潍坊北站站房复杂结构设计与分析

刘传梅， 唐 伟， 王 芳， 吴建乐， 孙会郎

(杭州中联筑境建筑设计有限公司， 杭州 310011)

1 工程概况

潍坊北站(图1)位于山东省潍坊市，主要包含火车站站房、站台雨棚和其他配套工程，本文主要介绍火车站站房的结构设计。潍坊北站站房建筑面积为60 000m2，车站最高聚集人数1 500人，属中型铁路旅客站，按七台二十线进行设计。

图1 建筑效果图

站房由下往上平面呈“工”字形，包括出站层(标高-10.800m)、广场层(标高-7.800m)、承轨层(标高-2.550m)、站台层(标高±0.000m)、候车层(标高9.600m)、商业夹层(标高18.000m)，候车层屋顶屋脊线标高约为30.650m，站房屋顶标高为23.000～31.250m，是不规则折板屋盖。其中，站台层平面尺寸约为168.4m×323.90m，候车层平面尺寸约为117m×293.9m，屋盖平面尺寸约为194m×350m。普通层典型跨度15，18，22，24，24.6，28.5m，承轨层典型跨度15，18，24，7.3m，候车层及站房屋盖钢结构最大跨度约为54m。

本工程抗震设防类别为乙类，结构安全等级为一级，地基基础设计等级为甲级。基本风压为0.40kN/m2(50年一遇)、0.45kN/m2(100年一遇)；基本雪压为0.35kN/m2(50年一遇)、0.40kN/m2(100年一遇)，地面粗糙度类别为B类。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1](简称抗规)，本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.40s，小震影响系数最大值为0.12(承轨层以上部位)、0.156(承轨层及以下层)。本工程以基础顶作为上部结构嵌固端。

2 站房结构设计

2.1 结构设计特点

本工程高架站房结构与铁路桥梁结构(承轨层)采用“桥-建”合一结构体系，承轨层及以下部位结构设计应同时满足铁路桥梁和民用建筑相关设计标准的要求，上部结构应满足民用建筑相关设计标准[2]的要求。承轨层及以下部位结构设计基准期及设计使用年限均为100年；承轨层以上结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，耐久性年限为100年。对于设计使用年限为100年的结构设计，其荷载及作用均要根据规范相关规定做出调整：根据抗规，设计使用年限为100年时，其地震作用调整系数可取1.3～1.4；根据《工程结构可靠性》(GB 50153—2008)[3]，设计使用年限为100年时，活荷载调整系数为1.1。本工程对承轨层及以下部位结构考虑设计使用年限为100年后，地震调整系数取值1.3，活荷载调整系数取值1.1。

2.2 结构体系选择

站房主体结构为钢-钢筋混凝土混合框架结构[4]。广场层、候车层及商业夹层采用型钢混凝土框架柱+型钢混凝土框架梁+钢筋混凝土次梁(双向布置)+钢筋混凝土现浇板，候车层典型结构平面布置见图2。站台层包含南北侧式站房的落客平台及站台次结构，落客平台层东西向长168.4m，南北向长63.8m，构件类型同候车层；站台次结构采用钢筋混凝土小框架。承轨层采用型钢混凝土柱+部分钢筋混凝土柱(仅伸至承轨层)+钢筋混凝土框架梁+钢筋混凝土次梁(单向布置)+钢筋混凝土现浇板，承轨层顺轨向长112.7m，垂轨向长194.3m，承轨层典型结构平面布置见图3。由于正线桥的设缝脱开，承轨层分成4个温度区段，图3为从南往北数第2个温度区段。屋盖钢结构体系由大跨空间桁架[5]、单向平面次桁架、钢檩条与水平支撑体系组成。

图2 候车层典型结构平面布置图

图3 承轨层典型结构平面布置图

2.3 结构防震缝设置

本工程在南北侧式站房与候车层之间设缝脱开，站房屋盖钢结构南北向长约350.0m，其中B，C区南北向最长结构单元为132.95m，东西向最长结构单元为96.9m；A，D区东西向最长结构单元为194m，最大外悬挑长度约38.5m。同时，候车层因分期建设问题又增加1道结构缝，因此站房主体共有3道防震缝[6]将整个结构(包括屋盖钢结构)分为A，B，C，D四个区，如图4所示。

图4 站房结构分缝示意图

2.4.1 基础设计

本工程地下室采用灌注桩+筏板的基础形式，典型桩基布置如图5所示，非地下室区域采用灌注桩+承台的基础形式，桩端均以变粒岩为持力层。由于站房城市通廊南北向下部有地铁结构贯穿，地铁与站房基础施工次序为：基坑开挖→地铁主体结构施工→基坑回填至站房底板底→站房桩基施工。地铁结构与站房结构的相对关系如图6所示，由图6可见，因有17m左右的回填土，城市通廊中轴线4排柱子在布置桩基时，桩基设计应考虑负摩阻力的不利影响[7]，同时，也应考虑底板传至基础的荷载，方能保证4排柱子基础设计的安全性。地下室桩径1.2m，底板厚度800mm，地铁换乘处底板厚度1 200mm，1.2m桩径对应的桩基承载力特征值为11 000kN，对应的17m回填土的负摩阻力为2 000kN；非地下室桩径1.0m，其桩基承载力特征值为7 700kN。鉴于试桩吨位较大，本工程最终采用了锚桩法进行桩基的静载试验。因持力层起伏较大，1.2m桩基长度为57～72m(长径比为47.5～60)，1.0m桩基长度为66～80m(长径比为66～80)，均为超长桩基，为保证成孔及桩身质量，桩基施工之前进行了专家论证。

图5 典型桩基布置图

图6 地铁结构与站房结构相对关系示意图

2.4.2 屋顶钢结构设计

A，D区钢屋盖东西长约188m，南北长约75m，最大跨度为54m，最大悬挑约39m。整个屋盖采用多块折板相连，采用双向折线空间三角形桁架找形；门厅入口采用“W”形支撑桁架，“W”形支撑桁架底部两个支点落在对应的框架柱上，“W”形支撑桁架上部两侧支点支承屋盖悬挑桁架，上部中间支点为门厅入口屋脊顶点，见图7，8。本文重点介绍39m悬挑桁架和“W”形支撑桁架的设计与分析。

图7 A，D区屋盖钢结构轴测图

图8 A，D区屋盖钢结构平面布置图

(1)39m悬挑桁架的变形计算分析

A，D区最大悬挑部位距离主桁架中心约39.1m，且主桁架自身悬挑长度也达18.4m左右，见图9。为减少悬挑角部竖向变形，设计中采取了以下措施：1)增加主桁架尤其是悬挑部位桁架刚度，桁架高度按照1/5悬挑长度取值为3.6m；2)“W”形支撑桁架上部支点尽量往角点靠近，最终定为距离角点为14m左右。通过采取上述措施，大大增加了主桁架和“W”形支撑桁架的空间刚度。最大悬挑部位在1.0恒荷载+1.0活荷载工况下，竖向变形为103mm，挠度为1/757；在1.0恒荷载+1.0风荷载作用下，竖向变形34mm，挠度为1/2294，变形均满足规范要求。

图9 A，D区角部悬挑部位结构平面布置图

(2)“W”形支撑桁架应力分析

“W”形支撑桁架，采用近似“空腹三角桁架”形式，见图10。各三角腹杆平面外联系采用钢拉杆，钢拉杆截面为φ50和φ80，强度等级为650级。钢拉杆交叉点采用钢拉杆锚具连接，见图11。仅受恒荷载作用时，“W”形支撑桁架上弦杆受拉，下弦杆受压，“空腹三角桁架”腹杆受力为一拉一压，钢拉杆仅受拉力；风吸力作用时，轴力受力情况与上述刚好相反。在各种工况组合下，杆件的最大应力比在0.8左右，满足规范要求。可见，“W”形支撑桁架采用这种近似“空腹三角桁架”+交叉钢拉杆组合形式，既能满足受力要求，又能够达到良好的建筑效果。

图10 “W”形支撑桁架立面图

图11 钢拉杆锚具连接

(3)“W”形支撑桁架支座节点有限元分析

“W”形支撑桁架支座采用销轴支座，销轴直径为200mm，见图12。此支座节点承受弯矩、剪力及轴力，受力比较复杂，采用ANSYS软件对该节点进行有限元计算分析。在罕遇地震作用下，此支座铸钢节点von Mises应力最大约为220N/mm2，小于设计强度295N/mm2，应力云图见图13，节点大部分仍处于弹性范围，应力较大处主要由应力集中产生，可通过在铸造时倒角来进一步降低应力。此支座铸钢节点最大变形为1.3mm，满足规范要求。在罕遇地震作用下，此支座销轴底板节点应力最大约为137N/mm2，小于设计强度295N/mm2，应力云图见图14，节点大部分仍处于弹性范围，节点最大变形为0.23mm，满足规范要求。由此可见，采用铸钢销轴支座，在罕遇地震作用下，整个节点仍处于弹性状态，且通过对个别位置进行倒角处理，可以避免应力集中。

图12 “W”形支撑桁架支座节点

图13 “W”形支撑桁架支座节点von Mises应力云图/(N/mm2)

图14 “W”形支撑桁架支座销轴底板von Mises应力云图/(N/mm2)

3 承轨层列车动荷载等效方法

承轨层为列车行驶的结构楼层，见图15。本工程承轨层以下沿垂轨向在大柱网之间增加柱子布置，间距控制在6～7.5m左右。采用次梁顺轨的单向布置方式，最大跨度结构布置方式见图16。采用顺轨单向布置方式的优点是可以将轨行区的次梁简化为连续多跨梁，受力明确，方便计算分析。承轨层设计应考虑高速铁路列车荷载。高速铁路列车设计活荷载应采用ZK活荷载，ZK活荷载是一组移动荷载，在目前常用的民用建筑设计软件中，很难实现移动荷载的输入，如何将ZK活荷载等效成民用建筑的常规活荷载，是保证其荷载精确性及承轨层设计安全性的关键，ZK标准活荷载如图17所示。

图15 承轨层剖面图

图16 承轨层顺轨向最大跨度结构布置图

图17 ZK标准活荷载

本工程承轨层活荷载取值过程如下：1)将承轨层顺轨方向的轨承区梁简化为连续梁；2)根据影响线原理，且不考虑异符号影响区段，求出承轨层各个控制部位最大的内力；3)根据各个控制部位内力，求出等效均布荷载Qe；4)根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)附录C[8]，按照简支梁影响线计算出不同跨度的等效均布荷载qe；5)最后综合考虑取max[Qe,qe]，作为本工程承轨层轨行区列车等效荷载。本工程按连续梁计算结果得到Qe最大值为103kN/m；按《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)[8]附录C，可求出15m加载长度的等效荷载为140.5kN/m,24m加载长度的等效荷载为123.7kN/m，qe最大值为140.5kN/m。综上所述可得：1)列车等效荷载按照规范取值更为安全，本工程列车等效荷载取值为140.5kN/m，另考虑列车动力系数为1.27，最终列车等效荷载取178.44kN/m；2)列车的等效荷载的大小，与承载梁跨度密切相关，跨度越大，等效荷载值越小；反之，跨度越小，等效荷载值越大，这与规范取值规律一致。

4 超长结构温度作用及加强措施

A区落客平台层结构单元东西长168.4m，南北长63.7m，属于超长结构。在设计过程中，考虑温度作用，并假定楼板为弹性板，进行楼板的应力分析和配筋计算。温度取值如下：潍坊市的平均最高温度为36℃，平均最低温度为-12℃；极端高温为41.4℃,极端低温为-16.6℃，设计要求结构合拢环境温度为10～15℃。模型计算时，钢结构屋盖的正温度差ΔT=32℃，负温度差ΔT=-32℃；普通层的正温度差ΔT=26℃，负温度差ΔT=-27℃；地下楼层的正温度差ΔT=13℃，负温度差ΔT=-13℃。从计算分析结果可知，降温工况下，东西向梁、板出现拉应力，由两端到中间成增大趋势，板最大拉应力达2.7N/m2，见图18。针对计算结果，对东西向梁上、下纵筋及腰筋进行了加强；室内板配筋采用上下双向12@100拉通，室外板面筋采用14@100拉通，底筋采用12@100拉通，薄弱的地方另附钢筋。为减少混凝土早期收缩裂缝，沿南北向设置2道后浇带，控制温度区段在56m左右，沿东西向设置1道加强带。同时，要求混凝土应掺入膨胀剂[9]，超长结构施工前应进行专家论证，并加强施工过程中的混凝土养护[10]。通过采取上述计算分析和各类措施，本工程投入使用过程中，裂缝控制效果良好。

5 结语

(1)考虑站房建筑功能需要及分期建设，结合正线桥位置，对整个结构进行了合理的结构分缝。

(2)因地铁基坑采用全开挖，回填土厚度达17m，桩基设计中考虑回填土压不实带来的负摩阻力影响。

(3)承轨层承受列车ZK活荷载，根据影响线原理，将剪力和弯矩对应的等效荷载和规范采用的简化荷载取包络值，作为承轨层设计时的活荷载。

(4)落客平台长168.4m，属于超长结构，考虑温度作用并对其进行了有限元分析，根据计算结果，采取了加强板厚和增加配筋等措施，有效地解决了裂缝开裂的问题。

(5)A，D区屋顶钢结构，是本工程建筑造型的“点睛”之作。“W”形支撑桁架，上部两端作为大悬挑的支撑点，有效减小了悬挑端的竖向变形。“W”形支撑桁架采用近似“空腹三角桁架”形式，既能满足受力要求，又能够达到良好的建筑效果。