佛山西站站房结构防连续倒塌研究

倪 勇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 工程概况

佛山西站位于佛山市西北部桂丹璐东侧的平塘村,东邻城市主干道兴塱路、南侧为城市快速路桂丹路、西侧为城市主干道工业大道、北侧为规划城市主干道兴业路,为我国第一座特大型线正下式车站,车站旅客最高聚集人数为8 000人,高峰小时旅客发送量11 100人。

佛山西站主站房南北双向布置,建筑面积59292m2;线侧站房建筑面积8708m2。主站房中部为无站台柱雨棚,投影面积69836m2,南北总长243.1m,东西总长210.1m。在主站房的正下方,设置地铁车站,并在地铁车站两侧设置地下商业设施。主站房地上4层,地下2层。4层是无站台柱雨棚,3层是站台层,2层为出站层、旅客活动平台、设备用房,1层为主要的旅客候车区域,地下1层为地铁3、8号线的站厅层和地下空间开发,地下2层为地铁3、8号线的站台层。主站房以外地上4层。佛山西站整体鸟瞰图见图1,剖面图见图2。

图1 佛山西站整体鸟瞰图

图2 佛山西站剖面图

2 结构体系

站房雨棚为交叉拱单层网壳+钢管混凝土柱结构。雨棚柱落在承轨层框架结构和桥梁轨道梁间的横隔梁上,雨棚柱落地处以地下结构作为支承。雨棚屋盖顺轨方向柱网间距33.75、32.7、24m,垂轨方向柱网最大间距为32.525m。

本文研究对象为主站房及雨棚,整体模型示意图如图5所示,图中C1、C2C3、C4、K1、K2、K3、K4、K5为8个独立的钢筋混凝土结构单元。

图5 整体结构三维模型图[1]

3 结构防连续倒塌设计及分析方法

3.1 防连续倒塌设计

佛山西站主要荷载的传力路径:雨棚及楼面恒荷载或活荷载等竖向荷载,通过网壳或楼面梁板传递至框架柱,通过框架柱传递至基础。雨棚上吸风荷载与竖向荷载传递类似,水平风荷载通过一侧的框架结构的梁柱传递至楼面梁和网壳,再由楼面梁及网壳传递至其他跨的框架柱,最终由框架柱传递至基础。

根据我国现行标准《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)[2]、《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)[3]、《建筑结构抗倒塌设计规范》(T/CECS 392—2021)[4]及相关美国规范GSA 2013[5],站房框架柱作为本结构唯一的一种竖向构件,当发生破坏时,会导致框架梁的跨度加倍或者悬挑,进而导致该柱附近的框架梁甚至局部屋盖破坏;而由于该处框架梁的破坏,楼面和屋面荷载的传力路径发生改变,随着结构内力的重分配,周边构件的压力增大,有可能导致破坏范围的进一步扩大,进而发生连续倒塌。

图6为主站房中柱破坏时荷载传递路径变化的示意图。由图可得,当乘客大量聚集的站台层中柱发生破坏时,屋盖的一个支撑破坏,如果四周的框架柱能够承担破坏处的屋盖荷载,结构能够在一个新的受力稳定位置保持平衡,结构不会发生连续倒塌。

图6 中柱上段破坏时荷载重分布

图7为中柱在站台层下方破坏时荷载传递路径变化的示意图。由图可得,屋面荷载通过上半段中柱传递至楼面梁上,而楼面梁的跨度由于下半段中柱破坏而加倍,局部结构破坏。局部结构的破坏导致结构发生较大变形,内力重新分布。站台层楼面梁和屋面网壳及上半段中柱形成了一个新的平衡体系,共同承担楼面和屋面荷载。新形成的结构有很强的承载能力,如果节点区不发生破坏,结构基本不会发生连续倒塌。

边柱的破坏与中柱的破坏类似,只是边柱破坏后,荷载向三面传导,后续承担荷载的构件少了,但是边柱分摊的荷载也少,能否发生连续倒塌尚需进一步分析。角柱的破坏产生了大悬挑的梁及网壳,荷载传递只能向两个方向的竖向构件传递,比边柱破坏更为不利。

本工程结构安全等级为一级,结构存在大跨度、大空间,承轨层采用“桥建合一”框架结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[6]第3.12.1条的规定,分别采用静力弹性、动力弹塑性拆除构件法[4]分析结构的内力、变形及内力重分布过程。

3.2 防连续倒塌分析

3.2.1 静力弹性拆除构件法

8个独立单元采用SATWE软件分析,无站台柱雨棚和站台立柱雨棚采用SAP2000软件分析。8个独立单元中,以C1单元为例进行介绍。

C1单元主要对框架柱进行拆除分析,选取跨度较大的中柱和边柱进行拆除,拆除之后的剩余结构模型三维图如图8所示。图9为C1单元在荷载组合Ad(D+L)+0.2W(Ad为动力放大系数,D为恒荷载,L为活荷载,W为风荷载,余同)作用下的位移示意图,从图中可以看出,中柱和边柱拆除后位移较大的区域仅限于拆除构件相邻区域,未造成其他跨区内较大的位移。

图8 C1单元框架柱拆除后剩余结构模型

图9 C1单元框架柱拆除后剩余结构模型位移示意图

不同荷载工况下,C1单元拆除框架柱后的最大位移计算结果见表1。由表可得,拆除边柱后结构最大位移120.5mm;拆除中柱后,结构最大位移66.4mm。

表1 不同荷载工况下拆除框架柱后结构最大位移/mm

无站台柱雨棚单元选取跨度较大的中柱和边柱进行拆除分析,拆除之后的剩余结构模型三维图如图10所示。图11为结构在Ad(D+L)+0.2W荷载组合下的位移示意图,从图中可以看出,该模型中柱和边柱拆除后位移较大的区域仅限于拆除构件相邻区域,未造成其他跨区内较大的位移。

图10 无站台柱雨棚框架柱拆除后剩余结构模型[1]

图11 无站台柱雨棚框架柱拆除后剩余结构模型位移示意图[1]

不同荷载工况下,无站台柱雨棚拆除框架柱后的最大位移计算结果见表2。由表可得,拆除边柱后,结构最大位移2283.4mm;拆除中柱后,结构最大位移164.0mm。

表2 无站台柱雨棚拆除框架柱后的最大位移/mm

表3为拆除杆件后结构的最大挠跨比。由表可得:K5单元和立柱雨棚单元均为单跨结构,冗余度较少,拆除框架柱后结构的挠跨比都大于1/50。另外无站台柱雨棚单元角柱拆除后,结构的挠跨比也较大。除C4单元外,其余结构单元相对规则,跨度均匀,拆杆后结构的挠跨比基本小于1/100。

表3 拆除模型剩余结构最大挠跨比

3.2.2 动力弹塑性拆除构件法

本计算分析采用ABAQUS软件,根据静力弹性拆杆分析结果及结构特点,本次整体结构的动力弹塑性模型计算主要考虑了6种拆除情形:无站台柱雨棚的角柱拆除;无站台柱雨棚的中柱拆除;立柱雨棚的角柱拆除;支撑立柱雨棚的K2中柱拆除;K5边柱拆除;C4角柱拆除。

根据结构构件的受力及弹塑性行为,主要选用的单元形式有:四边形或三角形缩减积分壳单元,用于模拟楼板;梁单元用于模拟结构楼面梁、柱等。在倒塌过程的弹塑性分析中混凝土结构阻尼比取0.05,钢结构阻尼比取0.02,计算时长取20s。

本工程中主要有混凝土和钢材两类基本材料,混凝土采用弹塑性损伤模型,该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质,见图12、13,图12、13中符号解释详见文献[7]第3.3节。混凝土材料轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[8]表4.1.3取值。

图12 混凝土受拉及受压应力-应变曲线及损伤示意图

图13 混凝土拉压刚度恢复示意图

钢材采用双线性随动硬化模型,如图14所示。考虑包辛格效应,在循环过程中,无刚度退化。计算分析中,设定钢材的强屈比为1.2,极限应变为0.025。

图14 钢材双线性随动硬化模型示意图

本文以K5单元边柱拆除为例,假设支撑无站台柱雨棚的K5边部的钢管混凝土柱发生破坏,根据受力分析及计算结果,重点研究的节点与构件见图15。

图15 K5区边跨高架层边柱失效时的特征点

自K5边部的钢管混凝土柱被拆除开始,结构就进入动力反应过程,图16是结构在0.7、1.8、9.9、20.0s的位移云图。由图可得,结构的变形集中在拆除柱的周围小片区域,最大位移0.88m。

图17为拆除杆件后的部分典型节点的位移时程曲线。从图中可以看出,节点A在0.7s位移达到最大值0.67m,随后处于振荡状态,位移不断发展,到20s时,节点A位移基本稳定在0.6m左右;节点位移反应较大的位置均集中在拆除柱周围小片区域;节点B～D的位移反应很小,这说明,拆除的钢管混凝土柱发生破坏,并没有波及相邻的结构。

图18为K5边部钢管混凝土柱被拆除后结构在0.7、1.8、9.9、20.0s的von Mises应力云图。从图中可以看出,应力较大的位置出现在拆除柱附近的屋面梁结构,其他部位的应力较小。

图18 典型时间点的结构von Mises应力云图/(kN/m2)

图19是相邻单元柱A～C内钢筋的应力时程曲线。由图可得,构件稳定后的柱内钢筋应力约为100MPa;根据计算结果,拆除柱附近的梁钢筋应力稳定后保持在300MPa左右。这说明结构未发生破坏,也没有发生连续倒塌。

图19 相邻单元柱A～C应力时程曲线

图20是K5边部的钢管混凝土柱被拆除后周围构件在0.7、20.0s的塑性应变分布云图。从图中可以看出,在0.7s时,与拆除柱相连的梁和柱B发生塑性应变,并一直持续到20s,塑性应变的最大值没有增加,其余结构构件大部分处于弹性状态。

图20 典型时间点的塑性应变云图

图21为相邻单元柱A～C的柱脚轴力时程曲线图。从图中可以看出,拆除该钢管混凝土柱后,相邻单元柱A～C轴力迅速上升,20s后结构受力趋于稳定,形成新的结构体系,结构未发生连续倒塌。

图21 相邻单元柱A～C的柱脚轴力时程曲线

静力弹性分析和动力弹塑性分析位移计算结果对比见表4。由表可得,雨棚拆除角柱后,结构局部发生破坏,两种计算方法的结构最大位移相差较大;拆除无站台柱雨棚的中柱后,两种计算方法的结构位移相差不大。

表4 静力弹性分析和动力弹塑性分析位移对比

4 结论

(1)对同一个结构,拆除角柱、边柱后剩余结构的位移值比拆除中柱的位移值大,角柱、边柱的破坏危害性更大,结构设计中应对角柱、边柱及相连结构进行加强设计。

(2)破坏柱对应位置处的屋面悬挑端的位移较大,其他区域的位移较小,结构整体应力较小,塑性发展只局限于与被拆除柱临近的屋面和楼面结构局部区域,在构件破坏后一定时间内结构受力趋于稳定,形成新的结构受力体系。

(3)单跨结构的冗余度较小,当结构边柱的破坏导致楼面梁跨度增大至原来的一倍,且由于荷载的动力效应,结构位移突增,设计中应避免单跨结构,当不可避免时,应加强结构构造,提高结构冗余度。

(4)佛山西站结构具有足够的冗余度,在遭遇局部的偶然荷载时,出现局部结构轻微破坏,不会发生连续倒塌。