劉傳梅， 唐 偉， 王 芳， 吳建樂， 孫會郎

(杭州中聯(lián)筑境建筑設計有限公司， 杭州 310011)

1 工程概況

濰坊北站(圖1)位于山東省濰坊市，主要包含火車站站房、站臺雨棚和其他配套工程，本文主要介紹火車站站房的結構設計。濰坊北站站房建筑面積為60 000m2，車站最高聚集人數(shù)1 500人，屬中型鐵路旅客站，按七臺二十線進行設計。

圖1 建筑效果圖

站房由下往上平面呈“工”字形，包括出站層(標高-10.800m)、廣場層(標高-7.800m)、承軌層(標高-2.550m)、站臺層(標高±0.000m)、候車層(標高9.600m)、商業(yè)夾層(標高18.000m)，候車層屋頂屋脊線標高約為30.650m，站房屋頂標高為23.000～31.250m，是不規(guī)則折板屋蓋。其中，站臺層平面尺寸約為168.4m×323.90m，候車層平面尺寸約為117m×293.9m，屋蓋平面尺寸約為194m×350m。普通層典型跨度15，18，22，24，24.6，28.5m，承軌層典型跨度15，18，24，7.3m，候車層及站房屋蓋鋼結構最大跨度約為54m。

本工程抗震設防類別為乙類，結構安全等級為一級，地基基礎設計等級為甲級?；撅L壓為0.40kN/m2(50年一遇)、0.45kN/m2(100年一遇)；基本雪壓為0.35kN/m2(50年一遇)、0.40kN/m2(100年一遇)，地面粗糙度類別為B類。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗規(guī))，本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，場地土類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s，小震影響系數(shù)最大值為0.12(承軌層以上部位)、0.156(承軌層及以下層)。本工程以基礎頂作為上部結構嵌固端。

2 站房結構設計

2.1 結構設計特點

本工程高架站房結構與鐵路橋梁結構(承軌層)采用“橋-建”合一結構體系，承軌層及以下部位結構設計應同時滿足鐵路橋梁和民用建筑相關設計標準的要求，上部結構應滿足民用建筑相關設計標準[2]的要求。承軌層及以下部位結構設計基準期及設計使用年限均為100年；承軌層以上結構設計基準期為50年，設計使用年限為50年，耐久性年限為100年。對于設計使用年限為100年的結構設計，其荷載及作用均要根據(jù)規(guī)范相關規(guī)定做出調(diào)整：根據(jù)抗規(guī)，設計使用年限為100年時，其地震作用調(diào)整系數(shù)可取1.3～1.4；根據(jù)《工程結構可靠性》(GB 50153—2008)[3]，設計使用年限為100年時，活荷載調(diào)整系數(shù)為1.1。本工程對承軌層及以下部位結構考慮設計使用年限為100年后，地震調(diào)整系數(shù)取值1.3，活荷載調(diào)整系數(shù)取值1.1。

2.2 結構體系選擇

站房主體結構為鋼-鋼筋混凝土混合框架結構[4]。廣場層、候車層及商業(yè)夾層采用型鋼混凝土框架柱+型鋼混凝土框架梁+鋼筋混凝土次梁(雙向布置)+鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，候車層典型結構平面布置見圖2。站臺層包含南北側式站房的落客平臺及站臺次結構，落客平臺層東西向長168.4m，南北向長63.8m，構件類型同候車層；站臺次結構采用鋼筋混凝土小框架。承軌層采用型鋼混凝土柱+部分鋼筋混凝土柱(僅伸至承軌層)+鋼筋混凝土框架梁+鋼筋混凝土次梁(單向布置)+鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，承軌層順軌向長112.7m，垂軌向長194.3m，承軌層典型結構平面布置見圖3。由于正線橋的設縫脫開，承軌層分成4個溫度區(qū)段，圖3為從南往北數(shù)第2個溫度區(qū)段。屋蓋鋼結構體系由大跨空間桁架[5]、單向平面次桁架、鋼檁條與水平支撐體系組成。

圖2 候車層典型結構平面布置圖

圖3 承軌層典型結構平面布置圖

2.3 結構防震縫設置

本工程在南北側式站房與候車層之間設縫脫開，站房屋蓋鋼結構南北向長約350.0m，其中B，C區(qū)南北向最長結構單元為132.95m，東西向最長結構單元為96.9m；A，D區(qū)東西向最長結構單元為194m，最大外懸挑長度約38.5m。同時，候車層因分期建設問題又增加1道結構縫，因此站房主體共有3道防震縫[6]將整個結構(包括屋蓋鋼結構)分為A，B，C，D四個區(qū)，如圖4所示。

圖4 站房結構分縫示意圖

2.4.1 基礎設計

本工程地下室采用灌注樁+筏板的基礎形式，典型樁基布置如圖5所示，非地下室區(qū)域采用灌注樁+承臺的基礎形式，樁端均以變粒巖為持力層。由于站房城市通廊南北向下部有地鐵結構貫穿，地鐵與站房基礎施工次序為：基坑開挖→地鐵主體結構施工→基坑回填至站房底板底→站房樁基施工。地鐵結構與站房結構的相對關系如圖6所示，由圖6可見，因有17m左右的回填土，城市通廊中軸線4排柱子在布置樁基時，樁基設計應考慮負摩阻力的不利影響[7]，同時，也應考慮底板傳至基礎的荷載，方能保證4排柱子基礎設計的安全性。地下室樁徑1.2m，底板厚度800mm，地鐵換乘處底板厚度1 200mm，1.2m樁徑對應的樁基承載力特征值為11 000kN，對應的17m回填土的負摩阻力為2 000kN；非地下室樁徑1.0m，其樁基承載力特征值為7 700kN。鑒于試樁噸位較大，本工程最終采用了錨樁法進行樁基的靜載試驗。因持力層起伏較大，1.2m樁基長度為57～72m(長徑比為47.5～60)，1.0m樁基長度為66～80m(長徑比為66～80)，均為超長樁基，為保證成孔及樁身質量，樁基施工之前進行了專家論證。

圖5 典型樁基布置圖

圖6 地鐵結構與站房結構相對關系示意圖

2.4.2 屋頂鋼結構設計

A，D區(qū)鋼屋蓋東西長約188m，南北長約75m，最大跨度為54m，最大懸挑約39m。整個屋蓋采用多塊折板相連，采用雙向折線空間三角形桁架找形；門廳入口采用“W”形支撐桁架，“W”形支撐桁架底部兩個支點落在對應的框架柱上，“W”形支撐桁架上部兩側支點支承屋蓋懸挑桁架，上部中間支點為門廳入口屋脊頂點，見圖7，8。本文重點介紹39m懸挑桁架和“W”形支撐桁架的設計與分析。

圖7 A，D區(qū)屋蓋鋼結構軸測圖

圖8 A，D區(qū)屋蓋鋼結構平面布置圖

(1)39m懸挑桁架的變形計算分析

A，D區(qū)最大懸挑部位距離主桁架中心約39.1m，且主桁架自身懸挑長度也達18.4m左右，見圖9。為減少懸挑角部豎向變形，設計中采取了以下措施：1)增加主桁架尤其是懸挑部位桁架剛度，桁架高度按照1/5懸挑長度取值為3.6m；2)“W”形支撐桁架上部支點盡量往角點靠近，最終定為距離角點為14m左右。通過采取上述措施，大大增加了主桁架和“W”形支撐桁架的空間剛度。最大懸挑部位在1.0恒荷載+1.0活荷載工況下，豎向變形為103mm，撓度為1/757；在1.0恒荷載+1.0風荷載作用下，豎向變形34mm，撓度為1/2294，變形均滿足規(guī)范要求。

圖9 A，D區(qū)角部懸挑部位結構平面布置圖

(2)“W”形支撐桁架應力分析

“W”形支撐桁架，采用近似“空腹三角桁架”形式，見圖10。各三角腹桿平面外聯(lián)系采用鋼拉桿，鋼拉桿截面為φ50和φ80，強度等級為650級。鋼拉桿交叉點采用鋼拉桿錨具連接，見圖11。僅受恒荷載作用時，“W”形支撐桁架上弦桿受拉，下弦桿受壓，“空腹三角桁架”腹桿受力為一拉一壓，鋼拉桿僅受拉力；風吸力作用時，軸力受力情況與上述剛好相反。在各種工況組合下，桿件的最大應力比在0.8左右，滿足規(guī)范要求?？梢?，“W”形支撐桁架采用這種近似“空腹三角桁架”+交叉鋼拉桿組合形式，既能滿足受力要求，又能夠達到良好的建筑效果。

圖10 “W”形支撐桁架立面圖

圖11 鋼拉桿錨具連接

(3)“W”形支撐桁架支座節(jié)點有限元分析

“W”形支撐桁架支座采用銷軸支座，銷軸直徑為200mm，見圖12。此支座節(jié)點承受彎矩、剪力及軸力，受力比較復雜，采用ANSYS軟件對該節(jié)點進行有限元計算分析。在罕遇地震作用下，此支座鑄鋼節(jié)點von Mises應力最大約為220N/mm2，小于設計強度295N/mm2，應力云圖見圖13，節(jié)點大部分仍處于彈性范圍，應力較大處主要由應力集中產(chǎn)生，可通過在鑄造時倒角來進一步降低應力。此支座鑄鋼節(jié)點最大變形為1.3mm，滿足規(guī)范要求。在罕遇地震作用下，此支座銷軸底板節(jié)點應力最大約為137N/mm2，小于設計強度295N/mm2，應力云圖見圖14，節(jié)點大部分仍處于彈性范圍，節(jié)點最大變形為0.23mm，滿足規(guī)范要求。由此可見，采用鑄鋼銷軸支座，在罕遇地震作用下，整個節(jié)點仍處于彈性狀態(tài)，且通過對個別位置進行倒角處理，可以避免應力集中。

圖12 “W”形支撐桁架支座節(jié)點

圖13 “W”形支撐桁架支座節(jié)點von Mises應力云圖/(N/mm2)

圖14 “W”形支撐桁架支座銷軸底板von Mises應力云圖/(N/mm2)

3 承軌層列車動荷載等效方法

承軌層為列車行駛的結構樓層，見圖15。本工程承軌層以下沿垂軌向在大柱網(wǎng)之間增加柱子布置，間距控制在6～7.5m左右。采用次梁順軌的單向布置方式，最大跨度結構布置方式見圖16。采用順軌單向布置方式的優(yōu)點是可以將軌行區(qū)的次梁簡化為連續(xù)多跨梁，受力明確，方便計算分析。承軌層設計應考慮高速鐵路列車荷載。高速鐵路列車設計活荷載應采用ZK活荷載，ZK活荷載是一組移動荷載，在目前常用的民用建筑設計軟件中，很難實現(xiàn)移動荷載的輸入，如何將ZK活荷載等效成民用建筑的常規(guī)活荷載，是保證其荷載精確性及承軌層設計安全性的關鍵，ZK標準活荷載如圖17所示。

圖15 承軌層剖面圖

圖16 承軌層順軌向最大跨度結構布置圖

圖17 ZK標準活荷載

本工程承軌層活荷載取值過程如下：1)將承軌層順軌方向的軌承區(qū)梁簡化為連續(xù)梁；2)根據(jù)影響線原理，且不考慮異符號影響區(qū)段，求出承軌層各個控制部位最大的內(nèi)力；3)根據(jù)各個控制部位內(nèi)力，求出等效均布荷載Qe；4)根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)附錄C[8]，按照簡支梁影響線計算出不同跨度的等效均布荷載qe；5)最后綜合考慮取max[Qe,qe]，作為本工程承軌層軌行區(qū)列車等效荷載。本工程按連續(xù)梁計算結果得到Qe最大值為103kN/m；按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[8]附錄C，可求出15m加載長度的等效荷載為140.5kN/m,24m加載長度的等效荷載為123.7kN/m，qe最大值為140.5kN/m。綜上所述可得：1)列車等效荷載按照規(guī)范取值更為安全，本工程列車等效荷載取值為140.5kN/m，另考慮列車動力系數(shù)為1.27，最終列車等效荷載取178.44kN/m；2)列車的等效荷載的大小，與承載梁跨度密切相關，跨度越大，等效荷載值越?。环粗?，跨度越小，等效荷載值越大，這與規(guī)范取值規(guī)律一致。

4 超長結構溫度作用及加強措施

A區(qū)落客平臺層結構單元東西長168.4m，南北長63.7m，屬于超長結構。在設計過程中，考慮溫度作用，并假定樓板為彈性板，進行樓板的應力分析和配筋計算。溫度取值如下：濰坊市的平均最高溫度為36℃，平均最低溫度為-12℃；極端高溫為41.4℃,極端低溫為-16.6℃，設計要求結構合攏環(huán)境溫度為10～15℃。模型計算時，鋼結構屋蓋的正溫度差ΔT=32℃，負溫度差ΔT=-32℃；普通層的正溫度差ΔT=26℃，負溫度差ΔT=-27℃；地下樓層的正溫度差ΔT=13℃，負溫度差ΔT=-13℃。從計算分析結果可知，降溫工況下，東西向梁、板出現(xiàn)拉應力，由兩端到中間成增大趨勢，板最大拉應力達2.7N/m2，見圖18。針對計算結果，對東西向梁上、下縱筋及腰筋進行了加強；室內(nèi)板配筋采用上下雙向12@100拉通，室外板面筋采用14@100拉通，底筋采用12@100拉通，薄弱的地方另附鋼筋。為減少混凝土早期收縮裂縫，沿南北向設置2道后澆帶，控制溫度區(qū)段在56m左右，沿東西向設置1道加強帶。同時，要求混凝土應摻入膨脹劑[9]，超長結構施工前應進行專家論證，并加強施工過程中的混凝土養(yǎng)護[10]。通過采取上述計算分析和各類措施，本工程投入使用過程中，裂縫控制效果良好。

5 結語

(1)考慮站房建筑功能需要及分期建設，結合正線橋位置，對整個結構進行了合理的結構分縫。

(2)因地鐵基坑采用全開挖，回填土厚度達17m，樁基設計中考慮回填土壓不實帶來的負摩阻力影響。

(3)承軌層承受列車ZK活荷載，根據(jù)影響線原理，將剪力和彎矩對應的等效荷載和規(guī)范采用的簡化荷載取包絡值，作為承軌層設計時的活荷載。

(4)落客平臺長168.4m，屬于超長結構，考慮溫度作用并對其進行了有限元分析，根據(jù)計算結果，采取了加強板厚和增加配筋等措施，有效地解決了裂縫開裂的問題。

(5)A，D區(qū)屋頂鋼結構，是本工程建筑造型的“點睛”之作?！癢”形支撐桁架，上部兩端作為大懸挑的支撐點，有效減小了懸挑端的豎向變形?！癢”形支撐桁架采用近似“空腹三角桁架”形式，既能滿足受力要求，又能夠達到良好的建筑效果。