趙建強(qiáng),朱丹暉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022)

1 概況

新建鐵路煙臺(tái)站站房方案構(gòu)思是以巨型拱門為立意,預(yù)示著城市面向世界,面向未來的“門戶”。中央大拱為雙層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),網(wǎng)殼厚度3.5～5.0 m,最高點(diǎn)距地面60 m,東西方向跨度為114 m,南北方向長(zhǎng)152.5 m,中部高度40.5 m,為一馬鞍形空間鋼結(jié)構(gòu),詳見圖1。大拱采用雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，大拱投影面積為1.5萬m2,總用鋼量1 100 t,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。大拱下部采用鋼筋混凝土剪力墻承重,墻厚700～1 000 mm,大拱通過抗震球形固定鋼鉸支座支撐于剪力墻上。因受下部鐵路站場(chǎng)等特殊條件的限制,大拱支座單側(cè)僅僅設(shè)置了8個(gè)支座,兩側(cè)對(duì)稱,共16個(gè)支座,單側(cè)支座間距為3.5～22.1 m,詳見圖2。大拱支座間距相差較大,給大拱受力帶來不利因素,支座型式的選擇及支座下預(yù)埋件的設(shè)計(jì)難度較大。

圖1 煙臺(tái)火車站建筑立面

圖2 網(wǎng)殼平面及支座布置(單位：mm)

2 支座選型

考慮大拱體量較大,受力情況復(fù)雜,對(duì)位移變形要求較高,所以對(duì)大拱進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)按固定鉸支座計(jì)算。經(jīng)過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,從支座反力中挑選出了最不利支座反力進(jìn)行支座設(shè)計(jì),并采用其余不利組合校驗(yàn)，見表1。

表1 支座最大反力統(tǒng)計(jì)

從計(jì)算結(jié)果可知,支座受力較大,而且該結(jié)構(gòu)屬于大型公共建筑,對(duì)安全性要求較高,選擇安全耐用的支座型式就尤為重要。

目前可應(yīng)用的結(jié)構(gòu)支座的類型很多,常用的支座有球形鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座、減震支座以及混凝土支座等。其中球形鋼支座傳力可靠,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,它不但具備盆式橡膠支座承載能力大,容許支座位移大等特點(diǎn),而且能更好地適應(yīng)支座大轉(zhuǎn)角的需要,與盆式支座相比具有下列優(yōu)點(diǎn)。

(1)球形鋼支座通過球面?zhèn)髁?不出現(xiàn)力的縮頸現(xiàn)象,作用在混凝土上的反力比較均勻。

(2)球形鋼支座通過球面聚四氟乙烯板的滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)過程,轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小,而且轉(zhuǎn)動(dòng)力矩只與支座球面半徑及聚四氟乙烯板的摩擦系數(shù)有關(guān),與支座轉(zhuǎn)角大小無關(guān),特別適用于大轉(zhuǎn)角的要求,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角可達(dá)0.05 rad。

(3)支座各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致,適用范圍廣。

(4)支座不用橡膠承壓,不存在橡膠老化對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)性能的影響,特別適用于低溫區(qū)。

普通的橡膠支座使用年限有一定限制,且使用過程中需要更換,而其他支座則難以承受如此大的復(fù)雜荷載,綜合考慮本工程的重要性及使用條件,決定選用抗震球形固定鋼鉸支座。支座上部與焊接空心球底座采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接,支座底部與埋件鋼板焊接?？拐鹎蛐喂潭ㄤ撱q支座結(jié)構(gòu)見圖3。

根據(jù)支座的受力情況,選定抗震球形固定鋼鉸支座技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 抗震球形固定鋼鉸支座(單位：mm)

表2 抗震球形固定鋼鉸支座(KQGZ)技術(shù)參數(shù)

3 支座連接計(jì)算

支座與上部焊接球節(jié)點(diǎn)底板采用高強(qiáng)螺栓連接,本支座采用24根10.9級(jí)M33摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。支座底板與預(yù)埋板的連接及預(yù)埋件的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

(1)計(jì)算條件

焊縫為部分熔透焊,焊縫有效高度20 mm。每側(cè)焊縫長(zhǎng)750 mm,共4條。焊縫采用E50型焊條,焊縫抗剪設(shè)計(jì)值采用170 MPa。支座反力見表2,計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖4。

圖4 支座焊縫計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：mm)

(2)計(jì)算依據(jù)：《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)

(3)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB50017—2003)7.1.3-1、7.1.5條

在合力作用下根據(jù)7.1.3-3式

焊縫1

焊縫2

焊縫受力均小于焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值170 MPa,焊縫滿足受力要求。

4 埋件計(jì)算

支座底板通過預(yù)埋件與下部鋼筋混凝土剪力墻連接,埋件承受的內(nèi)力較大,在常用的手冊(cè)和國(guó)標(biāo)圖集中難以查到合適的埋件,所以需要對(duì)埋件另行設(shè)計(jì)。根據(jù)最不利支座反力,剪力墻內(nèi)的埋件設(shè)計(jì)可以分為拉剪埋件和壓剪埋件,設(shè)計(jì)中為了減少埋件的種類,埋件偏安全地按拉、壓、剪設(shè)計(jì),拉力由錨栓承擔(dān),剪力由抗剪角鋼及抗剪鋼板共同承擔(dān)。

4.1 抗剪角鋼設(shè)計(jì)

因水平力為埋件設(shè)計(jì)的控制內(nèi)力,“對(duì)于有抗震設(shè)防要求及直接承受動(dòng)力荷載的預(yù)埋件不考慮壓力N產(chǎn)生的摩擦力0.3N”[1],全部水平力應(yīng)由抗剪鋼板和角鋼共同承擔(dān)。故可以根據(jù)水平力初步估算角鋼根數(shù)?？辜翡摪宓挠?jì)算公式如下[2]

0.7×k2×Av×fc≥0.3Vu；

式中k2——承載力折減系數(shù)；

Av——抗剪鋼板承壓面積,Av=av×hv；

av——抗剪鋼板長(zhǎng)度；

hv——抗剪鋼板高度；

Vu——配置直錨筋與抗剪鋼板的預(yù)埋件的受剪承載力設(shè)計(jì)值。

配置角鋼的錨筋的預(yù)埋件設(shè)計(jì)值[2]

式中Wmin——中和軸與剪力方向垂直的角鋼最小彈性截面抵抗矩；

b′——角鋼肢寬度；

n——角鋼根數(shù)；

ar——沿剪力方向錨筋排數(shù)影響系數(shù),對(duì)2排錨筋,取1.0,3排取0.9,4排取0.85；

fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Q235fy=300 MPa)；

fc——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(C40fy=19.1 MPa)。

角鋼型號(hào)選擇時(shí)應(yīng)考慮剪力墻中受力鋼筋的間距影響,鋼筋間距為130 mm,如果角鋼肢寬大于130 mm,則因角鋼和鋼筋抵觸,而難以插入墻內(nèi)。待肢寬確定應(yīng)后盡量采用厚角鋼,以便增大Wmin,根據(jù)以上條件確定選用等邊角鋼L100×16,其特性指標(biāo)為：Wmin=37 829 mm3,fy=300 MPa,fy=19.1 MPa，ar=0.85,k2=0.7，b′=100 mm,將該這些據(jù)代入上式,解得n=14,角鋼選用14根。

4.2 確定錨板尺寸

角鋼根數(shù)確定以后,下一步則根據(jù)構(gòu)造要求進(jìn)行角鋼布置。

(1)錨板厚度

(2)錨筋(角鋼)間距

邊距：順剪力方向(以下簡(jiǎn)稱x向)，ca≥3.5t且≥25 mm；經(jīng)計(jì)算,實(shí)際取125 mm。垂直剪力方向(以下簡(jiǎn)稱y向)，cb≥3.0t且≥25 mm；經(jīng)計(jì)算cb實(shí)際取150 mm。

中距：x向，b1≥3.0b′=300 mm,y向取300 mm。

(3)鋼支座底板和混凝土剪力墻平面尺寸對(duì)錨板的約束影響

因鋼支座底板和埋件頂板采用焊縫連接,錨板平面大小應(yīng)大于球形鋼支座的底板尺寸,查得球形鋼支座的底板為750 mm×750 mm。

根據(jù)以上計(jì)算,結(jié)合實(shí)際情況,順大剪力方向(X向)5排,每排3根,角鋼選用15根。則預(yù)埋板尺寸采用1 200 mm×1 600 mm,厚度30 mm。抗剪鋼板采用高度100 mm,厚18 mm鋼板。

4.3 抗剪鋼板驗(yàn)算

抗剪鋼板抗剪能力按雙向分別計(jì)算：0.7×k2×Av×fc=2 567 040 N=2 567 kN≥0.3Vu=1 570.4 kN；

說明抗剪鋼板僅需2根即可,其余抗剪鋼板可作為安全儲(chǔ)備。

4.4 錨栓驗(yàn)算

錨栓僅承擔(dān)拉力,受底部混凝土尺寸限制,預(yù)埋件僅可布置8根錨栓,則每根錨栓僅承擔(dān)拉力值為：F=Nz/8=498.8 kN。由鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范表3.4.1-4查得Q345級(jí)錨栓拉力設(shè)計(jì)值為180 MPa,則錨栓直徑D=60 mm。由于預(yù)埋件構(gòu)件較多,且與下部混凝土構(gòu)件中鋼筋交叉,為了確保支座安全,可增大錨栓直徑,以增加安全儲(chǔ)備,最終選定采用M85錨栓。

5 支座安裝

由于預(yù)埋件較多,和下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋多有交錯(cuò),施工過程中加強(qiáng)觀測(cè),混凝土澆筑時(shí)派專人在場(chǎng)監(jiān)控支座定位情況,通過對(duì)施工過程的嚴(yán)格控制,埋件就位良好,后續(xù)支座安裝定位準(zhǔn)確。支座及預(yù)埋件施工現(xiàn)場(chǎng)圖片詳見圖5、圖6。

圖5 支座現(xiàn)場(chǎng)施工圖片

圖6 預(yù)埋件圖片

6 結(jié)語

煙臺(tái)站改造工程已竣工3年并獲得國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)銀獎(jiǎng),期間經(jīng)歷了大風(fēng)雨雪天氣,經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè)大拱結(jié)構(gòu)及支座使用情況良好。事實(shí)證明,該工程抗震球形鋼鉸支座選型合理,設(shè)計(jì)安全可靠。通過該支座的設(shè)計(jì),有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1)建筑工程日趨新穎,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載復(fù)雜,選用合理的支座是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功的必要因素；

(2)抗震球形鋼支座技術(shù)成熟,安裝簡(jiǎn)便,在鋼與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連接時(shí)可優(yōu)先采用；

(3)支座設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視預(yù)埋件及加勁構(gòu)件設(shè)計(jì),并應(yīng)考慮施工便利性。施工時(shí)應(yīng)采取措施保證預(yù)埋件準(zhǔn)確就位；

(4)有條件時(shí),應(yīng)采用有限元軟件對(duì)支座進(jìn)行數(shù)值分析,以便為設(shè)計(jì)提供參考,保證設(shè)計(jì)安全。

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