创新主题培训-周0428.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,11/29/2025,新型结构设计关键技术,周德良,创新主题培训,目录,“,桥建合一”新型站台层结构,2,太原南站“伞”状屋盖结构,1,2,1,“,桥建合一”新型站台层结构,3,(,预应力,),钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,1,.1,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,1,.2,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,4,1.1.1设计使用年限和设计基准期,铁路桥梁结构的设计基准期和设计使用年限均为,100年,。,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,5,1.1.2 铁路桥梁荷载,荷载分类,荷载名称,荷载分类,荷载名称,主力,恒载,结构自重,附加力,制动力或牵引力,预加力,风力,混凝土收缩徐变,流水压力,土压力,冰压力,静水压力及水浮力,温度作用,基础变位,冻胀力,活载,列车竖向静活载,特殊荷载,列车脱轨荷载,公路活载,船筏撞击力,列车竖向动力作用,汽车撞击力,长钢轨纵向水平力(伸缩力和挠曲力),施工荷载,离心力,地震力,横向摇摆力,断轨力,活载土压力,人行道荷载,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,6,1.1.3钢筋混凝土桥梁结构设计,设计方法：容许应力法,容许应力法中的几个应力指标,(1)混凝土轴心抗压和抗拉极限强度 和 与砼规中和的关系如下：,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,7,1.1.3钢筋混凝土桥梁结构设计,容许应力法中的几个应力指标,(2)混凝土和钢筋的容许应力如表1.2、表1.3所示,序号,应力种类,符号,容许应力,1,中心受压,2,弯曲受压和偏心受压,3,有箍筋和斜筋时的主拉应力,4,无箍筋和斜筋时的主拉应力,5,梁中全部由混凝土承担的主拉应力,6,纯剪应力,7,钢筋与混凝土之间的粘结力,表1.2混凝土的容许应力,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,8,1.1.3钢筋混凝土桥梁结构设计,容许应力法中的几个应力指标,序号,钢筋,荷载工况,容许应力（,MPa,）,1,Q235,主力,130,2,Q235,主力,+,附加力,160,3,HRB335,主力(母材及纵向加工的闪光对焊),180,4,HRB335,主力+附加力(纵向加工的闪光对焊),230,5,HRB335,主力(未经纵向加工的闪光对焊),140180,6,HRB335,主力+附加力(未经纵向加工的闪光对焊),182230,7,Q235,架桥机架梁时的应力,176,8,HRB335,架桥机架梁时的应力,253,表1.3 钢筋的允许应力,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,9,1.1.3钢筋混凝土桥梁结构设计,容许应力法中的几个应力指标,(3)计算强度时，不考虑混凝土受拉(主拉应力检算除外)。,(4)计算变形时，刚度取0.8,E,I,，计算静定结构的,I,时，不计混凝土受拉区、计入钢筋；超静定结构，计全截面混凝土，但不计钢筋。,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,10,1.1.4 预应力混凝土桥梁结构设计,预应力混凝土桥梁采用综合的单一安全系数进行强度检算，相关的安全系数如表1.4所示,表1.4现场施工的预应力混凝土结构采用设计安全系数,安全系数类别,符号,安全系数,主力,主,+,附,安装荷载,强度安全系数,纵向钢筋达到抗拉计算强度、受压混凝土达到抗压极限强度,K,2.2,1.98,1.8,非预应力箍筋达到计算强度,K,1,1.98,1.76,1.5,混凝土主拉应力达到抗拉极限强度,K,2,2.2,1.98,1.8,抗裂安全系数,K,f,1.2,1.2,1.2,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,11,1.1.4 预应力混凝土桥梁结构设计,应检算各阶段的抗裂性、应力、裂缝宽度和变形。,预应力度 ，其中：,为运营荷载(不包括预加力)引起的构件控制截面受拉边缘的应力；,为由有效预加力引起的构件构件控制截面受拉边缘的预压应力。,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,12,1.1.4 预应力混凝土桥梁结构设计,刚度要求见表1.5,表1.5 桥梁变形主要限值,序号,变形,限值,1,列车竖向静活载,+0.5,温度作用、,0.63,列车竖向静活载,+,温度作用,L,1800,2,列车竖向静活载相邻梁端竖向转角之和、梁端竖向转角,0.004,、,0.002rad,3,列车横向摇摆力、离心力、风力和温度作用下梁水平挠度,L,4000,4,列车,ZK,活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度作用下墩顶横向水平位移引起的梁端水平折角,0.001,1.1(预应力)钢筋混凝土铁路桥梁结构设计背景知识,13,1.1.5 高铁桥梁应按实际运营客车通过时的车桥耦合动力响应分析，确定以下参数是否满足要求：,(1)脱轨系数；,(2)轮重竖向减载率；,(3)车体横向、竖向振动加速度；,(4)桥面板竖向振动舒适度等参数。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,14,1.2.1郑州东站概述,铁路郑州东站为国内铁路枢纽站房，由主站房和站台雨棚组成，总建筑面积为40万m2，其建筑立面和鸟瞰图分别见图1.1、图1.2。,图1.1 郑州东站正立面(西侧),图1.2 郑州东站鸟瞰图,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,15,1.2.1郑州东站概述,主站房为地上3层(有商业夹层处为4层),(1)首层为出站通道、售票厅、设备和商业用房以及停车场，为地面层。地面标高为0.000m，顶面标高为10.250m，层高为10.25m，在线侧(注：线侧是指站房平面中除轨道和站台平面以外的区域)局部区域设置小夹层，其楼面标高为5.000m，主要为办公用房。,(2)二层为站台层，由线路、站台和线侧的基本站台、候车厅组成，楼面标高为10.250m。其顶面标高为20.250，层高为10.0m。,(3)三层为侯车厅层，楼面标高为20.25m,其屋面标高为44.25052.050m。,(4)四层为商业夹层，平面呈U形，夹层楼面标高为30.450m。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,16,1.2.1郑州东站概述,站房中高架层最大平面尺寸：顺轨方向为239.8m，垂直于轨道方向为490.7m。,主站房中有国铁和地铁结构，地铁结构位于国铁出站层以下，沿垂直于国铁轨道方向布置。地铁与站房结构和国铁结构完全脱开，见图1.3。,图1.3郑州东站顺轨方向剖面,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,17,1.2.1郑州东站概述,基础采用钻孔灌注后压浆桩，桥梁结构的桩径为1000mm和1200mm，线侧站房结构的桩径则为800mm和1000mm。,主站房主体结构采用双向框架结构(包括站台层的国铁桥梁结构)，为全高架桥建合一站房结构(无地下室)，站房的抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15g，设计分组为第一组，建筑场地类别为类，抗震设防类别为乙类建筑。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,18,1.2.2“桥建合一”站台层(桥梁)结构设计结构布置特点,为减小桥梁的结构高度和桥墩(柱)的截面尺寸，增加出站层的净空高度和使用面积，主站房中站台层以上站房的结构柱在站场范围内与站台层柱重合，且站台层采用双向刚接框架结构(空间结构)，形成“桥建合一”的站房结构。框架式桥梁结构与一般桥梁结构的主要区别如下：,1)“桥建合一”站台层桥梁结构为空间(三维)结构；而一般的桥梁结构为平面(二维)结构(桥墩+桥梁)，一般桥梁结构设计的重点是大跨度、桥梁长度和桥梁施工，形象地说，桥梁结构是水平放置的“两维杆件”。,(1)一般桥梁结构对于横桥向的相互作用考虑不多，主要侧重于跨度方向(顺轨方向)的荷载与作用。,(2)“桥建合一”结构跨度不大，需考虑垂直轨道方向荷载的相互作用。,2)铁路桥梁规范和建筑结构适用规范差别很大，见前面的介绍。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,19,1.2.2.“桥建合一”站台层(桥梁)结构设计设计难点,合理的结构选型，确保结构受力直接、合理，在确保安全的前提下，满足使用功能对结构尺寸和刚度的要求；,具有良好的经济技术指标；,结构的分析设计既要符合建筑结构的规范要求；同时要符合铁路桥梁规范的要求；,结构的抗震设计。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,20,1.2.2.2控制站台结构垂直轨道方向变形的方法,作为在两个方向均为超长无缝的框架桥梁结构，见图1.4。温度作用产生的结构变形较大，需减小该方面无缝结构单元的长度；根据结构抗震要求，结构在该方向应有足够刚度和较大的平面尺寸，控制地震作用下结构的侧向变形。根据计算结果和桥梁规范关于侧向变形的要求，并结合站场布置，在垂直轨道方向设置防震缝，将站台层分为五个结构结构单元，见图1.4。,图1.4 站场结构平面布置图,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,21,1.2.2.2控制站台结构垂直轨道方向变形的方法,(1)轴CE区域，平面尺寸54m235.9m；,(2)轴FH区域，平面尺寸49.65m235.9m；,(3)轴JM区域，平面尺寸71.15m235.9m；,(4)轴NQ区域，平面尺寸54.8m235.9m；,(5)轴SV区域，平面尺寸70.5m235.9m。,图1.5 站场双向框架桥梁结构布置典型单元,即在垂直于轨道方向，基本上2跨或3跨为1个结构单元，而在顺轨方向，轴1522为一个结构单元。站房范围内顺轨方向柱距为19.1m+20m+24m+30m+24m+20m+19.1m，而垂直于轨道方向柱距为14.8m22m，其平面布置图和典型结构单元分别如图1.4、1.5所示。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,22,1.2.2.3站台层桥梁结构体系,1)结构选型,在大型站房类似的“桥建合一“站台层结构中，采用双向框架结构的结构体系时，采用钢管混凝土柱+钢骨梁结构较多，该结构的优缺点如下：,优点：(1)与上部钢结构连接简单(上部钢结构一般采用钢管混凝土柱+钢桁架结构),(2)钢骨梁承载力高、抗震性能好。,缺点：(1)钢骨梁截面尺寸较大，对出站层净空影响较大；,(2)工程造价较高、钢骨梁施工难度较大。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,23,1.2.2.3站台层桥梁结构体系,在郑州东站站台层结构设计时，经过多轮结构方案比较，结合站台建筑布置特点，最终采用“钢骨混凝土柱双向预应力混凝土箱型框架梁+现浇混凝土板”结构体系，系“桥建合一”站房中首次采用，该结构体系有以下特点：,(1)钢骨混凝土柱与双向预应力混凝土箱型框架梁的梁柱节点为类似井式双梁节点的新型节点，见图1.6、1.7。箱型截面框架梁截面均为3.1m2.0m，其中：两个肋梁截面均为0.8m2.0m，中间空腔宽度为1.5m，与上部柱截面同宽，上下翼缘板厚分别为0.5m和0.4m，见图1.8、1.9。肋梁中的纵筋(包括预应力筋和非预应力筋)不穿越柱中钢骨，方便施工，确保梁柱节点的施工质量。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,24,图1.6 梁柱节点钢筋布置,图1.7 梁柱节点模型,图1.8 箱梁截面,图1.9 箱梁施工照片,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,25,1.2.2.3站台层桥梁结构体系,(2)顺轨向柱距为20m、24m和30m，垂直轨道方向柱距为21.5m，双向框架梁截面均为3.1m2.0m(肋梁截面为0.8m2.0m)，梁下净空高度(即出站层净空高度)为6.1m，有效地提高了出站厅层的净空，达到预期目的。,(3)在距柱边3m的范围内的框架梁采用截面为3.1m2.0m矩形梁，以提高框架梁在梁端区域的抗剪能力，梁柱节点具有良好的抗震性能。其余部位采用箱型框架梁，箱型梁自重较轻，具有良好的抗弯、抗剪和抗扭能力。,(4)利用桥梁结构布置特点，沿轨道边设置上翻的预应力混凝土次梁L2(兼起挡渣作用)，梁截面为0.8m3.5m,如图1.10、1.11所示。L2将站台荷载及部分桥梁荷载直接传至跨度相对较小的垂直于轨道方向的框架梁上，减小跨度较大的顺轨向框架梁所承担的竖向荷载，使双向框架梁具有相同的梁高，这是减小站台层梁高至关重要的一点。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,26,1.2.2.3站台层桥梁结构体系,(5)柱截面大部分为2.3m2.3m，而框架梁梁宽为3.1m，为确保梁端剪力传递的直接性，在梁底设置柱帽，柱帽宽度同梁宽，见图1.12、1.13。,(6)站台采用普通混凝土梁板结构，混凝土梁支承于梁L2上，如图1.10、1.11所示。次梁数量少、且在站台采用一层梁板结构，较大地减小结构自重，不仅降低了站场结构本身的造价；而且也降低了基础造价。,图1.10.结构布置轴测图,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,27,图1.11 垂直于轨道方向结构布置图,图1.12 方形钢骨柱截面,图1.13 柱帽施工照片,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,28,1.2.2.3站台层桥梁结构体系,(7)作为桥建合一结构，站场层上部的高架层采用“钢管混凝土柱钢桁架结构”，为了方便上、下层柱连接和内力的传递，站场层的框架柱采用钢骨混凝土柱，截面尺寸为2.3m2.3m或2.5m，减小了柱在出站层中所占的空间。,(8)站台层结构除了框架梁和顺轨次梁L2采用预应力梁外，其余均为普通钢筋混凝土结构。有利于加快施工进度。,(9)站台采用现浇混凝土梁板结构，站台层在垂直于轨道方向楼盖整体刚度较好，有利于水平力的传递。,(10)与钢骨梁比，预应力混凝土梁可以减小裂缝宽度，提供结构的耐久性；预应力梁具有较好的抗疲劳性能。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,29,1.2.2.3站台层桥梁结构体系,建成后的站台层框架局部见图1.14、图1.15,图1.14桥梁结构与高架层柱连接照片,图1.15 站台层框架结构照片,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,30,1.2.2.4 设计中的关键技术,预应力框架梁抗疲劳性能和抗震性能,1)存在的问题,(1)按照铁路桥梁规范的要求，对于铁路预应力砼梁，由于承受较大的疲劳荷载作用，为保证梁的抗疲劳性能，预应力度 。,(2)预应力筋采用,f,ptk,=1860MPa,低松弛钢绞线，在运营荷载作用下，预应力筋最大应力,0.6,f,ptk,，且钢绞线应力幅值 140MPa，以满足疲劳强度的要求。,(3)根据建筑抗震设计规范，站台层框架梁抗震等级一级，要求预应力度 ，以满足框架梁塑性铰的要求。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,31,1.2.2.4 设计中的关键技术,预应力框架梁抗疲劳性能和抗震性能,2)解决方法,(1)梁中预应力钢筋的布置按照预应力度 控制；,(2)提高站台层框架结构的抗震性能，进行抗震性能化设计，在罕遇地震作用下，框架柱基本弹性、框架梁正截面抗弯不屈服、抗剪弹性。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,32,1.2.2.4 设计中的关键技术,钢骨柱设计与检算,1)存在的问题,在普通桥梁结构中，一般不采用钢骨桥墩，规范中也无按允许应力法进行强度检算的公式。而作为预应力砼梁+钢骨柱桥梁结构，是一种新型桥梁结构，整体结构构件的分析与设计应配套。砼梁结构采用允许应力法设计，那么钢骨柱也应采用允许应力法检算。,2)解决方法,参照日本建筑学会的“钢骨钢筋混凝土结构计算标准”，推导出相应的双向压弯构件的允许应力法计算公式。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,33,1.2.2.4 设计中的关键技术,铁路桥梁结构抗震设计,1)一般桥梁结构抗震设计验算内容,由于结构体系差异较大，与建筑结构相比，一般桥梁抗震计算内容与方法与建筑结构的抗震计算存在较大差异。,桥梁抗震设计验算内容如表1.6所示,结构形式,多遇地震,设计地震,罕遇地震,重要桥梁,墩身及基础：强度、偏心及稳定性验算,连接构造,钢筋混凝土桥墩：按非线性时程反应分析法进行下部结构延性验算或最大位移验算,表1.6桥梁抗震设计验算内容,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,34,1.2.2.4 设计中的关键技术,铁路桥梁结构抗震设计,2)铁路桥梁抗震动参数,工程抗震设计规范中关于水平地震基本加速度取值、场地类别、特征周期等取值与抗规一致。,对于重要桥梁，在桥墩抗震设计中，多遇地震的水平基本加速度乘以1.4的重要性系数。,3)重要铁路桥梁桥墩的多遇水平地震作用,按振型分解反应谱法进行多遇地震作用下的地震内力计算，并作为建筑的底层结构，按一级框架进行地震内力调整外，按桥梁规范的要求，将地震内力乘以重要性系数1.4。,4)桥建合一站台层桥梁结构抗震计算,进行结构抗震性能化设计，重点为罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,35,1.2.2.4 设计中的关键技术,列车动荷载对结构的动态影响、尤其是不同股道之间列车动荷载对结构的动态影响,通过在运营过程中的梁截面应变检测加以研究，见后面介绍。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,36,1.2.3郑州东站站台层桥梁结构荷载及组合,荷载,桥梁结构的设计基准期和设计使用年限均为100年，站台层铁路桥梁结构荷载及组合按铁路桥梁相关规范确定。主要荷载如下：,(1)恒载(主力)：,结构自重及附加设备重；混凝土收缩与徐变作用；基础变位作用；预应力荷载。,混凝土收缩与徐变作用，鉴于结构设置施工后浇带，按分段灌注考虑，相当于降温10；基础变位根据桩基变形情况，按5mm计。,(2)活载(主力),：竖向静活载(机车车辆的设计活载)；列车竖向动力作用；长钢轨纵向水平力；横向摇摆力；站台层人群荷载。,竖向静活载：采用ZK活载，到发线的每个车场最多考虑一对列车进站、出站，即每个车场考虑两线动载，其余按照有无静活载作用进行最不利荷载组合。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,37,1.2.3郑州东站站台层桥梁结构荷载及组合,荷载,伸缩力,：纵向阻力取70N/cm；挠曲力：轨面无载时，纵向阻力取70N/cm；轨面有载时，机车下纵向阻力取110 N/cm。,横向摇摆力取为100kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。,站台层人群荷载5kN/m2，(基本站台则按消防车荷载考虑)。,(3)附加力,：制动力或牵引力；风荷载；温度作用。,制动力或牵引力：按列车竖向静荷载的10%计。,风荷载：考虑列车运行风荷载对桥梁结构的影响。,温度作用：郑州地区一月份平均气温为-2，七月份平均气温26，考虑合拢温度为1022，整体升降温分别为20和24，由于结构基本处于室内环境，不均匀温度不予考虑。,(4)特殊荷载,：地震作用；长钢轨断轨力(110 N/cm)；消防荷载：按基本站台采用。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,38,1.2.3郑州东站站台层桥梁结构荷载及组合,荷载组合,荷载组合中荷载工况如右表所示。,恒载,(1),结构自重、预应力、收缩徐变,(2),基础变位,活载,(3),ZK,双线活载,(,静,),(4),ZK,双线活载,(,动,),(5),人群荷载,(6),横向摇摆力,(7),长钢轨伸缩力,(8),长钢轨挠曲力,附加力,(9),风力,(10),整体升温,(11),整体降温,(12),制动力或牵引力,特殊荷载,(13),地震作用,(14),长钢轨断轨力,(15),消防车,荷载组合按桥梁规范执行，采用桥上无缝线路纵向力组合原则：,（1）同一根钢轨的伸缩力、挠曲力、断轨力相互独立，不作叠加；,（2）伸缩力、挠曲力、断轨力不与同线的离心力、牵引力或制动力等组合。,（3）伸缩力、挠曲力按主力考虑，断轨力按特殊荷载考虑。,设计控制工况为：恒+动活载+人群+降温。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,39,1.2.4站台层位移计算结果,注：表1.9所示为位移包络值,最大竖向挠度,(mm),最大竖向挠跨比,最大水平挠度,(mm),最大水平挠跨比,L=24m,L=30m,L=24m,L=30m,L=24m,L=30m,L=24m,L=30m,计算值,10.3,16.2,1,2330,1,1852,1.8,2.4,1,13333,1/12500,规范限值,13.3,20,1,1800,1,1500,6,7.5,1,4000,1/4000,表1.9站台层桥梁结构主要计算结果,柱顶顺桥向最大弹性水平位移为14mm27.4mm(规范限值)，计算结果均满足桥规的要求。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,40,1.2.5结构抗震设计,主站房在多遇地震作用下进行抗震计算时，站台层以上的站房结构按建筑抗震设计规范的要求采用7度(0.15g)进行计算；鉴于站台层桥梁结构为桥建合一站房中的桥梁结构，将其作为重要桥梁结构加以考虑，根据桥梁抗震规范的规定，在多遇地震作用下，地震作用乘以重要性系数1.4，相当于加大了结构的地震作用，站台层桥梁结构按铁路桥梁规范进行抗震设计与计算。,由于主站房结构中站台层以上基本为钢结构，阻尼比为0.02；站台层结构主要为预应力混凝土结构，阻尼比为0.03。抗震计算时按楼层结构类型分别选用不同的阻尼比。,振型分解反应谱法抗震计算(多遇地震),1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,41,1.2.5结构抗震设计,主站房在多遇地震作用下的计算结果见表1.10和表1.11，其中顺轨向为X方向，垂直于轨道方向为Y方向。,主站房多遇地震作用下计算结果,楼层,最大弹性层间位移角,最大位移与层平均位移比最大值,最大层间位移与平均层间位移比最大值,站台层,(,标高,10.250,米,),X,方向,1/7600,1.13,1.31,Y,方向,1/7350,1.35,1.12,高架层,(,标高,20.250,米,),X,方向,1/2450,1.31,1.37,Y,方向,1/2405,1.15,1.35,屋面,X,方向,1/482,1.26,1.32,Y,方向,1/443,1.34,1.25,表1.10地震作用下主站房侧向变形,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,42,1.2.5结构抗震设计,主站房多遇地震作用下计算结果,表1.11 主站房基底剪力系数(即剪重比),剪力,重力荷载代表值,剪力系数,基底处,X,方向,272815 kN,6499894 kN,0.042,Y,方向,316775 kN,6499894 kN,0.049,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,43,1.2.5结构抗震设计,1.结构抗震性能目标,站台层结构抗震性能化设计及罕遇地震作用下弹塑性时程分析结果,综合考虑站房结构的重要性、结构布置的规则性和结构承载力，站房整体结构抗震性能目标确定为“C”，站台层结构的性能目标高于“B”，处于AB之间。在罕遇地震作用下，站台层结构满足以下性能：,(1)柱构件：站台层以下钢筋混凝土柱及钢骨混凝土柱基本保持弹性。,(2)框架梁正截面承载力不屈服，但截面大部分处于弹性状态、抗剪弹性。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,44,1.2.5结构抗震设计,2.弹塑性时程分析主要结果,站台层结构抗震性能化设计及罕遇地震作用下弹塑性时程分析结果,根据中国地震局地球物理勘探中心与郑州基础工程勘察研究院提供的郑州东站站房工程场地地震安全性评价工作报告，采用ANSYS12.0对郑州东站结构进行弹塑性时程分析。在分析中考虑材料非线性和几何非线性，混凝土采用弹塑性多线性等向强化模型；钢材采用双线性随动强化模型。分析结论如下：,(1)结构整体指标满足设计要求。结构整体上保持完整，无过大位移响应，最大层间位移角(最大为1122，位于屋盖层的顺轨方向)，满足性能目标C的要求(162.5)。,(2)站台层及以下的钢筋混凝土梁未发生屈服。站房中所有结构柱，均未出现塑性铰，站台层结构柱基本为弹性。少量发生屈服的柱，均只是边缘材料屈服，整个截面大部分材料并未屈服，其截面仍具有足够的强度和刚度，不会形成塑性铰。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,45,1.2.6站台层楼盖竖向舒适度,竖向舒适度采用采用ISO2631-1:1997/ISO2631-2:2003中的竖向加速度峰值评价法，相关的评价指标和结果如下：,根据ISO2631-1:1997/ISO2631-2:2003，评价采用楼板竖向加速度峰值，站台层指标为0.50m/s2，经分析，控制工况如下：,工况一：结构自重及附加设备重、站台层和候车厅人群荷载(其中二期活载系数为0.5)+19、20、21、22股道承受移动(列车速度80km/h)的列车荷载；,工况二：结构自重及附加设备重、站台层和候车厅人群荷载(其中二期活载系数为0.5)+19、20、27、28股道承受移动(列车速度80km/h)的列车荷载。,表1.11 主站房基底剪力系数(即剪重比),荷载工况,站台层,(m/s,2,),侯车层,(m/s,2,),商业夹层,(m/s,2,),工况一,0.0902,-0.0454,-0.0098,工况二,-0.0958,0.0449,0.0268,计算结果均小于评价指标，初步判定楼盖竖向舒适度满足设计要求。,1.2,郑州东站轨道层桥梁结构设计关键技术,46,1.2.7经济技术指标,合理的结构体系加上适当的结构措施，不仅使30m跨的铁路桥梁的梁高仅为2m，较大幅度地提高了出站层的净空高度、柱截面也控制在2.3m2.3m，站台层的经济技术指标在国内同类站房中名列前茅,比同类型站房钢管混凝土柱+钢骨梁结构节约造价约25%，具体经济技术指标见表1.7。,表1.12 郑州东站站台层结构经济技术指标,梁高,(m),柱截面,(m),楼盖砼折算厚,(m),砼用量,(m,3,),普通,钢筋用量,(kg/m,2,),预,应力筋用量,(kg/m,2,),2.0,2.32.3(2.5),0.882,71975,184,23,1.3,站台层健康检测结果,47,1.3.1检测内容,选取的结构单元上的关键位置，安装光纤光栅应变/温度传感器，构建一个可以动态获得结构应变/温度状态的传感网络。主要的研究内容与方法如下：,(1)列车动荷载作用对结构动态影响分析：在高铁列车进站期间，结构受车辆动荷载作用发生变形，在3条车道上布置光纤监测点，形成光纤传感网络。,(2)监测荷载组合条件下结构关键部分的应变变化，获得各种受力模式的结构动态效应，分析列车移动荷载作用对结构的影响。,(3)考虑温度变化对结构影响分析，选取无列车运营和停靠的时段，监测结构关键部位在无外荷载作用条件下的应变和温度数据，分析季节性温度变化对结构的影响。,1.3,站台层健康检测结果,48,1.3.2检测部位,经过综合考虑，确定轴线1719和轴FH之间，而上部结构对应轨道为5、6、7、8、9。,轨道梁结构感知层是由布设在轨道梁结构关键位置上的光纤光栅应变传感器组成，图1.16显示了纵向梁和横向梁的传感器布设方式，一共选择32个关键截面(图1.17)，每个截面3只光纤光栅应变传感器，另有四只光纤光栅温度传感器作为温度补偿使用。,图1.16光纤光栅传感器位置布设示意图,1.3,站台层健康检测结果,49,1.3.2检测部位,图1.17传感器平面布置图,如图1.17所示，主要在G轴线的主次梁上布置传感器，并命名为A、B、C、D线。A、B为次梁上的传感器所在线，C、D为主梁上的传感器所在线。各线上的截面编号及轨道号已在图中标出。,图中黑色圆块或方块均是桥柱，其间有梁连接，红色短细线表示传感器布设的位置。每个截面按照设计尺寸(截面上中下)布置3个传感器。,1.3,站台层健康检测结果,50,1.3.2检测部位,图1.18传感器位置及轨道分布图,传感器埋设在主、次梁的跨中与支座位置。这样有利于进行主梁与次梁数据的对比以及跨中与支座数据的对比。每一个截面布置上、中、下三个传感器以便了解一个截面从上到下的应变变化情况及此截面的弯矩。,1.3,站台层健康检测结果,51,1.3.2检测部位,因为其他轨道上有无列车对本监测项目影响甚小，只有当列车在5-9之间的轨道上行驶时才进行数据的采集。共监测了单模5，单模6，单模7，单模8，单模9，双模57，双模58，双模68，双模79这九种模式。下面列车了本项目在一年内各个阶段监测得到的模态。,日期,荷载模式,5,6,7,8,9,57,58,68,79,2012-10,2013-01,2013-04,2013-08,2013-10,表1.8 监测的荷载模式,1.3,站台层健康检测结果,52,1.3.2检测部位,单模5表示只有轨道5上有列车经过，双模57表示只有轨道5和轨道7上有列车经过，其他模态表示的含义以此类推。各个模态的示意图如下所示：,图1.19 单模5,图1.20 单模6,图1.21 单模7,图1.22单模8,图1.23 单模9,图1.24 双模57,1.3,站台层健康检测结果,53,1.3.2检测部位,单模5表示只有轨道5上有列车经过，双模57表示只有轨道5和轨道7上有列车经过，其他模态表示的含义以此类推。各个模态的示意图如下所示：,图1.25 双模58,图1.26 双模68,图1.27 双模79,1.3,站台层健康检测结果,54,1.3.3截面应变曲线,检测各截面上各测点在列车进出站过程中应变的周期变化，考察截面应力分布及变化，从而得到相应的截面内力。以跨度为30m的轴G交轴18-19轴次梁跨中截面B6的三只传感器，在列车进站和出站过程中所测量得到的应变数据，进行对比分析。,图1.28 B6s传感器应变图,B6s是位于G轴18-19跨中截面B6上部的一只传感器，图1.28是该传感器在火车进站和出站过程中测量得到的应变曲线，历时850秒。,1.3,站台层健康检测结果,55,1.3.3截面应变曲线,列车250秒左右进站，然后停靠站台，到500左右列车开出站台。列车进站过程中，传感器监测得到该监测部位出现了5个微应变的压缩；列车出站过程中，传感器监测得到该监测部位出现了5个微应变的拉伸。列车进站过程和出站过程有明显的对称关系。同样其他位置传感器也有类似规律，故在分析时仅选择列车进站过程。,对图1.28进站过程进行局部放大(250秒至330秒)，得到图，可以清晰看到列车进站过程中传感器的周期性变化。火车荷载是分布式的移动荷载，那么作用在B6截面的荷载就必然存在最大值和最小值，此处的应变就存在最大值和最小值。而火车荷载以一定速度缓慢进站，那么此荷载在移动的过程中就必然导致截面B6上部和下部应变出现周期性变化过程，所以此处的应变就会在波峰波谷之间来回波动，并且处于连续变化状态。而每个周期内最大值和最小值主要由每节车厢及乘客重量决定。随着列车停靠站台速度不断减缓，周期性变化过程中周期不断变大。接近320秒时刻，列车停靠站台。,1.3,站台层健康检测结果,56,1.3.3截面应变曲线,图1.29 B6s传感器应变放大图(250秒至330秒),图1.30 B6x传感器应变图,显然传感器监测到的B6x与B6s应变数据有明显的对称关系。同样将列车进站过程进一步放大，可以得到传感器数据的局部应变放大图，如图1.31：,图1.31 B6x传感器应变放大图(250秒至330秒),1.3,站台层健康检测结果,57,1.3.3截面应变曲线,可以清晰看到列车进站过程中传感器应变数据的周期性变化，传感器监测得到该监测部位出现了5个微应变的拉伸。随着列车停靠站台速度不断减缓，周期性变化过程中周期不断变大。接近320秒时刻，列车停靠站台。B6x与B6s有明显的对称关系。B6z传感器应变图如右：,图1.32 B6z传感器应变图,1.3,站台层健康检测结果,58,1.3.3截面应变曲线,与该截面的上下两只传感器不同，B6z传感器布置接近截面中间，监测到的应变图没有明显变化，说明该位置靠近中和轴位置。同样对列车进站过程段进行放大得到右图：,图1.33 B6z传感器应变放大图(250秒至330秒),1.3,站台层健康检测结果,59,1.3.3截面应变曲线,根据以上的应变图和截面的抗弯刚度，可以得到以下呈周期性变化的弯矩图：,图1.34 B6截面弯矩图,1.3,站台层健康检测结果,60,1.3.3截面应变曲线,B6截面在跨中位置，监测到的弯矩图可以看到，列车进站过程，截面B6承受正弯矩，最大弯矩大致为50kNm。列车停靠在站台，截面弯矩基本没有变化；列车开出站台，截面弯矩基本恢复到列车未进站时的状态。,同样对列车进站过程放大后，可以得到周期性变化的弯矩图：,图1.35 B6截面弯矩放大图(250秒至330秒),1.3,站台层健康检测结果,61,1.3.4 单轨道列车荷载作用下的截面受力状态,荷载模态,截面,截面应变(),截面弯矩,上,下,中,单模,7,A2(,跨中,),-5,5,0,35,A7(,支座,),11,-2,接近,0,-55,单模8,B6(,跨中,),-4,4,0,28,B3(,支座,),13,-4,接近,0,-65,1.3,站台层健康检测结果,62,1.3.5 双轨道列车荷载作用下的截面受力状态,荷载模态,截面,截面应变(),截面弯矩,上,下,中,双模,79,A2(,跨中,),-5,5,0,70,A1(,支座,),1,-10,接近,0,-80,注：轨道9列车进站：180s；轨道7列车400s进站，轨道9列车500s左右出站；轨道7列车730s出站。,单模、双模列车荷载作用下梁的受力特性如下：,(1)梁跨中承受正弯矩、支座负弯矩；,(2)梁跨中截面因无其他梁相连，中和轴基本位于梁中心，而梁端支座截面，因受与其垂直方向梁的影响，上下部位的应变值差异较大；,(3)所有梁截面受力均处于弹性状态；,(4)列车进站过程对结构影响不大。,1.3,站台层健康检测结果,63,1.3.4 单轨道列车荷载作用下的截面受力状态,荷载模态,截面,截面应变(),截面弯矩,备注,上,下,中,单模,7,D3(,主梁,),-4,4,0,60,跨中,A2(,次梁,),-5,5,0,60,跨中,单模8,D7(,主梁,),-3,4,0,35,跨中,B6(,次梁,),4,-4,0,28,跨中,1.3,站台层健康检测结果,64,1.3.7 双模列车荷载对主次梁对应截面应力的影响,荷载模态,截面,截面应变(),截面弯矩,上,下,中,双模,79,D3(,主梁,),-4,4,0,50,A2(,次梁,),-6,6,接近,0,70,列车荷载对主次梁对应截面应力的影响如下：,(1)在列车荷载作用下，主次梁截面应变呈周期性变化；,(2)对应主次梁截面变化类似，大小也基本一致，主次梁受力较均匀。,1.3,站台层健康检测结果,65,1.3.8 相邻轨道的影响,通过对单模轨道5、6、9及双模轨道57、59、68、79作用下G轴上截面应变检测，相邻轨道间列车荷载影响不大。究其原因，主要是结构布置特点所致：列车荷载的传递路径如下：,（1）通过顺轨向的框架箱梁直接传至钢骨柱；,（2）通过刚度很大的次梁L2直接传至垂直于轨道方向的框架实心截面，截面尺寸为3.1m*2m，力作用点距最近柱边约4.05m，绝大部分力就近传给最近的柱，因此，各轨道之间列车荷载在垂直轨道方向传递较少，相应地，相邻轨道之间的影响也较小。,1.3,站台层健康检测结果,66,1.3.9 有限元分析结果,1)分析软件：,ABAQUS,2)荷载工况：模拟上述检测所用的荷载模式，列车荷载模拟为轨道板上的面荷载，通过划分轨道板单元和加载时程曲线，模拟列车荷载的水平移动，考虑轨道为有砟轨道、且为到发线，列车速度低，不考虑列车动力作用。,3)结论：两者结果较为接近。,1.3,站台层健康检测结果,67,1.3.10温度作用检测结果,季节性温度的变化，结构变形影响较大。而有限元模型中未能模拟季节性温度变化对结构的影响，因此只通过监测数据进行分析。在2013年1月份，温度较低，结构产生压缩变形，最大截面有300 ，而在2013年8月份，温度较高，结构产生拉伸变形，最大截面有100 。,2.,太原南站“伞”状屋盖结构,68,主站房概况,2.1,屋盖结构,2.2,结构分析,2.3,屋盖结构复杂节点设计,2.