以短方向的结构受力为主，网架与桁架结构都可以实现，但四角锥网架偏向于空间受力，而平面桁架可以更好的实现单向受力。另外，采用桁架结构较容易与钢梁结构连接。

根据以上方案对比，本工程最终选用钢结构屋盖，候车大厅上方采用平面桁架结构体系，两侧采用钢梁体系，屋盖钢结构布置剖面如图3所示，大悬挑部位局部布置如图4所示。

图3 屋盖布置剖面(单位:mm)

图4 屋盖前端大悬挑局部布置(单位:mm)

3 主体混凝土结构设计

站房二层结构标高为6.5 m，屋面的最高脊线约为23 m，二层部分功能房间的净空非常大，给吊顶和设备安装带来了困难。设计时在10.45 m标高设置夹层梁，不设置楼板，这样做带来了极大的好处，解决了吊顶安装及设备安装的困难问题，同时有效减小了填充墙的高度，分担了二层结构的荷载，减小了框架柱的计算长度，形成了合理的框架体系。此外考虑了该夹层在局部净高较大处的加层可能性，预留了加层荷载，保证了以后使用空间的扩展性(见图5)。

图5 结构整体模型

根据建筑效果的要求，在站房两侧各有10根较大截面通高廊柱，其高度从地面至屋面。设计之初担心其刚度过大对整体结构存在不利影响，因此考虑采用“假柱子”的形式实现，即内部设置龙骨，外部包建筑板材，仅用于外立面效果，不作为结构柱。后经比较发现设置结构柱并不影响整体结构计算，且加强了屋面的端部支撑，提高了结构的抗扭刚度。结构柱截面尺寸为500 mm×1 000 mm，外包铝板，较好的实现了建筑效果。

主体结构超长，且未设置伸缩缝，计算时施加了温度作用，梁柱等构件按照有温度作用的计算结果进行设计，同时加强了楼板配筋。

4 屋盖钢结构设计

4.1 钢桁架设计

钢桁架跨度为31 m，设计时桁架计算高度取上下弦杆中心线间距2.2 m，垂直轨道方向桁架为主受力桁架，每榀桁架间距4.35 m，最大弦杆截面为Φ245×14 mm；顺轨方向桁架为弧形，边缘两榀桁架为主受力桁架，中间多榀桁架为次受力桁架，每榀桁架间距4.5 m，次受力桁架弦杆截面主要为Φ140×8 mm。主次桁架的腹杆均按照单斜式布置，垂直轨道方向桁架跨中位置的腹杆采用人字形，以考虑屋盖检修马道的空间需要。为了增强桁架结构的水平刚度，更好的传递水平力，在桁架四周和中部区域设置连续的圆管水平支撑。桁架区域平面布置及主次桁架布置如图6、图7所示。

图6 桁架平面布置图(单位:mm)

图7 屋盖两个方向桁架侧视图

弦杆、腹杆和支撑等材质为Q345。根据《空间网格结构技术规程》[3](JGJ 7—2010)，上下弦杆采用梁单元模拟，腹杆和支撑采用杆单元模拟。整体结构计算采用SAP 2000程序，计算时考虑恒载、活载、雪荷载、水平地震作用和温度作用。地震分析采用振型分解反应谱法。计算分析后，整体结构前几阶振型无桁架区域局部振动，表明桁架区域整体水平刚度良好，振型如图8所示。

图8 第一、二阶振型图

桁架区域中间下凹，根据规范考虑积雪不均匀分布系数，中间区域取2.0。标准组合工况下钢桁架的最大竖向挠度计算值为30 mm，满足《钢结构设计标准》[4](GB 50017—2017)要求层间位移角小于1/250标准，表明桁架竖向刚度满足。

4.2 钢梁设计

站房两侧结构的柱跨为9 m，按常规方式布置钢梁，大部分钢梁采用600 mm高的H型钢即可满足受力要求。屋盖前檐悬挑跨度8.5 m，钢梁高度按最大800 mm控制，采用主次钢梁同时向外悬挑的布置方案。

设计时外立面幕墙构件与屋盖梁之间采用摇臂连接，外幕墙荷载只将水平力传递给屋面钢结构，其竖向荷载全部传递至下方的混凝土结构上，这样做减小了屋盖悬挑钢梁的荷载负担，同时也使得屋盖钢结构与外幕墙构件之间的竖向变形相互独立。由于屋盖悬挑钢梁竖向挠度较大，因此竖向脱开的设计是很有必要的。连接如图9所示。

图9 外幕墙构件与钢梁连接图

站房弧形钢梁倾斜角度大， SAP 2000软件分析结果显示钢梁存在明显的轴向压力，必须按压弯构件设计。另外，本工程屋盖没有混凝土楼板，根据《钢结构设计标准》[4](GB 50017—2017)6.2.1条，需计算钢梁的整体稳定性。而常规的H型钢梁存在平面外惯性矩小的特点，导致平面外长细比λy远大于钢梁平面内长细比，根据《钢结构设计标准》[4](GB 50017—2017)附录C，λy越大，整体稳定系数φb越小，则稳定应力比越大。本工程设计时在相邻弧形钢梁之间设置垂直于钢梁的圆管支撑，如图8所示，圆管支撑通过节点板与钢梁连接，有效的减小了钢梁的侧向计算长度，减小了λy值，从而减小稳定应力比。采用此方法简洁直接，相比增加截面尺度其效果更明显，大大的节省了用钢量。本工程某9 m跨度钢次梁截面为H500×200×10×16(mm),当未采取其它措施时，钢梁跨中的应力比为1.432，不满足设计要求；当采取设置圆管撑的方法后，钢梁的应力比减小为0.638，截面完全能够满足。圆管支撑需承担一定的轴向力，由《钢结构设计标准》[4](GB 50017—2017)7.5.1条计算支撑的轴向力，如下公式：

=23.4 kN

圆管支撑按轴心受压构件计算，轴压力取23.4 kN，截面为Φ102×5，材质为Q235B，经计算，截面满足受力要求(见图10)。

(a) 平面布置示意(b) 圆管撑设置

根据以上分析可见，钢梁存在轴向压力，又无楼板约束钢梁翼缘时，采取措施减小钢梁的侧向计算长度是较为有效的方法。

4.3 连接

4.3.1 钢梁及钢桁架与下部混凝土的连接

站房两侧屋盖钢梁在有柱的位置设置类似普通钢框架结构的圆形钢管柱，钢柱截面直径500 mm，钢梁与钢管柱刚性连接，钢管柱充当钢支座，其下端与混凝土结构柱顶的预埋钢板采用十字钢板连接(计算假定为铰接)。中部钢管桁架结构采用两端竖腹杆贯通、上下弦杆及斜腹杆断开的形式，两端竖腹杆截面采用直径500 mm的圆钢管，竖腹杆下端与混凝土柱顶预埋板连接。考虑到桁架相对钢梁跨度大、变形大的特点，连接位置竖腹杆下端均设置抗拉球形铰支座[5]，更好的满足计算的铰接假定。两种形式的计算简图如图11、图12所示。

图11 钢梁与混凝土柱的连接简图

图12 桁架与混凝土柱的连接简图及节点详图

4.3.2 钢梁与钢桁架的连接节点

本工程桁架结构布置区域和钢梁结构区域在33轴和42轴分界，分界处钢梁的一端需作用在桁架结构上。此处主桁架结构上弦杆规格为Φ245×12，下弦规格为Φ203×10，有钢梁连接的竖腹杆截面均为Φ140×8，次桁架上弦杆Φ140×8，斜腹杆Φ89×5。其节点做法如图13所示。

图13 钢梁与桁架连接图

由于此节点较为复杂，设计阶段采用ABAQUS软件对节点进行了有限元建模和分析。圆管和节点板均采用壳单元S4R模拟。从SAP 2000整体计算模型中提取节点处各杆件的内力，选择较不利的两组内力工况进行节点加载。加载及边界条件的设置通过杆件形心位置的一个参考点与端部截面的耦合实现，该节点约束主桁架上弦杆一端的6个自由度，其它杆件施加荷载(见图14、图15)。

图14 节点有限元模型

图15 最不利工况节点分析应力图

此节点的Mises应力较大处位于主桁架上弦杆与节点板相交的两侧，最大Mises应力为260 MPa,小于Q345钢材的强度设计值，节点其它节点区域应力较小。综上，此节点满足设计要求。

5 性能设计

本工程整体计算分析采用SAP 2000软件，同时，采用盈建科软件进行计算复核及混凝土结构部分配筋。本工程虽然不属于高层建筑，但存在以下3个不规则项：扭转不规则，结构y向扭转位移比大于1.2；楼板不连续，开洞面积超过30%；局部不规则，穿层柱、夹层等，这也是中小型站房结构的共有特点。考虑到属于特别不规则的多层结构，设计阶段补充结构抗震性能设计[6]。抗震性能设计根据《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)(2016年版)执行。承载力参考指标、层间位移参考指标及细部构造的抗震等级性能要求均为性能3(对应《高层建筑混凝土结构技术规程》[8](JGJ 3—2010)的性能目标C，抗震性能水准在多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震下分别为1、3、4)。

本工程将支撑屋盖桁架的框架柱、30轴—31轴交B轴—F轴的框架柱(出站通道范围)、44轴—46轴交B轴—D轴框架柱(售票厅范围)，及四电相关房间的框架柱定义为关键构件，其余竖向构件为普通竖向构件，所有框架梁、桁架为耗能构件。构件性能目标细化后如表1所示。

表1 构件细化性能目标

根据中震等效弹性计算，所有竖向构件正截面不屈服，斜截面弹性；框架梁、钢梁及桁架，斜截面均不屈服，极少数框架梁抗弯屈服。中震组合下，底层框架柱均处于受压状态，无拉应力。中震作用下，结构最大层间位移角x方向1/745，y方向1/809，均小于1/250。

根据大震等效弹性计算，关键构件在大震作用下正截面不屈服，抗剪承载力不屈服；普通竖向构件正截面没有屈服的，斜截面均能满足剪压比要求；框架梁部分进入屈服阶段，钢梁及桁架，斜截面均不屈服。

6 结 论

(1) 对于复杂的建筑形体，应进行多种结构方案的对比。基于本工程屋盖非对称、弧形及错落的特点，选用钢梁体系+桁架体系的形式能够满足建筑造型需要，且结构受力体系合理。

(2) 针对桃源站站房大悬挑的情况，采用减小悬挑构件荷载负担的方法；针对钢梁倾斜角度大引起轴力过大的情况，合理设计水平支撑减小构件应力比。

(3) 复杂钢结构节点是受力的关键，有限元分析结果表明节点满足设计要求。

(4) 根据性能化设计方法对站房结构进行了补充计算，结果表明满足相应的性能水准要求。