孫會郎， 朱 偉， 陸 俊， 宮 達(dá)， 李當(dāng)生， 趙忠華

(1 中聯(lián)筑境建筑設(shè)計有限公司， 杭州 310011; 2 山東省建筑設(shè)計研究院有限公司， 濟(jì)南 250001)

1 工程概況

濟(jì)青高鐵青島紅島站為新建鐵路樞紐站房，規(guī)模為10臺20線，由站房和雨棚組成，站房面積約7萬m2，雨棚覆蓋面積約4萬m2。站房平面呈工字形，中部為高架候車廳，頂部為單向坡屋面，屋脊標(biāo)高45.893m，距地面高度51.893m。南北站房上部均為五朵浪花形狀造型，其中北部站房頂部最高點(diǎn)標(biāo)高55.072m，距地面高度61.072m；南部站房頂部最高點(diǎn)標(biāo)高60.138m，距地面高度66.138m。高架候車層平面中部順軌向?qū)挾燃s171m，兩端順軌向?qū)挾燃s268m，垂軌向長度約310m。站房主要柱跨為：垂軌21.5，28.5m;順軌19.0，21.0，22.0m。站臺雨棚采用無站臺柱雨棚，主要柱跨度為：垂軌21.5，28.5m;順軌31.0m，站臺雨棚與站房完全脫開。站房東西兩側(cè)和四角有配套高架車道引橋，均和站房分開設(shè)置。站房鳥瞰圖見圖1，站房總平面圖見圖2。

圖1 站房鳥瞰圖

圖2 站房總平面圖

站房自下而上分別為城市軌道交通層(分兩層，標(biāo)高分別為-24.420，-18.720m)、城市通廊層(標(biāo)高-12.000m)、廣場層(地面層，標(biāo)高-7.120m)、承軌層(標(biāo)高-2.900m)、站臺層(標(biāo)高0.000m)、高架候車層(標(biāo)高9.600m)、旅服夾層(標(biāo)高17.100m)。站房順軌向剖面圖見圖3。

圖3 站房順軌向剖面圖

本文主要介紹站房主體結(jié)構(gòu)部分，城市軌道交通、正線橋、高架落客車道及其引橋、雨棚、基礎(chǔ)等內(nèi)容將不作深入介紹。站房承軌層及其以下部分設(shè)計使用年限為100年，站房承軌層以上部分設(shè)計使用年限為50年，站房耐久性設(shè)計年限均為100年[1]。建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)[2]，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，以基礎(chǔ)頂作為嵌固端。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[3](簡稱抗規(guī))，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，設(shè)計地震分組為第二組。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s。50年一遇基本風(fēng)壓為0.60kN/m2，100年一遇基本風(fēng)壓為0.70kN/m2，地面粗糙度類別為A類[4]。50年一遇基本雪壓為0.20kN/m2，100年一遇基本雪壓為0.25kN/m2[4]。

2 主站房結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置

站房主體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，站臺層以上采用鋼結(jié)構(gòu)，站臺層及以下采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(部分柱采用鋼骨混凝土柱)。

2.1 廣場層結(jié)構(gòu)

圖4 廣場層結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 典型鋼骨混凝土柱截面

2.2 承軌層結(jié)構(gòu)

濟(jì)青高鐵青島紅島站站場有兩條高速正線橋，承軌層主體結(jié)構(gòu)與高速正線橋之間設(shè)縫脫開，高速正線橋按橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計；其余線路橋梁(均為有砟軌道到發(fā)線)與站房主體結(jié)構(gòu)采用“橋建合一”的結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計時同時滿足鐵路橋梁與民用建筑的相關(guān)規(guī)范。由于高速正線橋與站房主體結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開，承軌層結(jié)構(gòu)分成3個溫度區(qū)段，從南往北3個溫度區(qū)段的長度分別為19，129，65m。本層結(jié)構(gòu)標(biāo)高-2.900m,除上部延伸至高架候車層的柱采用鋼骨混凝土柱外，其余均采用普通鋼筋混凝土柱。典型鋼骨混凝土柱截面為□2 200×2 200, □1 900×1 900，柱混凝土強(qiáng)度等級C50。主框架梁與承軌次梁均采用普通鋼筋混凝土梁，典型梁截面尺寸為800×2 000, 1 000×2 200, 1 200×2 400, 1 400×2 600等。樓板采用現(xiàn)澆混凝土板，典型板厚為250mm(非軌道區(qū))和400mm(軌道區(qū))，梁、板混凝土強(qiáng)度等級C40。承軌層的結(jié)構(gòu)平面布置圖和局部典型單元分別見圖6、圖7。

圖6 承軌層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖7 承軌層局部典型單元

2.3 站臺層結(jié)構(gòu)

圖8 站臺層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

圖9 承軌層與站臺層典型局部剖面圖

2.4 高架候車層結(jié)構(gòu)

高架候車層結(jié)構(gòu)標(biāo)高9.400m，本層平面為工字形，由于軌道線間空間受限，無法設(shè)置雙柱，本層垂軌方向按不設(shè)縫設(shè)計。工字四角各有約60m長的部分(站房四角獨(dú)立小浪花造型下部)與中間主站房部分設(shè)縫分開。中間部分垂軌向長約310m，順軌向?qū)捥幖s268m，窄處約171m。高架候車層結(jié)構(gòu)形式采用鋼管混凝土柱+鋼桁架結(jié)構(gòu)，柱間設(shè)雙向主桁架，垂軌向設(shè)單向次桁架，順軌向設(shè)單向?qū)嵏逛摯瘟海瑯前宀捎?50mm厚壓型鋼板組合樓板，板混凝土強(qiáng)度等級C35。鋼管混凝土柱截面為φ1 100,φ1 400,□1 100×1 100，鋼材等級Q420GJC，灌芯混凝土強(qiáng)度等級C50。鋼桁架典型高度為2 300mm(中心距)，局部高度2 000, 2 500mm。上、下弦桿典型截面為□400×400×16×16～□400×1 200×50×50，腹桿典型截面為□400×400×12×20～□400×1 200×50×50，鋼材等級Q345GJC。順軌向鋼次梁截面為H400×300×10×18(梁跨度大于6m)及H400×200×8×12(梁跨度不大于6m)，鋼材等級Q345C。桁架下弦局部設(shè)有設(shè)備夾層，按梁板式布置，做法同上弦樓面做法；下弦其余位置在桁架平面外設(shè)置系桿，防止下弦桿在溫度效應(yīng)作用下受壓失穩(wěn)。高架候車層結(jié)構(gòu)平面布置圖及典型局部布置圖和桁架立面圖如圖10、圖11所示。

圖10 高架候車層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖11 高架候車層典型局部布置圖和桁架立面圖

2.5 旅服夾層結(jié)構(gòu)

旅服夾層標(biāo)高17.000m，本層位于候車廳的東西兩側(cè)的局部范圍，采用鋼框架結(jié)構(gòu)。旅服夾層個別框架柱為梁臺柱，柱立于高架候車層的桁架上，柱的截面為□800×1 000×40×40，鋼材等級Q420GJC?？蚣芰翰捎脤?shí)腹箱形梁，主梁梁高為800～1 400mm，鋼材等級Q345C。樓板采用150mm厚壓型鋼板組合樓板，板混凝土強(qiáng)度等級C35。旅服夾層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖12所示。

圖12 旅服夾層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.6 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)

站房中部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)形式采用鋼管混凝土框架柱+空間管桁架，鋼屋蓋與鋼管混凝土柱之間采用鉸接連接。鋼屋蓋南、北兩端各通過一榀矩形過渡桁架同端頭浪花造型結(jié)構(gòu)連成整體。屋面順軌向長度為262m，垂直軌道方向投影長度為248m。屋面鋼桁架均采用倒三角空間管桁架，順軌道方向?yàn)?跨，相應(yīng)跨度為49，37，65，37，49m，兩側(cè)各懸挑12.6m。順軌道方向除在柱頂設(shè)置主桁架外，每跨間根據(jù)跨度大小設(shè)置2～3道次桁架；垂直軌道方向除在柱頂設(shè)置主桁架外，在每處屋脊轉(zhuǎn)折處各設(shè)置兩道次桁架增強(qiáng)屋面剛度，同時在懸挑末端各布置1道封邊桁架。主、次桁架寬度2 400mm、高度約3 500mm，懸挑端部封邊桁架寬度2 100mm、高度約為886mm，桁架鋼材材質(zhì)為Q345B。屋蓋主桁架與下部支撐柱通過成品抗震鉸接球型鋼支座進(jìn)行連接。中部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置圖與桁架立面圖[5]、倒三角空間管桁架典型截面圖分別如圖13，14所示。

圖13 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置圖和桁架立面圖

圖14 鋼屋蓋倒三角空間管桁架典型截面圖

2.7 浪花造型結(jié)構(gòu)

圖15 中間跨浪花造型立面圖

圖16 端跨浪花造型立面圖

圖17 浪花造型剖面圖

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

3.1 分析模型與分析軟件

本項目采用YJK軟件和MIDAS/Gen軟件對站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，YJK計算模型如圖18所示。

圖18 站房結(jié)構(gòu)YJK計算模型

3.2 站房主要荷載與作用

承軌層及以下部分、基礎(chǔ)的設(shè)計使用年限100年，設(shè)計基準(zhǔn)期100年；其余部分設(shè)計使用年限50年，設(shè)計基準(zhǔn)期50年，耐久性年限100 年。場地自然條件見第1節(jié)；風(fēng)荷載根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)報告確定；屋面下凹處容易積水及積雪，設(shè)計時考慮一定的積水及積雪荷載詳見第1節(jié)。豎向活荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)(簡稱荷載規(guī)范)確定。

溫度作用: 根據(jù)荷載規(guī)范，青島月平均最高溫度+33℃，月平均最低溫度-9℃。根據(jù)本項目地質(zhì)勘察報告中提供的氣象資料，青島極端最高溫度38.9℃(2002年7月15日)，極端最低溫度-20.5℃(1957年1月22日)。青島寒潮一般發(fā)生于每年11月～次年2月，平均每年發(fā)生4.9次，年均結(jié)冰日82d。本項目結(jié)構(gòu)合攏(鋼結(jié)構(gòu)合攏、混凝土后澆帶封閉)溫度定為10～20℃。由于鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋嚴(yán)重超長，對氣溫的變化比較敏感，需要考慮極端氣溫的影響。根據(jù)氣象資料，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋溫差取值為升溫30℃，降溫-40℃；鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋以下(旅服夾層、高架候車層、站臺層)按月平均氣溫的溫差取值為升溫25℃，降溫-30℃；站臺層以下溫差取值為升溫13℃，降溫-15℃(地面以下按0.5倍折減)。室外地面10m以下范圍不考慮溫度荷載?？紤]混凝土的徐變，由溫差作用引起的混凝土的溫度折減系數(shù)取0.30。

3.3 列車荷載

列車豎向靜活載采用《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)[1](簡稱高速鐵路規(guī)范)中的“ZK標(biāo)準(zhǔn)活載”，承軌層在分析時，根據(jù)最不利內(nèi)力等效的原則將ZK標(biāo)準(zhǔn)活載等效為均布荷載。由列車活載引起的列車豎向動力作用、橫向搖擺力、制動力和牽引力等按高速鐵路規(guī)范和《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[6](簡稱鐵路橋梁規(guī)范)中的相關(guān)規(guī)定取值。

本工程橋建一體承軌層結(jié)構(gòu)上部列車軌道均為到發(fā)線，列車進(jìn)出時速度較慢，車行振動較小，且軌道為有砟軌道，道砟能有效緩沖列車運(yùn)行時的振動，結(jié)構(gòu)受列車運(yùn)行振動的影響較小，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時未考慮車行振動對結(jié)構(gòu)的影響。

3.4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

3.4.1 抗震計算

主站房在多遇地震作用下進(jìn)行抗震計算時，承軌層以上的站房結(jié)構(gòu)按抗震規(guī)范的要求采用 7 度(0.10g) 進(jìn) 行 計 算; 鑒于承軌層橋梁結(jié)構(gòu)為橋建合一站房中的橋梁結(jié)構(gòu)，將其作為重要橋梁結(jié)構(gòu)加以考慮，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006)(2009年版)[7]的規(guī)定，在多遇地震作用下，地震作用乘以重要性系數(shù) 1.4，相當(dāng)于加大了結(jié)構(gòu)的地震作用，承軌層橋梁結(jié)構(gòu)按鐵路橋梁規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計與計算。

由于主站房結(jié)構(gòu)中承軌層以上為鋼結(jié)構(gòu)，阻尼比為 0.02; 承軌層及站臺層結(jié)構(gòu)按混合結(jié)構(gòu)，阻尼比為 0.04。抗震計算時按樓層結(jié)構(gòu)的材料類型分別選用不同的阻尼比。

本工程屋蓋最大跨度65m，縱向支承點(diǎn)間最大間距291m，投影面長度約310m，屬于平面投影尺度很大的空間結(jié)構(gòu)，須按多點(diǎn)輸入進(jìn)行抗震計算并考慮行波效應(yīng)的影響。因工程處于7度區(qū)Ⅱ類場地，按抗規(guī)要求可采用簡化方法考慮多點(diǎn)輸入和行波效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。因此設(shè)計時對其短邊兩跨范圍內(nèi)構(gòu)件乘以附加地震作用效應(yīng)系數(shù)1.15。

3.4.2 抗震措施

如前所述，主站房為框架結(jié)構(gòu)，站臺層以下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，站臺層以上為鋼結(jié)構(gòu)。平面基本對稱，質(zhì)量和剛度分布較均勻，但廣場層、站臺層、旅服夾層樓板均沒有滿鋪，高架候車層和鋼屋蓋沒有設(shè)縫，鋼屋蓋總長度310m,大于300m，屬于超限高層建筑[8]，在設(shè)計中考慮了如下設(shè)計措施:1)采用YJK軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，采用MIDAS/Gen軟件建立對比模型，互相印證分析結(jié)果的正確性與合理性。2)提高結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo)為B級；性能化設(shè)計的具體內(nèi)容見3.4.4節(jié)。3)主框架柱采用鋼管混凝土柱(承軌層以下為鋼骨混凝土柱)，提高結(jié)構(gòu)的延性。4)對不同部位的構(gòu)件控制不同的應(yīng)力比，關(guān)鍵構(gòu)件采用較小的應(yīng)力比控制限值。5)進(jìn)行動力彈塑性分析，對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行分析和評價。6)采用MIDAS/Gen軟件進(jìn)行考慮幾何非線性的非線性屈曲分析。7)針對建筑的特殊性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行防連續(xù)倒塌分析。8)對結(jié)構(gòu)整體組裝模型、鋼屋蓋分體模型、高架候車層鋼桁架及以下分體模型分別分析進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。9)針對屋蓋特殊的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)利用SAP2000及ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。

3.4.3 主站房在多遇地震作用下的計算結(jié)果

按抗規(guī)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[9](簡稱高規(guī))及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936—2014)[10]要求，層間位移比采用規(guī)定水平力作用下的計算結(jié)果，其余采用CQC法的計算結(jié)果。本工程在多遇地震作用下整體計算結(jié)果如表1，2所示。

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)自振周期 表1

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果 表2

3.4.4 主站房整體結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，結(jié)合高規(guī)及超限審查意見的要求，本工程的整體抗震設(shè)防性能目標(biāo)定為C級，關(guān)鍵構(gòu)件抗震設(shè)防性能目標(biāo)提高一級，定為B級，其中關(guān)鍵構(gòu)件包括鋼結(jié)構(gòu)屋面主桁架、南北浪花空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、支撐鋼屋蓋的鋼管混凝土柱、高架候車層鋼桁架、承軌層框架柱、承軌層框架梁。不同構(gòu)件在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)見表3。

不同構(gòu)件在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo) 表3

設(shè)防烈度和罕遇地震作用下的構(gòu)件截面及配筋復(fù)核采用YJK軟件進(jìn)行分析，參數(shù)設(shè)置如表4所示。計算結(jié)果表明，在罕遇地震作用下，下部各層部分鋼筋混凝土框架梁端發(fā)生屈服，但是抗剪未發(fā)生屈服；鋼筋混凝土框架柱、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱抗彎均未屈服，抗剪保持彈性；施工圖配筋時各構(gòu)件按設(shè)定的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震不同工況的配筋結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。高架候車層鋼桁架和鋼屋蓋的主桁架，以及南北入口浪花造型部分空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在大震不屈服性能目標(biāo)下應(yīng)力比均未超限。大震不屈服的部分關(guān)鍵部位的計算結(jié)果見圖19,20。

性能化設(shè)計參數(shù) 表4

圖19 承軌層框架大震不屈服驗(yàn)算結(jié)果(局部)

圖20 高架候車層桁架大震不屈服驗(yàn)算結(jié)果(局部)

3.4.5 主站房罕遇地震作用下彈塑性時程分析及主要結(jié)果

通過對本工程進(jìn)行3組地震記錄、三向輸入并輪換主次方向，共計6個計算分析工況的動力彈塑性分析，結(jié)果中對混凝土構(gòu)件的損傷因子定義依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)附錄C，即對鋼構(gòu)件通過塑性應(yīng)變與極限應(yīng)變的比值來定義損傷因子，塑性損傷評價標(biāo)準(zhǔn)見圖21。動力彈塑性分析部分關(guān)鍵部位損傷情況見圖22～25。由圖22可知，柱、梁損傷因子均小于0.3；由圖23可知，柱損傷因子均小于0.3，梁損傷因子均小于0.5；由圖24,25可知，高架候車層桁架大部分構(gòu)件損傷因子小于0.5，只有個別構(gòu)件達(dá)到0.65左右。

圖21 構(gòu)件塑性損傷評價標(biāo)準(zhǔn)(損傷因子)

圖22 承軌層(局部)受壓損傷云圖

圖23 承軌層(局部)受拉損傷云圖

圖24 高架候車層桁架(局部)受壓損傷圖

圖25 高架候車層桁架(局部)受拉損傷圖

通過大震彈塑性時程分析，對本工程抗震性能評價可知：1) 結(jié)構(gòu)大震彈塑性時程分析基底剪力約為小震彈性時程分析結(jié)果的5.036～5.632倍，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。2)主體結(jié)構(gòu)在各組地震波下的最大彈塑性層間位移角為1/148，滿足規(guī)范限值要求；結(jié)構(gòu)無明顯的薄弱層。3)結(jié)構(gòu)主要部位參考點(diǎn)的位移時程響應(yīng)合理，未出現(xiàn)整體傾斜。4) 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件損傷情況如下：各層框架柱無損傷或出現(xiàn)少量輕微損傷；承軌層梁出現(xiàn)少量輕微損傷，大部分仍為彈性；高架候車層鋼桁架出現(xiàn)少量輕微～中等損傷，大部分仍為彈性；鋼屋蓋主桁架出現(xiàn)不同程度的輕微損傷，損傷集中在桁架的端部及跨中部位；南北兩端支撐浪花造型的框架柱及東西兩側(cè)穿層柱出現(xiàn)輕微損傷。綜合判定關(guān)鍵構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)。5)在罕遇地震作用下本工程結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制合理，結(jié)構(gòu)抗震性能良好，能夠滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

3.5 樓、屋蓋變形計算結(jié)果

承軌層的承軌梁須滿足鐵路橋梁規(guī)范要求，豎向位移控制值取為跨度的1/1 400；其他樓蓋豎向位移控制值取跨度的1/400(懸挑結(jié)構(gòu)為1/200)；鋼屋蓋豎向位移控制值取為跨度的1/250(懸挑結(jié)構(gòu)為1/125)[11]；主站房樓、鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在恒荷載+活荷載標(biāo)準(zhǔn)值荷載工況下的撓度計算結(jié)果最大值見表5。

主站房樓、鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在恒荷載+活荷載標(biāo)準(zhǔn)值荷載工況下的撓度計算結(jié)果最大值 表5

3.6 專項分析和設(shè)計

3.6.1 樓層舒適度分析

由于高架候車層采用鋼管混凝土柱+主次鋼桁架的結(jié)構(gòu)布置形式，結(jié)構(gòu)跨度大，最大處為28.5m×22.0m，樓蓋豎向剛度較小，人流密集且行人對振動比較敏感，對行人舒適度要求較高，故重點(diǎn)對本層進(jìn)行了舒適度分析。根據(jù)高規(guī)3.7.7 條規(guī)定:樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度，其豎向振動頻率不宜小于3Hz，豎向振動加速度峰值不應(yīng)超過規(guī)范限值，一般情況下，當(dāng)樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動頻率小于3Hz 時，應(yīng)驗(yàn)算其豎向振動加速度。

采用YJK軟件對高架候車層進(jìn)行樓蓋豎向模態(tài)分析，結(jié)果如圖26～28所示。由圖26～28可知，A，B，C區(qū)豎向自振頻率均小于3Hz，說明樓蓋豎向剛度較小，需要進(jìn)行豎向振動加速度分析。行人樓蓋舒適度分析行人激勵輸入方式包括同步行走、同步跑動、隨機(jī)行走、隨機(jī)跑動等，一般情況候車廳樓蓋不會出現(xiàn)人群同步行走的情況，故本工程行人舒適度分析采用人隨機(jī)行走的激勵輸入方式，采用YJK軟件進(jìn)行時程分析。

圖26 A區(qū)豎向自振頻率圖(f=2.38Hz)

圖27 B區(qū)豎向自振頻率圖(f=2.26Hz)

圖28 C區(qū)豎向自振頻率圖(f=2.56Hz)

考慮到人行走的隨機(jī)性，不可能窮盡各種可能，原則上應(yīng)盡量將激勵荷載施加在豎向剛度最小的位置即圖26～28所述的A，B，C區(qū)這三處樓蓋豎向振動頻率較小的區(qū)域。關(guān)于人群分布空間狀態(tài)，正常使用狀態(tài)下，行人密度0.3～0.6人/m2為稍稠狀態(tài)，一般在稍稠狀態(tài)的人群密度激勵下，加速度響應(yīng)滿足要求，可認(rèn)為其舒適度滿足要求。本工程高架候車層人群密度按0.6人/m2考慮，將人行激勵作為集中力分別施加在A，B，C區(qū)這三處樓蓋豎向剛度較小的部位。行人荷載模型采用國際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(IABSE)建議模型，人重量取0.75kN，人行走頻率取1.6，2.0，2.4Hz三種情況，假定行人行走從落足開始，荷載從0開始逐漸增大，其中行走頻率取2.0Hz時，人連續(xù)行走激勵時程曲線見圖29。

圖29 人連續(xù)行走激勵時程曲線(行走頻率取2.0Hz)

計算分析完成后根據(jù)各區(qū)域的豎向位移云圖、豎向振動加速度云圖判斷最不利點(diǎn)(即特征點(diǎn))的位置，從而提取樓蓋豎向振動加速度時程的計算結(jié)果，其中行走頻率取2.0Hz時，人行激勵下A區(qū)特征點(diǎn)加速度響應(yīng)時程曲線見圖30。根據(jù)結(jié)果可以找出人行激勵下樓蓋豎向振動加速度最大值，A，B，C三個區(qū)域不同頻率人行激勵下的豎向振動峰值加速度統(tǒng)計見表5。

圖30 A區(qū)特征點(diǎn)加速度響應(yīng)時程曲線

表5

由表5可知，對應(yīng)同一區(qū)域，豎向振動峰值加速度與激勵頻率成正比。各工況下各區(qū)域特征點(diǎn)中豎向振動峰值加速度最大值為0.138 m/s2<0.150 m/s2，滿足高規(guī)3.7.7條的規(guī)定，舒適度驗(yàn)算滿足要求。同樣，對旅服夾層模態(tài)分析表明該層樓蓋人行區(qū)域自振頻率均不小于3Hz，滿足舒適度驗(yàn)算頻率限值。

3.6.2 超長樓板溫度應(yīng)力分析

本工程嚴(yán)重超長，為防止在溫度變化作用下樓板開裂，特對溫度作用下樓板的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。溫度變化作用下，結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別向內(nèi)收縮或向外膨脹，在結(jié)構(gòu)的平面剛心附近會形成一個不動點(diǎn)。由于混凝土抗拉能力較弱，因此對于混凝土樓面的設(shè)計是由降溫工況控制。以高架候車層為例，降溫工況下其西北象限1/4局部樓面樓板的溫度應(yīng)力如圖31所示。

圖31 高架候車層降溫工況下樓板應(yīng)力云圖/(N/mm2)

由分析結(jié)果可知，樓層樓板在降溫工況主要承受拉力，結(jié)構(gòu)外輪廓陰角部位及大洞口角部局部區(qū)域應(yīng)力較大。對于大部分區(qū)域，通過分析溫度拉應(yīng)力并增配鋼筋來控制裂縫，尤其加強(qiáng)外輪廓陰角部位及大洞口角部的樓板配筋，同時在材料、施工、養(yǎng)護(hù)等過程進(jìn)行全過程控制。減小溫度、收縮效應(yīng)的措施包括：混凝土低溫入模合攏；鋼結(jié)構(gòu)低溫合攏；在混凝土配合比設(shè)計中，采用收縮小的水泥；將膨脹加強(qiáng)帶與后澆帶的設(shè)置相結(jié)合，后澆帶內(nèi)澆筑補(bǔ)償收縮混凝土，以一定的膨脹應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)合攏后溫差收縮應(yīng)力。

3.6.3 超長樓蓋抗裂誘導(dǎo)縫設(shè)計

如前文所述，高架候車層垂軌向長度約310m，中間不設(shè)縫，屬于超長結(jié)構(gòu)，設(shè)計中對樓蓋進(jìn)行了既定溫差下的溫度應(yīng)力分析并采取了一系列樓板加強(qiáng)措施和施工措施。由于高架候車層是乘車人員主要的集中和停留空間，為了避免地面鋪裝產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，影響人們的出行體驗(yàn)，在樓板設(shè)計中考慮設(shè)置誘導(dǎo)縫，從而將可能產(chǎn)生的裂縫引導(dǎo)至一定的部位，該部位亦是地面鋪裝的接縫位置。誘導(dǎo)縫的做法如圖32所示，垂軌向每隔兩跨(約40～50m)設(shè)置一道，設(shè)置位置為沿順軌向主桁架頂部通長設(shè)置。

圖32 高架候車層樓板誘導(dǎo)縫做法

3.6.4 鋼筋混凝土梁和鋼骨混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計

本工程站臺層以上部分柱為鋼管混凝土柱，站臺層以下在鋼管混凝土柱的外圍包裹400mm厚鋼筋混凝土形成鋼骨混凝土柱，廣場層、承軌層、站臺層的鋼筋混凝土梁須與鋼骨混凝土柱連接，其典型連接做法如圖33所示。梁縱筋伸入鋼筋混凝土疊合層后通過外環(huán)板與鋼管柱連接，外環(huán)板內(nèi)側(cè)設(shè)置加強(qiáng)內(nèi)隔板。置于外環(huán)板上部的鋼筋可以現(xiàn)場焊接，置于外環(huán)板下部的鋼筋因?yàn)樾枰龊?，為了保證焊接質(zhì)量要求工廠先焊接鋼筋頭，后采用機(jī)械連接器連接。

圖33 鋼筋混凝土梁和鋼骨混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)做法

3.6.5 高架候車層鋼桁架與鋼管混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計

高架候車層鋼桁架與鋼管混凝土柱之間均采用焊接連接，弦桿與柱之間為剛接，弦桿通過外加強(qiáng)環(huán)板與柱相接，同時在柱內(nèi)對應(yīng)位置設(shè)置內(nèi)隔板以便傳力連接；為便于澆筑混凝土，內(nèi)隔板上設(shè)置直徑600mm的圓孔。為了便于桁架拼接、減少桁架與柱節(jié)點(diǎn)處外環(huán)板和內(nèi)隔板層數(shù)、保證鋼管混凝土柱內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量，桁架上、下弦桿的高度均取統(tǒng)一的高度，即400mm。通過調(diào)整桿件的寬度和壁厚來滿足不同承載力的需要，弦桿最小寬度為400mm，最大寬度為1 200mm。鋼桁架與鋼管混凝土柱的典型連接做法見圖34。

圖34 鋼桁架與鋼管混凝土柱典型連接節(jié)點(diǎn)做法

4 結(jié)論

(1)紅島站主站房主體采用框架結(jié)構(gòu)，下部采用鋼筋混凝土柱和鋼骨混凝土柱，上部采用鋼管混凝土柱；承軌層采用橋建合一設(shè)計，高架候車層采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼屋蓋采用大跨空間管桁架結(jié)構(gòu)，浪花造型采用空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，建筑造型美觀，結(jié)構(gòu)體系傳力明確。

(2)結(jié)構(gòu)分析表明，站房主體結(jié)構(gòu)在各類設(shè)定工況下的構(gòu)件承載力滿足要求，在各類設(shè)定工況下的結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求。

(3)紅島站主站房主體結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下彈性分析和罕遇地震作用下的彈塑性時程分析表明，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，主體結(jié)構(gòu)選型和布置滿足抗震設(shè)計的要求。按橋建合一方式設(shè)計的承軌層梁板結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下基本處于彈性階段，具有較高的抗震承載力。

(4)對大跨度鋼結(jié)構(gòu)候車廳樓蓋和商業(yè)夾層樓蓋進(jìn)行人行活動所致的樓蓋舒適度進(jìn)行分析可知大跨度樓蓋豎向舒適度滿足要求。

(5)對高架候車層超長樓蓋進(jìn)行了溫度分析，采取了一系列抗裂措施，并設(shè)置樓板抗裂誘導(dǎo)縫，能有效避免候車廳地面鋪裝的開裂。

(6) 紅島站結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計構(gòu)造清晰、傳力明確，有良好的可靠性。

致謝：在工程設(shè)計中，中國鐵路總公司和濟(jì)青高速鐵路有限公司領(lǐng)導(dǎo)以及全國超限高層建筑審查專家委員會相關(guān)專家多次召開設(shè)計評審會，提出極其寶貴的意見; 浙江大學(xué)、山東省建筑設(shè)計研究院有限公司完成了相關(guān)的試驗(yàn)和專項分析;鐵四院和中國鐵設(shè)的多位專家、學(xué)者提出了寶貴的意見; 楊旭晨、曹峰、戴承陽、謝一超等同志參與部分設(shè)計或校審工作，在此表示衷心感謝!