内罗毕南火车站结构设计

曲军彪 任振杰 蔺雪峰

0 引言

蒙内铁路，全称“蒙巴萨至内罗毕标准轨距铁路”，是肯尼亚共和国境内一条连接蒙巴萨与内罗毕的铁路，全线采用中国标准、中国技术、中国装备制造和中国管理建造，是东非铁路网的组成部分，是肯尼亚独立以来的最大基础设施建设项目。内罗毕南站位于肯尼亚首都内罗毕，是东非地区最大的铁路车站，也是内罗毕的标志性建筑。站房建筑设计外观新颖、造型独特，给结构设计带来挑战，尤其是3 层候车大厅高10m，纵向跨度81m，横跨度40m，是结构设计中的重点和难点。本文介绍了内罗毕南火车站结构设计方案、主要结构计算及计算结果分析，可供国内外类似工程参考借鉴。

1 工程概况

内罗毕南火车站位于肯尼亚首都内罗毕A109 路西南侧，项目用地紧邻Old Mombasa 路，南侧邻近国家公园；距老城区约11km，距Jomo Kenyatta 国际机场约3km，距Syokimau火车站约1km。站房总建筑面积约21 400m，其中火车站约14 963m，调度中心面积约5 000m，其他附属设施面积约1 430m，为蒙内铁路规模最大的火车站（图1）。

图1 内罗毕南火车站总平面图

内罗毕南火车站为长方形建筑，长172.2m，宽41.2m，屋面最高20m，地下1 层，地上3 层。地下一层主要为员工餐厅及厨房，地上一层主要为售票厅、通信信号用房，地上二层主要为通信信号用房及办公室，地上三层为候车大厅。

建成后的内罗毕南站将成为区域地标性建筑，提升城市交通网络体系建设，联合Syokimau 火车站、内罗毕国际机场，打造成陆空无缝衔接一体化交通枢纽。

2 内罗毕南火车站结构体系

内罗毕南火车站的设计理念是“桥”“火车”“门户”，象征着友谊合作、经济增长、国际化城市。3 层候车大厅层将两侧辅助功能用房层连接起来。3 层候车大厅层高10m，两侧辅助功能用房层高10m。候车大厅下方为通透空间，纵向跨度81m，横向跨度40m，形成了“桥”“火车”“门”的建筑空间造型，体系了内罗毕南火车站的设计理念。

2.1 上部结构体系

根据内罗毕南火车站大跨空间结构的建筑造型特点，结构体系选择宜采用钢结构框架体系。

两侧辅助用房轴网间距为8m×9m，采用500mm×500mm×30mm 箱型截面钢柱，焊接H 型钢梁，楼面为150mm 厚现浇钢筋桁架楼承板，屋面板为钛锌板。

候车大厅层81m×40m 空间，由两侧10m 高81m 长大跨桁架及中间4 根Φ1 300mm 的钢骨混凝土柱支撑。跨度8m、9m的梁均采用焊接H 型钢梁，楼面为150mm 厚现浇钢筋桁架楼承板。

候车大厅层屋盖采用800mm 高箱型截面钢梁，按井格布置，由树枝形柱支撑，屋面板为钛锌板。

对于候车大厅层楼面36m、24m 大跨梁采用何种截面形式综合考虑了建筑效果、工程造价、施工难度等方面的因素，进行了方案比选。方案比选见表1，最终选择采用实腹式钢梁。对于36m 大跨梁，采用了2 400mm×600mm×50mm 箱型截面梁；对于24m 大跨梁，采用了1 800mm×600mm×40mm×40mm 焊接H 型钢梁。

表1 36m 大跨梁方案比选

2.2 基础型式

建筑场地位于东非大裂谷东侧的Kapiti 火山岩高原区，地势平坦，地面高程1 626～1 637m。主要分布第四系全新世-中更新世黑棉土，下伏第四系玄武岩。玄武岩场区内广布，岩芯以碎石状为主，强风化层，钻探最大揭示厚度7.8m（未穿透），层顶埋深0～6.7m（一般埋深1～2m，平均埋深1.2m，局部埋深大于3m）。强风化玄武岩地基承载力特征值达600KPa，地基条件较好。本工程地下室部分采用筏板基础，其他部分均采用柱下独立基础，钢柱脚均采用埋入式柱脚。

3 结构计算分析

内罗毕南站结构设计采用PMSAP 和SAP2000 两种软件进行计算分析，关键节点采用ABAQUS 软件进行有限元分析。

本工程结构设计考虑了恒载、活载、风荷载、地震作用、温度作用，对结构进行了静力分析、反应谱分析、时程分析、动力弹塑性分析、楼板舒适度分析、阶段施工分析和关键节点有限元分析。

3.1 主要参数

3.1.1 设计参数

设计使用年限：50 年；安全等级：二级（通信用房为一级）；地基基础设计等级：丙级。

3.1.2 温度作用取值

根据当地气象资料，基本气温取9℃和35℃。结构合拢温度区间取17～27℃。则结构最大升温为28℃（考虑10℃的辐射温度升高），最大降温为18℃。

3.1.3 地震作用取值

根据岩土工程勘察报告，地震设防烈度为7 度0.15g，地震分组第二组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.4s。

3.1.4 风荷载取值

根据当地气象资料，基本风压为0.3KPa，地面粗糙度B 类。

3.2 主要计算结果

文献[1]要求复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个合适的不同力学模型，并对其计算结果进行分析比较。本工程结构计算均采用两种软件对比分析，确保结果安全。

本工程采用PMSAP 及SAP2000 进行计算复核，主要计算结果指标对比如表2。

从表2 对比分析结果可知，两种计算软件的计算结果基本接近，计算结果满足规范要求。

表2 两种软件计算结果对比

3.3 结构动力弹塑性计算分析

3.3.1 地震波的选取

选择一条人工波：RH1TG040（人工波，特征周期0.4s)；选择两条天然波：TH1TG040（天然波，特征周期0.4s)、TH2TG040（天然波，特征周期0.4s)。

3.3.2 选用地震波合理性判断

规范要求每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。经计算，以上选取的地震波可满足规范要求，可用于弹塑性时程分析。

3.3.3 计算分析结果

罕遇地震作用下的弹塑性变形验算结果见表3。

由表3 可知，最大弹塑性层间位移角均小于规范要求的1/50，满足规范要求。

表3 结构X 向【Y 向】最大层间及有害层间位移角

3.4 温度作用分析

内罗毕南火车站的设计理念是建筑与自然的和谐统一。为此，幕墙及楼面均设有很多与室外相通的孔洞。因此，建成后室内外温度将基本保持一致。根据气象资料，内罗毕年最高气温35℃，最低气温9℃，变化幅度较大。站房长172m，中间不设温度缝，因此，有必要考虑温度作用对结构内力的影响。

在升温作用下，构件的温度应力主要为压应力；在降温作用下，构件的温度应力主要为拉应力。无论是压应力还是拉应力，均出现端部构件应力大中间构件应力小，而越往端部应力越大的特征。对于钢结构构件，抗拉和抗压强度相同，因此无论是拉压力还是压应力均对构件是不利的。由于考虑了10℃的辐射温度升温，升温作用是降温作用的1.56 倍。因此，升温作用比降温作用更为不利。因此，结构施工时在合拢温度区间（17～27℃）段应选择温度较高时合拢对结构更为有利。

3.5 楼板舒适度计算

钢结构楼盖对竖向振动更为敏感。候车大厅为人员经常活动场地，对舒适度要求较高，因此，有必要进行舒适度分析。通过有限元软件计算分析，楼盖楼盖竖向自振频率不小于3Hz，竖向振动加速度峰值不超过0.15m/s，计算结果满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的文献[2]的要求。

3.6 阶段施工分析

传统的分析方法都是以竣工后的整体结构作为分析对象，将结构荷载一次性施加在结构上进行计算，计算时经常得到与实际情况不符的结果。主要是因为：（1）忽略了内外柱等竖向构件位移差的影响。（2）顺序分层施工引起的分层加载的影响。

本工程应用SAP2000 进行阶段施工分析，将阶段施工分析得到的内力与整体一次性分析得到了内力进行比较，结果表明，阶段施工分析不起控制作用。

3.7 节点有限元分析

对于钢结构复杂节点，常规规范计算方法不能满足计算要求，需采用有限元方法计算复核。文献[4]采用ANSYS 软件对树形柱分叉点进行了有限元分析，解决了节点设计难题。以下为本工程其中一处典型节点的分析。

本工程树形支撑节点是受力复杂部位，也是涉及安全的关键节点，主管为Φ1 300mm×50mm 钢管，支管为Φ500mm×30mm钢管，4 根支管通过一个厚50mm，φ1300mm 的半球面连接，球面下与支管对应位置设置了厚50mm 的十字交叉加劲肋。根据杆件计算内力，采用ABAQUS 进行了节点有限元分析，分析结果如图2 所示。

图2 树形支撑节点应力分布

从图2 可以看出，在最不利外荷载作用下，局部最大应力为180MPa，小于设计强度295MPa，安全可靠。

4 结语

（1）根据内罗毕南火车站的建筑空间造型特点，选择了钢结构体系，采用36m 大跨实腹式箱梁、81m 大跨桁架和树枝形柱支撑等结构型式，满足了建筑外形及功能的需求。

（2）通过反应谱分析、时程分析及动力弹塑性分析，表明内罗毕南站的各项地震作用控制指标均满足规范要求，体现了良好结构性抗震性能。

（3）通过温度作用分析，结果显示在升温工况下构件内部主要产生压应力，在降温工况下，结构内部主要产生拉应力，而且端部构件温度应力最大。压应力对结构构件更为不利，因此，结构施工时在合拢温度区间（17～27℃）段应选择温度较高时合拢对结构更为有利。

（4）通过对候车大厅楼板的舒适度分析，确保行人在大厅乘车行走的舒适度需求。

（5）通过阶段施工分析，考虑了阶段施工对结构内力的不利影响。

（6）复杂节点采用大型国际通用有限元软件分析，确保节点的安全。