宁业辉
潍坊火车站为胶济铁路线上的一等客运站,既有北站房候车面积偏小,外部交通拥堵,为适应旅客运输发展需求,在潍坊站站场南侧新建南站房,站房总建筑面积25495.94m2,于2018 年底开工建设,2020 年底投入使用,开通之后潍坊站增加了一倍的候车面积,最高聚集人数能达到8000 人。
南站房总面宽175m,总进深67m,站房建筑高度为24.8m(室外地面至屋檐和屋脊的平均高度),站房采用钢筋混凝土框架结构,结构设置两道变形缝将站房分为A、B、C 三个区。南站房屋面以潍坊风筝文化为切入点,采用与北站房对称的蝴蝶造型,营造南北站房 “南雄北秀,比翼齐飞”的外观效果,通过具有张力的屋顶实现南站房的雄伟,衬托北站房的秀丽,隐喻潍坊鼎盛富足的风筝城市风貌,象征潍坊各项事业蒸蒸日上(见图1)。
图1 潍坊站南站房鸟瞰效果图
潍坊站南站房屋面投影面积14900m2,为表达振翅欲飞的蝴蝶造型,屋面采用轻盈舒展富有变化的曲线轮廓,给人以强烈的视觉冲击,这同时也给结构设计师带来了不小的挑战,如何将生硬的结构力学法则与生动的建筑形态完美地融合在一起,成为屋面结构设计的关键问题。为给旅客提供一个更加舒适宽敞的候车体验,区别于既有北站房较密的柱网布置,南站房二层候车大厅采用大空间、全通透的设计,这样导致作为屋面支承的框架柱全部布置于候车大厅的周边,形成的屋面结构最大跨度为63m。结合屋面造型和承载要求,经过方案比选最终确定屋面采用大跨度空间网架结构形式,正放四角锥螺栓球节点(局部为焊接球),下弦支承[1]。
本工程顶层仅在左右两侧两排柱距内布置办公和设备用房,此区域内可利用的支承网架的框架柱布置较为密集,其余空间均为二层候车大厅,框架柱沿周边布置,网架跨度从52m~63m 变化。网架四周均有悬挑,南、北方向最大悬挑长度分别为18m 和15m,东、西方向为蝴蝶造型的翅膀,最大悬挑长度12.5m(图2),为营造轻盈灵动的立面效果,建筑要求悬挑部分的厚度越薄越好。结合屋面表皮的外轮廓造型,网架上弦杆所在的曲面已经确定,能够允许结构自由布置的是下弦杆所在的曲面,根据《空间网格结构技术规程》,网架的高跨比可取1/10~1/15,B 区网架厚度由中间大跨度向两端悬挑变薄,网架可布置为由中间厚逐渐向两端变薄的类似“鱼腹式”断面(图3),与两端简支结构构件受力图形完全契合。A、C 区为三边支承一边开口的网架结构,网架厚度也从开口处较大逐渐向两侧变薄(图4)。经过反复试算和优化截面,最终确定的网架中央区域厚度为3.5m,到悬挑端统一收为1.3m,既满足了结构受力要求,又满足了建筑挑檐轻薄的要求。网架在整体建模过程中,还需要考虑中央椭圆形排烟窗、水箱间开洞等区域的节点划分,按照“厚度大网格尺寸大,厚度小网格尺寸小”的布置原则,保证相邻杆件间的夹角大于45°且不宜小于30°,这样构建的下弦杆所在曲面均为双曲面,再采用腹杆连接起上下弦杆,最终形成网架三维模型。
图2 屋面网架平面布置图
图3 屋面网架南北方向典型剖面
图4 屋面网架东西方向典型剖面
本工程结构设计使用年限50 年,屋面网架结构安全等级为一级,重要性系数1.1,站房所在地抗震设防烈度8 度,设计基本地震加速度值0.20g,设计地震分组第二组,建筑场地类别Ⅱ类,特征周期0.40s。
本工程按照《空间网格结构技术规程》规定,水平地震作用和竖向地震作用均采用振型分解反应谱法验算,网架为混凝土框架柱支承,阻尼比取值0.03,水平地震影响系数最大值0.16,竖向地震影响系数最大值0.104。
主要荷载取值如下:上弦恒载0.50kN/m2(屋面板系统、檩条),下弦恒载0.50kN/m2(吊顶、灯具、检修马道等),屋面上弦活荷载0.50kN/m2,下弦检修马道活荷载1.0kN/m2,网架杆件自重由程序自动考虑,球节点自重按照占杆件自重比例30%考虑。
温度作用按照升温+25℃、降温-25℃考虑。
雪荷载按照百年一遇雪压0.40 kN/m2取值,因站房屋面高低起伏,存在明显的波谷区域,其积雪不均匀分布系数取为2.0。
风荷载按照百年一遇风压0.45kN/m2取值,地面粗糙度类别B 类,本工程屋面曲线造型复杂,对风荷载比敏感,而其体型系数在荷载规范中没有完全对应的取值依据,为保证采用合理准确的参数,确保结构的抗风能力,特委托中国建科院对本工程进行风荷载CFD数值模拟试验,得到不同风向(0°~180°范围内每隔15°,共计13个风向)下屋面体型系数的计算结果。按照报告提供的试验数据,在计算程序中输入不同风向工况下的风荷载数据,充分保证结构设计安全。特别值得注意的是挑檐迎风向受负压控制,体型系数合值可达到-2.4(图5、图6),如果没有试验数据,工程设计中很难估算取值,造成设计安全隐患[2]。
图5 屋盖上表面体型系数分布图(0°风向)
图6 屋盖下表面体型系数分布图(0 度风向)
钢网架结构计算采用上海同磊3D3S 结构分析软件,三个区网架杆件共计16317 根,荷载组合考虑恒、活、风、地震、温度相互组合,支座边界条件考虑温度作用引起杆件内力较大,在A 轴附近支座处沿着Y 方向释放(X、Z 方向固定),其余均采用固定铰支座(X、Y、Z 三向固定)。经过计算分析,支座反力Z 向最大为2120kN,水平向最大为990kN,本工程采用性能较好的抗震球形钢支座,支座承载力应小于最大支座反力。经过截面优选、校核和节点设计,所有杆件最大应力比均控制在0.93 以下,最大杆件截面采用∅245x14,螺栓球最大截面∅300,螺栓最大为M68,因A、C 区三边支承、一边开口,开口处杆件内力过大,采用加大网架厚度等办法效果不明显,经过反复试算最终确定采用部分焊接球节点,焊接球最大采用WSR6025。在恒荷载与活荷载标准值作用下,A、C 区最大挠度值为196mm,B 区最大挠度值180mm,满足挠度容许值L/250 的要求。网架主体结构用钢量610t,折合每平方米用钢量为41kg,较初设阶段进一步优化,结构各项指标计算均满足要求。
本工程在站房正立面结合屋面蝴蝶造型设置两颗对称布置的树形柱,柱顶三个曲线树枝状分叉,而站房正立面挑檐最大悬挑长度18m,CFD 数值模拟试验显示受风吸力较大,因此考虑在树形柱柱顶采用销轴连接与网架螺栓球节点进行连接(图7),这样无论在恒活载下压的条件下,还是在风吸力条件下,都能对悬挑网架提供有效的支承条件,避免挑檐产生较大的变形。树形柱由三根∅500mmx20 圆钢管(内灌C40 混凝土)通过连接板相互焊接成型(图8),避免了采用铸钢节点而造成生产工艺繁琐,分支钢管弯曲的角度要结合网架球节点所在位置确定,加工尺寸需三维放样确定。
图7 树形柱与网架下弦销轴连接节点
图8 树形柱三维轴测图
本工程屋面网架采用顶升+散拼的施工方案,即先进行B 区屋盖结构顶升施工,然后进行两侧区域A 区2-5 轴、C 区14-17 轴屋盖顶升施工,最后进行悬挑网架高空散装施工。网架均需进行施工工况的验算,顶升点应设置均匀,各顶升点处按照验算结果需加大网架局部构件,保证网架施工安全稳定。网架施工过程中按照一系列质量控制保证体系进行,顺利完成了网架安装,并委托第三方检测单位对网架挠度进行了测量,实际测量值均不超过对应荷载条件下挠度计算值的1.15倍,见表1,满足《空间网格结构技术规程》JGJ 7-2010 的要求。
表1 网架屋面板安装完成后挠度实测值与计算值对比(单位:mm)
潍坊火车站南站房屋面造型新颖独特,设计难点在于:(1)三维空间建模,良好的空间构型既要满足建筑造型需要,又要符合结构受力原则,是得到合理计算结果的基础;(2)网架结构跨度大、悬挑大,风荷载体型系数分布复杂,要充分分析结构计算结果,反复调整试算,得到合理的结构计算指标;(3)节点构造复杂,要巧妙地利用各种建筑造型构件作为有利的结构受力条件,完善各连接节点构造,使其与计算模型假定相契合。