傅慧敏， 郭青驊， 卜龍瑰， 王 永， 劉發(fā)軍， 郭振勇， 馬瑜杰， 李喜慶

(1 中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055； 2 北京市建筑設計研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

新建京張高鐵清河站為京張高鐵最大的綜合交通樞紐站，也是北京清河地區(qū)最重要的交通樞紐之一，工程西側緊鄰既有地鐵13號線及G7高速，東側緊鄰金泰富地及MOMA大廈等高層建筑群，南側緊臨小營西路，北側上跨規(guī)劃的安寧莊公交及慢行通道。周邊既有建筑設施多，設計條件受限。清河站鳥瞰圖見圖1。

圖1 清河站鳥瞰圖

項目由國鐵站房及配套工程、地鐵工程及市政工程三部分組成。地鐵13號線、地鐵27號線(昌平線南延二期)及地鐵19號線支線結構為本工程結構不可分割的部分，與國鐵結構共構設置。城市通廊及安寧莊北路市政公交慢行通道與高鐵線路方向垂直，穿過本工程結構地下一層，與國鐵結構共構設置。

本工程體量大，結構形式復雜，涉及建筑、鐵路、地鐵、公路等行業(yè)要求，存在多個設計難點，需要對結構體系的抗震性能、鋼結構站廳層的使用舒適度、復雜屋面的風荷載取值、大跨屋面結構的抗連續(xù)倒塌性能、超長無縫結構的溫度應力作用、重要節(jié)點的連接等方面進行分析，通過各項研究分析，保證結構設計的安全經濟合理性。

1 項目概述

本工程建筑面積14.6萬m2，地下二層，地上二層(局部三層)，采用建橋合一結構體系。

地下二層為地鐵地鐵27號線與19號線站臺層及地鐵區(qū)間結構；地下一層為地鐵換乘大廳、地鐵國鐵設備用房及地下車庫(戰(zhàn)時人防工程)；地上一層為地鐵13號線站臺層及國鐵站臺層，13號線位于1站臺；國鐵為4臺8線，其中2線和7線為正線。地鐵與國鐵運行方向在樞紐范圍基本平行設置。地上二層為國鐵候車廳及高架落客平臺，地上三層為國鐵商業(yè)區(qū)。

本工程結構長660m、寬165m，各層建筑平面示意圖及建成后南立面見圖2。地下部分采用鋼筋混凝土結構，地上部分采用鋼結構。以①，⑧軸為界在地下一層頂板及以上設兩道150mm寬防震縫。結構分為三個單元：A區(qū)主站房、B區(qū)站房南側、C區(qū)站房北側，結構單元劃分圖見圖3。地下一、二層有220～660m超長無縫結構。

圖2 各層建筑平面示意圖及建成后建筑南立面

圖3 結構單元劃分示意圖

A區(qū)主站房為復雜高層組合結構；主站房屋面為雙曲鋼桁架結構，屋面跨度43.5～84.5m，四周懸挑最大12.5～18m；B區(qū)及C區(qū)地下二層地鐵區(qū)間上方為地下車庫，存在托柱轉換。

2 結構設計參數及技術標準

2.1 結構設計參數

抗震設防烈度為8度；基本地震加速度值為0.20g；設計地震分組為第二組；建筑場地類別為Ⅲ類；場地特征周期為0.55s；結構阻尼比：鋼筋混凝土結構為0.05，鋼結構為0.04；水平地震影響系數為0.16。

荷載取值：1)金屬屋面基本風壓、基本雪壓按重現期100年取值；2)高鐵列車豎向活載采用ZK活載，地鐵列車豎向活載按《城市軌道交通工程設計規(guī)范》(DB 11/995—2013)[1]第10.1.20條取值；3)市政道路采用公路—Ⅰ級荷載。

2.2 工程地質條件

地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、粉土、粉質黏土、砂類土及圓礫土。地層分布連續(xù)穩(wěn)定，地層的物理力學性質較好，無高壓縮性土，無軟弱土，無濕陷性土。擬建場地屬于抗震不利地段。

不良地質作用主要為地面沉降和地震液化?？垢≡O計水位標高為45.1m。典型地質剖面見圖4。

注：圖中未說明數值為鉆孔深度，m。圖4 典型地質剖面

2.3 結構設計標準

本工程為大底盤多塔結構，根據建筑功能，依據國家現行的建筑結構、鐵路、地鐵、市政工程的結構設計標準及規(guī)范，確定結構的大底盤及上部各塔的設計標準，見表1。

各結構單元設計標準 表1

2.4 結構抗震設防性能指標

A區(qū)主站房為復雜高層組合結構，抗震設防類別為乙類，為此，對A區(qū)結構設定了抗震性能化的目標，具體見表2。

結構抗震性能設計指標 表2

3 結構概況

3.1 主站房(A區(qū))

A區(qū)結構長175m、寬約165m，建筑屋檐高度約為23～43m；地下二層層高8.35m，地下一層層高6.3m；一層層高12m，二層層高11～21m；地下結構典型柱網為12.5m(順軌向)×10.5m(垂軌向)，地上二層典型柱網為25m(順軌向)×21m(垂軌向)，局部三層為商業(yè)夾層，柱網加密為12.5m×10.5m，層高5.5m；屋面采用主次鋼桁架結構，垂軌向桁架跨度為43.5～84.5m，由三根近似橢圓形鋼管混凝土柱(A柱、Y柱、直柱)支撐，順軌向桁架跨度為25m。

主體結構柱與承軌層橋梁的柱墩共用，承軌層橋墩之間完全獨立，列車軌道梁及站臺板結構通過支座在橋墩蓋梁頂部連接，高架候車廳鋼管混凝土柱下插在橋墩柱上，結構從下到上形成“鋼筋混凝土框架-承軌層橋墩-鋼管混凝土柱鋼框架-大跨度鋼桁架屋蓋”的建橋合一的復雜高層組合結構[2-3]。A區(qū)主站房剖面見圖5。

圖5 A區(qū)主站房剖面

3.2 站房南側(B區(qū))

B區(qū)地下結構長×寬=240m×(58～125)m，典型柱網為9m×10.5m，地上為多個獨立結構，B1為落客平臺，B2為地鐵13號線的設備用房，共兩層；B3為國鐵的站臺層，共4個，層高為3.2m；結構形式見表1；B區(qū)高架落客平臺處剖面見圖6。

圖6 B區(qū)高架落客平臺處剖面

3.3 站房北側(C區(qū))

C區(qū)的建筑功能及結構布置與B區(qū)基本相同；地下結構長×寬=240m×(58～147)m，典型柱網為9m×10.5m，地上C1為落客平臺，C2為地鐵13號線的設備用房，C3為國鐵的站臺層；C4為無站臺柱雨棚，長×寬=186m×86m，18m(順軌向)×21m(垂軌向)。C區(qū)高架落客平臺處剖面與B區(qū)相似，故此處略去；C區(qū)站臺雨棚剖面見圖7。

圖7 C區(qū)站臺雨棚剖面

3.4 承軌層結構

A區(qū)主站房承軌結構為橋墩+蓋梁，柱網尺寸約為25m(順軌向)×21m(垂軌向)；承軌梁分別采用了單線槽形梁橋、雙線槽形梁橋。此部分結構由中鐵設計橋梁院設計。B區(qū)及C區(qū)的承軌結構為鋼筋混凝土框架結構。

3.5 站臺層

A區(qū)主站房的站臺為樓面梁結構，梁跨為25m(順軌向)×11.5m(垂軌向)，每隔50m設一道溫度伸縮縫；B區(qū)及C區(qū)站臺結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構，柱網9m(順軌向)×11.5m(垂軌向)；每隔54m設一道溫度伸縮縫。

3.6 樓屋面結構

鋼筋混凝土框架結構采用主次梁現澆鋼筋混凝土樓蓋體系；鋼管混凝土柱鋼框架結構采用主次鋼梁+鋼筋桁架組合樓板；主站房雙曲屋面采用雙向主次鋼桁架+壓型鋼板金屬屋面；站臺雨棚屋面采用雙向主次鋼梁+壓型鋼板金屬屋面。

4 結構分析及計算軟件

本工程A區(qū)結構復雜，進站大廳空間存在大挑空區(qū)，樓板不連續(xù)；商業(yè)夾層為轉換結構，豎向構件不連續(xù)；鋼結構屋蓋最大跨度84m，屋蓋的屋面超大懸挑18m；為建橋合一組合結構；地下結構無縫超長660m；地下地鐵結構順軌向結構斷面變化大，不適用二維法進行結構抗震分析；綜合以上原因，結構分析采用了多個軟件，采用通用有限元軟件進行分析計算，校核模型及計算結果。

(1)A區(qū)采用YJK-S1.8和MIDAS Gen(v800)進行整體結構建模分析，進行互校，進行鋼筋混凝土結構和鋼結構的設計。

(2)B區(qū)及C區(qū)采用YJK-S1.8進行整體結構建模分析，進行鋼筋混凝土結構和鋼結構的設計。

(3)采用ANSYS進行大跨度屋蓋主要受力節(jié)點的補充分析：A柱頂部與屋面桁架連接、Y柱分叉鑄鋼節(jié)點、型鋼梁轉換柱節(jié)點的有限元分析和鋼結構柱屈曲分析等。

(4)采用ABAQUS進行A區(qū)主站房結構的動力彈塑性及大跨度屋面抗連續(xù)倒塌的性能分析。

(5)采用ANSYS進行建橋合一結構車致振動舒適度的分析。

(6)采用ABAQUS建立結構+土層的整體模型進行地下結構抗震性能分析。

5 站房結構設計關鍵技術

5.1 基礎設計

(1)地勘建議：擬建場地工程基坑底位于③細砂層或④粉質黏土層中，地基承載力一般，根據地勘報告建議采用筏板基礎或樁-筏基礎。

(2)基礎設計控制指標：基礎設計等級為一級，需要進行地基變形驗算。根據《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)[4]表7.3.1規(guī)定，對于有砟軌道，承軌橋梁結構的沉降有限值要求：墩臺均勻沉降為30mm，相鄰基礎沉降差為15mm。沉降變形要求嚴于《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)相關要求，按《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)[4]要求控制變形。

(3)確定基礎形式、樁端持力層及樁徑：根據地勘該場地為抗震不利地段，③細砂層存在中等液化，地下一層基礎底板位于③細砂層，基礎采用樁基(樁端持力層進入穩(wěn)定土層)+防水板；地下二層基礎底板位于④粉質黏土層，地基承載力為160kPa；采用樁筏基礎；采用樁徑為1m和0.8m的鉆孔灌注樁進行試算。

考慮樁與樁間土共同受力，控制整體沉降變形在規(guī)范要求范圍之內。

通過沉降試算確定地下二層樁基礎持力層為⑦圓礫層，地下一層樁基礎采用與⑦層土層壓縮模量相近的⑤細砂-圓礫層。

地下二層樁長40～45m，地下一層樁長15m，靠近地下二層范圍樁長55m。

(4)確定采用后壓漿工藝：從樁數量、平面布置、控制基樁變形和樁端沉渣等方面考慮，采用了樁側及樁端后注漿施工工藝。后注漿側壓力增強系數統(tǒng)一取1.40，端阻力增強系數取2.50，③細砂層液化折減系數統(tǒng)一取0.30。

(5)軟弱下臥層驗算：樁端平面以下受力層范圍內存在⑥，⑧粉質黏土軟弱下臥層，進行軟弱下臥層的承載力驗算。

(6)抗浮穩(wěn)定性驗算：采用抗拔樁及結構自重抗浮，本工程抗壓樁兼做抗拔樁。抗拔樁的承載力由樁身承載力及裂縫寬度限值0.2m控制確定。

(7)提出工程試樁要求：工程基礎設計等級為一級，按照《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5]5.3.1條要求工程樁施工前應進行工程試樁，確定后壓漿工藝參數及單樁極限承載力，為復核樁基礎設計提供依據。

5.2 地下結構設計

5.2.1 地下結構的抗震分析

根據《城市軌道交通結構抗震設計規(guī)范》(GB 50909—2014)[6]的要求，對于地下車站結構[7]應進行抗震專項設計。

本項目地下結構斷面復雜，沿線路方向變化大，且地下一層頂板不連續(xù)，無法簡化為二維問題來進行計算。采用全過程時程分析法來進行地震作用計算。建立結構+基礎+地基整體模型，如圖8所示。考慮土體的非線性動力特性，進行結構的抗震分析計算，并由此進行結構截面的抗震設計。從分析結果看，主要有以下結論：

圖8 結構+基礎+地基整體模型圖

(1)地下結構在E3(重現周期為2450年的地震動)地震波下，X向、Y向最大層間位移角滿足設計要求不超過1/250的規(guī)定。

(2)地下結構的梁單元，只有極個別梁端負彎矩區(qū)鋼筋發(fā)生小范圍屈服，大部分梁鋼筋未發(fā)生屈服，滿足規(guī)范要求。

(3)地下結構的柱單元，只有極個別柱鋼筋發(fā)生小范圍屈服，大部分柱鋼筋未發(fā)生屈服，滿足規(guī)范要求。型鋼混凝土和鋼管混凝土柱中的型鋼和鋼管均未發(fā)生屈服，滿足規(guī)范要求。

(4)地下結構墻體在E3地震波下的損傷情況：A區(qū)地下結構中地鐵隧道的長墻部分部位發(fā)生損傷，但損傷并不嚴重。B區(qū)和C區(qū)大部分墻體未進入塑性，有足夠的承載能力。

在E3地震波下，地下結構的承載力滿足規(guī)范要求，損傷范圍不大，且損傷程度較小，工作狀況良好，滿足抗震性能要求Ⅱ(地震后可能破壞，經修補，短期內應能恢復其正常使用功能)。

5.2.2 超長結構的無縫設計

(1)背景分析

本工程地下混凝土結構超長，平面尺寸：基礎底板為 660m×58m，地下二層為660m×(80～140)m，地下一層南北兩側兩塊均約為240m×(80～140)m。

根據建筑及設備要求不設變形縫，結構雙向長度超過伸縮縫最大間距55m的要求，需要考慮溫度應力對結構的影響。

采用MIDAS Gen(v800)軟件對結構的溫差收縮效應進行有限元分析，得到溫度應力分布的規(guī)律和數值，在分析結果的基礎上，對不同部位采取不同的處理措施，有效解決溫度效應帶來的不利影響。主要針對降溫工況對結構進行分析，得到溫度應力分布情況，找出裂縫發(fā)展重點部位。

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(2)溫度應力計算條件分析

1)最高平均氣溫及最低平均氣溫

地下二層位于-9.6m以下,室外土體基本為恒溫，取年平均氣溫10℃；室內A區(qū)站臺區(qū)，有空調系統(tǒng)，室內設計溫度為26℃；B區(qū)及C區(qū)為地鐵區(qū)間，無空調系統(tǒng)，室內設計溫度冬季為16℃，夏季為25℃。

A區(qū)結構的最高及最低平均氣溫取18℃；B區(qū)及C區(qū)結構的最高平均氣溫取17.5℃，最低平均氣溫取13℃。

地下一層：地下室頂板(承軌層)上覆土層層厚大于1.2m，起到保溫隔熱的作用，頂板內側保溫涂層，室外最高氣溫36℃，最低氣溫-13℃，B區(qū)及C區(qū)為地下車庫及地鐵設備用房，室內溫度：冬季12℃，夏季30℃。B區(qū)及C區(qū)最高平均氣溫取28℃，最低平均氣溫取-0.5℃。

2)最高平均初始溫度及最低平均初始溫度

根據結構施工工期安排，地下二層的合攏時間為3月，合攏溫度取5～10℃；地下一層的合攏時間為4月，合攏溫度取10～15℃。

3)混凝土收縮當量溫差

4)結構降溫工況溫度作用

地下二層：A區(qū)為-7℃，B區(qū)及C區(qū)為-12℃；地下一層為-30.5℃。

5)混凝土松弛徐變影響系數：0.3。

6)結構剛度折減：對于地下二層取0.85，地下一層取0.9。

(3)結果分析

地下一層應力集中點主要在：A區(qū)、B區(qū)及C區(qū)相連雙柱處、混凝土墻體、柱與板相連處；地下二層應力集中點主要在：混凝土墻體、柱與板相連處；最大溫度應力小于C40混凝土的抗拉強度2.39MPa；溫度應力作用不會使結構開裂；應力集中點配筋適當加強。圖9為B區(qū)地下二層頂板的應力云圖。

圖9 B區(qū)地下二層頂板的應力云圖/MPa

5.3 A區(qū)主站房建橋合一結構體系

5.3.1 結構體系的抗震性能

站房結構位于8度高烈度區(qū)，A區(qū)主站房采用建橋合一結構體系，存在多項抗震不利項；在采取抗震概念設計、基于彈性性能化設計同時，建立三維整體模型，如圖10所示，通過大震動力彈塑性時程分析，對結構在設計大震作用下的非線性性能進行定量分析，分析結構在強烈地震作用下的變形形態(tài)、構件的塑性及其損傷情況，以及整體結構的彈塑性行為，分析結構關鍵部位、關鍵構件的變形形態(tài)和破壞情況，重點考察結構橋墩柱、鋼結構屋面支撐柱結構及屋面桁架結構等；找出結構的薄弱層或薄弱部位。

圖10 三維模型圖

分析中考慮以下非線性因素：幾何非線性、材料非線性、施工過程非線性，根據地下橋墩地基剛度矩陣信息和嵌固條件，采用土彈簧來模擬土對基礎的作用，如圖11所示。通過大震彈塑性分析得出：

圖11 模型基礎約束圖

(1)7組地震波包絡的結構最大層間位移角未超過1/50，滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

(2)結構損傷主要集中在-3.2m標高處的?軸的角部墩柱及地下二層的外墻；其他部位墻體損傷很輕。

(3)在-3.2m標高位置?軸角部墩柱截面尺寸突減、構件剛度發(fā)生突變，構件內力略超極限抗彎承載力。

對?軸角部墩柱與上部鋼直柱交接部位的節(jié)點采取了加強措施：1)橋梁墩柱增加四周縱筋配筋率；2)在鋼直柱與橋墩柱分界面的影響范圍對鋼直柱截面加強。影響范圍為鋼柱插入橋墩柱1.5H(H為鋼支柱截面高度)深度及橋墩柱分界面以上1.0H高度范圍。鋼直柱的壁厚由50mm增加到60mm，內側加勁板厚度由30mm增加到50mm。具體見圖12。

圖12 直柱與橋墩柱交接處加強措施

(4)?軸的兩道交叉支撐出現了一定塑性應變；鋼屋面部分斜撐構件出現一定塑性應變。支撐屋面的A柱、Y柱、直柱處于彈性狀態(tài)，實現了大震彈性的性能目標。

動力彈塑性時程分析結果進一步驗證了概念設計及性能化設計成果，并找出了個別不易發(fā)現的薄弱部位或構件，為進一步提高結構的抗震性能，優(yōu)化設計提供了依據。

5.3.2 車致振動引起的候車層的舒適度分析

車致振動舒適度采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070-88)[8]對振動舒適度進行評判，清河站候車層和夾層參照混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)取其限值。考慮到辦公及商業(yè)在夜間時段(晚22∶00～晨6∶00)的人很少，其Z振級容許值可按晝間75dB(晚22∶00～晨6∶00)取值。

建立考慮結構+基礎+環(huán)境土體的三維有限元模型，輸入列車車輛對軌道各節(jié)點的激勵時程，進行結構的動力時程分析[9]。采用ANSYS軟件分析計算。計算包括三個工況：1)列車在正線以120km/h速度通過；2)列車在到發(fā)線進站；3)列車在到發(fā)線出站。主要有如下結論：

(1)高鐵列車在到發(fā)線進出站時，清河站候車層樓板最大預測Z振級滿足規(guī)范要求。

(2)高鐵列車在正線以120km/h速度通過時，候車層樓板最大預測Z振級76.7dB超過限值75dB，不滿足要求，通過采取結構措施可滿足舒適度要求。

結構改進措施：考慮到正線上方相關區(qū)域候車層樓板振動局部超過標準限值，將此范圍內橫軌向次梁高度從550mm加高至600mm，樓板厚度從150mm增加至180mm。加強后的方案的計算結果表明，采取該措施后，樓板振動Z振級最大值為74.4dB，滿足現行規(guī)范要求。

(3)建橋合一結構體系的車致振動問題一般有如下結論：正線位置的振動響應大于到發(fā)線，行車位置的響應大于其他位置，站臺層的振動響應大于高架候車層和夾層。鋼結構的振動響應大于混凝土結構。

5.4 B區(qū)及C區(qū)轉換構件設計

B區(qū)及 C區(qū)地下二層為地鐵27號線及19號線支線的區(qū)間結構，這兩條平行地鐵線出了A區(qū)主站房范圍后，分別以一定的曲線變換方向，27號線向上爬坡出地面，19號線支線向下潛入更深的地鐵區(qū)間。地鐵區(qū)間結構要滿足地鐵限界的要求，因此區(qū)間結構上層布置規(guī)則的地下車庫柱不能落地，車庫頂板為國鐵及地鐵承軌面，上部恒、活荷載大，車庫要滿足建筑凈高要求，梁跨度不宜太大。

根據以上限制條件，經過結構方案分析，采用了鋼筋混凝土框架結構，局部采用型鋼混凝土構件進行托柱轉換：地下一層采用規(guī)則柱網以滿足車庫車流線要求，柱距不宜太大，以保證梁截面滿足列車承軌受力要求及車庫凈高要求；對影響地鐵限界不能落地的柱，在地下二層另設柱，滿足地鐵限界要求，設置型鋼混凝土轉換結構以滿足地下一層車庫布柱要求。轉換節(jié)點構造如圖13所示。

圖13 鋼管混凝土柱轉換節(jié)點構造

5.5 屋面及圍護結構設計

5.5.1 鋼結構屋蓋抗連續(xù)倒塌分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[10]第3.12.1條的規(guī)定“安全等級為一級的高層建筑結構應滿足抗連續(xù)倒塌概念設計要求；有特殊要求時，可采用拆除構件方法進行抗連續(xù)倒塌設計?！?/p>

鑒于本項目的重要性，采用多重荷載路徑法(拆桿法)，用動力彈塑性分析法對結構進行抗連續(xù)倒塌分析。分六種工況：邊跨前部A柱兩肢同時破壞、邊跨中部Y柱兩肢同時破壞、邊跨后部直柱破壞、中間跨前部A柱兩肢同時破壞、中間跨中部Y柱兩肢同時破壞、中間跨后部直柱破壞。分析擬選損傷關鍵構件示意見圖14。

圖14 分析擬選損傷關鍵構件示意圖

通過計算豎向荷載(1.0恒荷載+0.5活荷載+0.2風荷載)作用下的結構內力并求得失效構件對剩余結構的反力F，刪除欲拆除的構件，結構在豎向荷載和失效構件對剩余結構反力F作用下形成初始內力、剛度和變形，模擬結構的初始平衡態(tài)，然后模擬構件失效承載力消失的過程。找出結構在防止連續(xù)倒塌方面的薄弱環(huán)節(jié)，提高結構安全冗余度。

通過分析得出：鋼屋蓋為雙向桁架受力體系，結構冗余度較高，具有良好的抗連續(xù)倒塌的能力。圖15為拆除邊跨A柱的變形云圖。

圖15 拆除邊跨A柱的變形云圖/dm

5.5.2 屋蓋結構及維護結構的風洞試驗及風致振動分析

A區(qū)主站房屋面西側懸挑18m，東側懸挑13m，南北兩側懸挑12.5m，且屋面為雙曲屋面，屋面為金屬屋面板；C區(qū)雨棚為波浪形曲線屋面，四面開敞，屋面為金屬屋面板；根據現行規(guī)范無法確定準確的風荷載值。中國建研科技股份有限公司按照1∶200的幾何縮尺比例建立剛性模型(圖16)并對其進行風洞試驗[11]，測點數量為1 142個，其中雙面測點406個；用有限元方法對結構的風致響應進行分析，得到相應的風振系數，最終得到各節(jié)點等效風荷載值用于主結構及圍護結構的分析與設計。

圖16 清河站房1∶200縮尺模型

試驗主要結論：所有風向角下，本建筑表面主要承受整體上吸風荷載作用，最大上吸作用出現在230°。

對于平面形狀或立面形狀復雜的建筑，宜進行風洞試驗確定風荷載取值。本項目通過風洞試驗給出的《站房及雨棚風洞測壓試驗報告》對站房屋面結構及站房和雨棚的圍護結構進行了復核驗算，重點對主站房西側大懸挑部分風壓值大的屋面圍護結構設計采取了加強措施。

5.6 鋼結構特殊節(jié)點分析

對結構的重點部位(Y柱分叉處的鑄鋼節(jié)點、型鋼混凝土梁轉換鋼管混凝土柱節(jié)點、中間支撐Y柱與屋面主桁架的連接節(jié)點、A柱柱頂與屋面主桁架連接節(jié)點)補充有限元分析：采用通用有限元軟件ANSYS進行數值計算分析，節(jié)點實體單元采用Solid 95,截面采用Mpc 184單元進行截面耦合從而施加荷載。

5.6.1 Y柱分叉處的鑄鋼節(jié)點設計

鑄鋼件材質為G20Mn5QT，屈服強度為300N/mm2，抗拉強度為500～650N/mm2，鋼材強化階段的切線模量EC取為彈性模量E的1/300，即E=206 000N/mm2，EC=687N/mm2，泊松比ν=0.3。從整體計算模型中提取各個桿件對應截斷位置的實際內力，并采用平衡力系施加于有限元模型中，計算了一系列荷載組合，從而得到最不利荷載組合工況下的節(jié)點應力，見圖17。由計算結果可知，在最不利荷載組合作用下鑄鋼件大部分范圍應力都很小，處于彈性狀態(tài)，故可認為該節(jié)點是安全的。

圖17 Y柱節(jié)點應力圖/(N/mm2)

5.6.2 型鋼混凝土梁轉換鋼管混凝土柱節(jié)點

柱采用的鋼材為Q390GJ，其屈服強度為350N/mm2，抗拉強度為3700～580N/mm2。梁鋼材為Q345，其屈服強度345N/mm2，抗拉強度為490～620N/mm2。提取桿件最不利荷載組合采用平衡力系施加于節(jié)點限元模型，計算結果見圖18。

圖18 轉換梁柱節(jié)點應力云圖/(N/mm2)

由計算結果可知，在最不利荷載組合作用下梁、柱大部分范圍應力都很小，處于彈性狀態(tài)。故可認為該節(jié)點是安全的。

對中間支撐Y柱與屋面主桁架的連接節(jié)點、A柱柱頂與屋面主桁架連接節(jié)點的分析方法類似[12]，不再贅述。

5.7 綠建設計

清河站房綠建設計達到國標三星及美國綠色建筑委員會認證的LEED金級證書。結構綠建設計的工作主要體現在：采用預拌砂漿及預拌混凝土；采用高強鋼筋、高強鋼材，高強度混凝土；地上結構采用鋼結構，工業(yè)化生產預制率達90.8%>50%，材料可循環(huán)使用率高；結構方案選型的優(yōu)化[13]。其中結構方案比選主要包括：

(1)樁基礎方案比選，采用后壓漿技術，樁數減少，總長度減少25%，樁基直接費用節(jié)約20%。

(2)A區(qū)站房結構、高架落客平臺、雨棚方案比選：鋼筋混凝土框架結構與鋼框架結構。因高鐵線路限界要求，使結構構件尺寸受限，采用鋼筋混凝土框架結構的彈性層間位移角不能滿足抗震變形要求1/550限值的要求，因此確定采用鋼框架結構。

(3)A區(qū)屋面結構進行了四種方案的比選：方案一，111m跨，剛性懸鏈梁+網架；方案二，網架+中間四柱；方案三，網架+ Y柱；方案四，桁架+ Y柱。最終方案四以對站廳層空間影響小、結構用鋼量少的明顯優(yōu)勢被采用。

(4)進行A區(qū)站臺層結構比選：現澆混凝土結構、預制混凝土結構、鋼結構。從維修保養(yǎng)方便、現場施工方便等方面考慮確定采用現澆鋼筋混凝土結構。

5.8 結構健康監(jiān)測

根據中國國家鐵路集團有限公司對清河站的初設批復要求，本工程設計了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測點主要布設在A區(qū)的鋼結構屋面、A柱、Y柱、直柱、承軌橋墩及蓋梁；B區(qū)及C區(qū)的地下室外墻、承軌梁、高架落客平臺及鋼結構雨棚的梁柱上。主要監(jiān)測元件為應變計、鋼筋計、靜力水準儀、加速度計、風速儀等，共布置元件349個。A區(qū)主站房典型監(jiān)測元件布置見圖19。

圖19 A區(qū)主站房監(jiān)測元件布置示意圖

元件通過傳感器系統(tǒng)進行數據采集，為結構的變化提供實時監(jiān)測信息，對工程結構實施損傷檢測和識別，通過數據分析來確定結構的健康狀態(tài)，并通過數據定期更新來預估結構老化和惡劣服役環(huán)境對工程結構的影響，以及是否有能力繼續(xù)實現設計功能。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)并入智能京張全線的BIM運維系統(tǒng)平臺，便于相關單位對結構全生命周期的健康監(jiān)測與安全管理。

6 結語

通過對京張高鐵清河站開展的各項研究，對樞紐型站房結構設計總結如下：

(1)根據站房的建筑功能確定設計標準，按照對應行業(yè)規(guī)范確定荷載取值(對特殊結構通過試驗確定其荷載值)，按照相關規(guī)范的要求開展設計。

(2)樞紐型站房的建筑特性決定了結構形式的復雜性，通過對整體結構進行動力彈塑性分析評估結構的抗震性能，尋找結構的薄弱部位，進行性能化設計。

(3)對于非規(guī)則型斷面的地下結構，應建立土-結構精細一體化模型，考慮土體、結構的非線性特性進行全過程時程分析，驗證地下結構的抗震性能。

(4)針對樞紐型站房地下結構超長，進行超長結構的溫度應力分析，并采取相應的設計措施。

(5)建橋合一結構體系中鋼結構候車廳的車致振動舒適度需要驗證。

(6)對結構的關鍵部位、關鍵節(jié)點通過彈塑性有限元分析驗證節(jié)點承載力。

(7)為滿足綠建設計標準的要求，應進行多方案結構比選，體現結構的安全經濟性。

(8)大型及重要的站房結構宜進行結構健康監(jiān)測，做到對結構重要構件的使用情況全面監(jiān)測，準確把握站房結構安全的脈搏。

致謝：在設計過程中，中國建筑科學研究院有限公司建研科技股份有限公司及其建筑抗風研究所承擔了部分專項分析及風洞試驗，北京市建筑設計研究院有限公司復雜結構研究院承擔了設計咨詢工作，在此表示衷心感謝！