黃 剛
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)
鐵路昆明南站位于呈貢新區(qū)吳家營片區(qū),車站距西面新建的市行政中心約3 km、距滇池約7 km,距離昆明站約28 km,車站外部造型結(jié)合昆明獨(dú)有的地域文化特點(diǎn),演繹“雀舞春城”的主題。新建昆明南客站后,樞紐內(nèi)將形成昆明站、昆明南站“兩站并重”格局。昆明南站設(shè)計(jì)總規(guī)模為16站臺30條到發(fā)線(含正線),鐵路車場布置渝昆場、滬昆場、云桂場三場。昆明南站車站建筑是新建昆明南站工程中的核心項(xiàng)目,它包括了客運(yùn)站房(約12萬m2)、站臺雨棚(約8萬m2)、北側(cè)軌行區(qū)下部架空停車場及換乘空間(約7萬m2)。見圖1。
圖1 昆明南站效果圖
昆明南站地上3層,地下1層。首層為地下1層,地面高程為-10.500 m,用于地下停車場、國鐵出站廳、地鐵入口及設(shè)備等。二層為站臺層,站臺面高程為±0.000 m,主要柱網(wǎng)為10.75 m×22 m;三層(9.500 m高程)為高架候車室,在站房外設(shè)置了高架車道及落客平臺;候車室四角設(shè)置有設(shè)備及商業(yè)夾層,樓面高程為16.7 m。建筑物室外屋面高度44.5 m。站房順軌方向?yàn)?26 m,垂直于軌道方向?yàn)?30.5 m,主要柱網(wǎng)為21.5 m×22 m。
昆明南站采用“橋建合一”的框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)[3]1.0.5條的要求,橋梁結(jié)構(gòu)的使用年限為100年。本工程±0.000 m(即承軌層)以下設(shè)計(jì)使用年限為100年;±0.000 m以上非承軌層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性為100年。為了提高站房結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了以下措施:(1)基本風(fēng)壓和基本雪壓均按100年一遇取值;(2)建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1;(3)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的混凝土等級、配比及相關(guān)參數(shù)、鋼筋保護(hù)層厚度按照100年使用年限確定。
《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2010)[1]規(guī)范中的昆明南呈貢區(qū)地震參數(shù):抗震設(shè)防烈度為8度,水平地震影響系數(shù)為0.16,設(shè)計(jì)地震加速度值為0.2g,地震分組為第3組,場地特征周期:0.45 s。昆明南站主站房建筑抗震設(shè)防類別為乙類。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)[1]和《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)[2],昆明南站房框架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用比一級更為有效的抗震構(gòu)造措施。
昆明南站房融鐵路橋梁與房屋建筑于一體,按照鐵路橋梁設(shè)計(jì)使用年限100年的要求,小、中震:承軌層按照規(guī)范反應(yīng)譜的1.4倍取值;其他結(jié)構(gòu)為50年規(guī)范反應(yīng)譜。大震按3條地震時程曲線計(jì)算結(jié)果取包絡(luò),進(jìn)行了大震動力彈塑性反應(yīng)分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果有針對性的調(diào)整結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件大小、梁柱配筋等[11]。
在多遇地震(小震)作用下滿足抗震性能第1水準(zhǔn)的要求,即昆明南站站房所有構(gòu)件處于彈性,滿足承載力和變形的要求,保證小震不壞。設(shè)防地震(中震)作用下,采用必要的抗震措施保證中震可修的目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和重要構(gòu)件:承軌層梁和柱、支撐屋面結(jié)構(gòu)柱子、轉(zhuǎn)換梁——承載力性能2,其中高架候車層以上結(jié)構(gòu)變形控制按性能3(中震不屈服)要求;一般構(gòu)件:其他梁柱、0.000~9.5 m的柱子——性能3。罕遇地震作用下,變形符合規(guī)范的要求,采取必要的措施實(shí)現(xiàn)大震不倒的目標(biāo),滿足抗震性能第4水準(zhǔn)的要求[11]。
由于《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[3]溫度作用為附加力,在橋梁組合中不折減,溫度荷載取值考慮混凝土結(jié)構(gòu)收縮和室外溫度變化的影響?!督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)昆明地區(qū)的基本氣溫:最高為28 ℃,最低為-1 ℃;考慮合龍溫度為10~15 ℃。溫度作用為降溫16 ℃,升溫18 ℃??紤]混凝土收縮-10 ℃和徐變引起的應(yīng)力松弛系數(shù)0.4。
昆明南站二期恒載采用200 kN/雙線;利用midas gen軟件試算樓面荷載計(jì)算構(gòu)件的內(nèi)力,將彎矩、剪力包絡(luò)值,面荷載按照等效原則取值為20 kN/m2。
考慮到車站只運(yùn)行客車的條件,列車靜活載取ZK活載;列車動活載按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)[5]計(jì)算,取列車靜活載乘以動力系數(shù)(1+μ)。ZK標(biāo)準(zhǔn)荷載形式見圖2。
圖2 ZK標(biāo)準(zhǔn)荷載形式(單位:m)
將列車活載加載圖示等效成均布面荷載的方式處理,并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮列車活荷載的最不利布置,保證構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)滿足受力要求,即將ZK荷載施加于midas civil軟件利用影響線計(jì)算結(jié)果,試算樓面均布荷載使梁柱各構(gòu)件滿足彎矩、剪力的包絡(luò)值,考慮動力沖擊系數(shù)μ=1.2,活載取值為20 kN/m2。
橫向搖擺力取100 kN,其作用點(diǎn)位于垂直于線路方向的結(jié)構(gòu)層(±0.000高程),每一結(jié)構(gòu)區(qū)段只考慮一個橫向搖擺力。列車制動力和牽引力按列車豎向靜活載的10%計(jì)算。制動力與牽引力是順軌方向的水平力,以集中力按不利位置考慮就行。鋼軌伸縮力按35 kN/軌/柱計(jì)算,設(shè)計(jì)時,首先計(jì)算出該軌道下部的承重柱數(shù)目,從而計(jì)算出該根軌道的伸縮力,該伸縮力為沿軌道方向的水平力,作用于沿軌道方向的樓層(±0.000高程)。斷軌力只考慮一線一軌,其他線考慮鋼軌伸縮力。
承軌結(jié)構(gòu)層及站臺層主要用于火車??考奥每蜕舷萝囀褂谩T搶硬捎娩摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu),主框架梁及承托列車軌道次梁為鋼骨混凝土梁,框架柱為鋼骨鋼筋混凝土柱。本層作為承托列車的主要載體,其構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足鐵路工程相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求;同時,本層作為上部站房結(jié)構(gòu)的一部分,也必須滿足相關(guān)民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,因此本層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須兼顧鐵路工程和民用建筑的相關(guān)要求。為此,特按如下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[7,10]。
(1)采用整體模型進(jìn)行計(jì)算,承軌層活荷載按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的規(guī)定并根據(jù)昆明南站房的具體布置取值,鑒于樞紐型車站,列車經(jīng)過和停留頻繁,列車荷載作為可變荷載,其組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)采用了與汽車庫中汽車可變荷載相同的系數(shù);在不同的設(shè)計(jì)組合中,對溫度作用效應(yīng)的組合值系數(shù)取0.6,頻遇值系數(shù)取0.5,準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.4。
按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的規(guī)定,參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)進(jìn)行荷載組合并結(jié)合昆明南站房結(jié)構(gòu)的特殊性,考慮列車在線路上不同位置和站場內(nèi)的不同位置對承軌層的不利影響,求出各構(gòu)件的設(shè)計(jì)內(nèi)力,并根據(jù)此內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)??拐鹪O(shè)計(jì)時,分別進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震下的地震計(jì)算,結(jié)構(gòu)安全等級為一級。
(2)采用整體模型進(jìn)行計(jì)算,承軌層活荷載按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的規(guī)定并根據(jù)昆明南站房的具體布置取值,采用《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中的規(guī)定進(jìn)行荷載組合,考慮列車在線路上不同位置和站場內(nèi)的不同位置對承軌層的不利影響,求出各構(gòu)件的包絡(luò)內(nèi)力,并根據(jù)此內(nèi)力按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)的容許應(yīng)力法進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。
來的親戚朋友,也要放炮仗。比較特別的是,見不到嗩吶,整個葬禮,既見不到嗩吶,也見不到敲鑼打鼓的娛樂場面。大概能夠娛樂的,就只有蘆笙了(唯一的鼓在棺材邊掛著,不能隨便敲)。
抗震計(jì)算采用整體計(jì)算模型,計(jì)算參數(shù)采用《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB50111—2006)設(shè)計(jì)地震的設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算出構(gòu)件的包絡(luò)內(nèi)力,并根據(jù)此內(nèi)力按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的容許應(yīng)力法進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。
對比方法(1)和方法(2)構(gòu)件配筋結(jié)果,在滿足各自對應(yīng)規(guī)范所要求的強(qiáng)度、變形、裂縫的前提下,取兩者之間的大值作為構(gòu)件的實(shí)際配筋[12]。
多遇地震作用下鋼骨混凝土柱層間位移角限值:1/550;罕遇地震作用下鋼骨混凝土柱層間位移角限值:1/50;多遇地震作用下鋼管混凝土柱層間位移角限值:1/300;罕遇地震作用下鋼管混凝土柱層間位移角限值1/50。鋼管混凝土框架風(fēng)荷載作用下層間相對位移與層高之比不大于1/400;雨棚鋼管混凝土柱風(fēng)荷載作用下層間相對位移與層高之比不大于1/150。在建筑規(guī)范中,承軌層梁、板裂縫控制等級為三級,環(huán)境類別為一類,最大裂縫為0.3 mm,在橋梁結(jié)構(gòu)中一般大氣條件下的無防護(hù)措施鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度不超過0.2 mm,因此昆明南站的承軌層梁、板裂縫按照0.2 mm控制;其他建筑結(jié)構(gòu)梁、板裂縫寬度不大于0.3 mm。
梁式橋跨結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度不超過L/800(邊跨),L/700(中跨)。在列車搖擺力、離心力和風(fēng)力的作用下,梁體的水平撓度應(yīng)小于或等于梁體計(jì)算跨度的1/4 000。
昆明南站主站房平面尺寸226 m×430.5 m,按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)的要求,為避免過大的溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,順軌方向通過設(shè)置兩道變形縫將平面分割成三部分,分別位于Q、H軸,橫軌方向也通過設(shè)置兩道變形縫將平面分割成B1、B2、B3三部分。在承軌層(±0.000 m)以下采用雙柱設(shè)縫,縫寬150 mm,高架層(9.500 m)采用鋼桁架布置于一個柱跨,一端滑動,一端固定。屋面在Q~R軸、H~G軸橫軌向桁架跨中設(shè)置伸縮縫,如圖3所示。
圖3 變形縫處剖面
昆明南站站房結(jié)構(gòu)及雨棚結(jié)構(gòu)分析主要應(yīng)用了PKPM和MIDAS/GEN軟件(7.8.0)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。PKPM主要是分區(qū)進(jìn)行匡算結(jié)構(gòu),MIDAS主要分析屋面、整體模型以及雨棚等,梁、柱及桁架采用梁單元,板采用薄殼單元,為考慮樓板結(jié)構(gòu)的剛度作用,結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時將樓面結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行了偏置。
5.2.1 整體計(jì)算模型
圖4 站房結(jié)構(gòu)整體模型
5.2.2 模態(tài)分析
質(zhì)量按照重力荷載代表值進(jìn)行計(jì)算,9.5 m高架候車室樓板按照彈性樓板考慮。結(jié)構(gòu)的振動周期及頻率見表1。
表1 整體結(jié)構(gòu)自振周期
結(jié)構(gòu)主要振動形態(tài)見圖5。
圖5 整體模型振型圖
前3階振型為Y向平動,第4階振型為X向平動,第5、6階振型為X向平動+扭轉(zhuǎn),第7階振型為扭轉(zhuǎn)。通過觀察振型,可發(fā)現(xiàn)前45階振型主要為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的振動,從第46階振型開始出現(xiàn)下部框架結(jié)構(gòu)樓面板的整體豎向振動,因而下部混凝土框架結(jié)構(gòu)的剛度較上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)要大得多。
5.2.3 站房結(jié)構(gòu)分析
昆明南站B區(qū)站房混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下層間位移角計(jì)算結(jié)果見表2,X方向?yàn)轫樮壏较?,Y方向?yàn)榇管壏较?,單向地震考慮了5%的偶然偏心影響。其中承軌層為小震100年規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果,其他層為50年計(jì)算結(jié)果。
表2 B區(qū)單向地震作用下層間位移角計(jì)算結(jié)果
5.2.4 屋面計(jì)算分析
在荷載組合作用下,屋面桁架豎向最大位移,詳見圖6,最大應(yīng)力比詳見圖7。
圖6 空間桁架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)組合下豎向位移(最大0.171 m)
圖7 空間桁架結(jié)構(gòu)主構(gòu)件應(yīng)力比云圖
在X、Y向單向地震作用下,屋面桁架的最大水平位移分別為114、154 mm。
屋面空間桁架最大應(yīng)力比0.9,桁架弦桿應(yīng)力比控制在0.85以下。支撐屋面鋼管混凝土柱最大應(yīng)力比0.81。中震下的支撐屋蓋鋼管混凝土柱最大應(yīng)力比為0.96,保持彈性狀態(tài),順軌向的層間位移1/256,垂軌向的層間位移1/235,能滿足性能2要求。
5.2.5 中震計(jì)算分析
由于承軌層的設(shè)計(jì)使用年限為100年,對于承軌層的地震效應(yīng),還考慮了1.4的放大系數(shù)[1]。以B2區(qū)為例,分別進(jìn)行了50年小震和50年中震(高架層),以及100年小震和100年中震(承軌層)彈性分析計(jì)算。小震和中震下各層的地震剪力和位移見表3、表4。
表3 小震和中震下B2區(qū)地震剪力 kN
表4 小震和中震下B2區(qū)地震位移
對比小震和中震的計(jì)算結(jié)果,中震下構(gòu)件內(nèi)力增加顯著。按照抗震性能目標(biāo),承軌層梁和柱、支撐屋面結(jié)構(gòu)柱子、轉(zhuǎn)換梁等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件在中震下應(yīng)基本完好且基本保持彈性狀態(tài)。
(1)昆明南站站房混凝土結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土結(jié)
構(gòu),較好地滿足了建筑功能和平面、空間以及造型的需求,特別是在高烈度地震區(qū)域,能保證結(jié)構(gòu)的安全性。
(2)“橋建合一”設(shè)計(jì)思路即同時滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)和鐵路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,滿足抗震性能的要求,并取其設(shè)計(jì)效應(yīng)較大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù),是可行、可靠的。
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