钢-混凝土组合梁在铁路旅客站房设计中的应用.pdf

房 屋建 筑 钢 混凝土组合梁在铁路旅客站房设计中的应用 郭 占月 ，黄北平 ( 1 武汉铁路 职业技术 学院 ，武汉4 3 0 2 0 5 ； 2 中铁第 四勘察设计院集团有限公司 ，武汉4 3 0 0 6 3 ) 摘要 ： 钢一 混凝土组合 梁 目前在我 国工程 建筑领域 的应 用越 来越 多， 并取得 了良好 的技 术经济效益。结合工程 实例 以及 现 场 实地 检 测 ， 通过 对 大跨 度 楼 屋 ( 盖 ) 结 构 设 计 的 多 方 案 比选 。 确 认 了钢一混凝 土 组 合 楼 盖 结 构 方 案 的 优 越 性 。论 述 钢 一混 凝 土组 合 梁 结 构 形 式 在 当前 铁 路 旅 客 站 房 中的 应 用 ； 对 钢 一 混 凝 土弹 塑性 体 结 构 特 征 进 行 理 论 分 析 ， 并 且 进 行 静 力 、 动 力 试 验 等工程测试对 比， 认 为采 用钢一 混凝 土组合 梁结构 能够较好地 解决现代 铁 路 旅 客 站 房 采 用 大 柱 网 ， 且 层 净 高不 宜 过低 的 难 题 。 关 键 词 ： 钢一混 凝 土 结构 ；楼 面 ；组 合 梁 中图 分 类 号 ： U 4 4 8 2 1 6 文 献 标 识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 42 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) O 2一 O 1 2 8 0 2 组合梁在国内出现至今已近半个 世纪 ， 对这种新 型组合 结构 的研究 和 应 用 也非 常 活跃 ， 随 着研 究 的 不 断深入 ， 对 于不 直接承 受 动 力 荷载 的一 般 简支 组 合 梁 及连续 组合 梁 ， 其设 计 计 算 理 论也 逐 步 从 弹性 分 析 法 计 算转 化为 塑性分 析方 法进 行计算 。从 而组合 梁不 断 在交通 、 冶金 、 电力 、 煤炭 、 建 筑等领 域有 了更 为广泛 的 应用 。 近 年来 ， 虽然组 合 梁 在 我 国 的建 筑 和桥 梁 建 筑 领 域 已得 到越来 越 多 的应用 ， 显示 出很 好 的技 术 经 济 效 益 。但 与钢筋 混凝 土 结构 和钢 结 构相 比 ， 由于 专 业 技 术 人员 对组合 梁熟 悉 程度 不一 ， 加 之 没 有 现成 的设计 手册可 查 阅等因 素 ， 设 计 时 没 有传 统 的 钢筋 混 凝 土 结 构和钢 结构形 式方 便 、 省 时 ， 从 而 舍弃 了组 合梁设 计 方 案 ， 这 一状况 也 与我 国推 广钢 结构设 计初 期较 为类 同 ， 短 时 间 内组 合 梁 的普 及 应 用 还 受 到许 多 的约 束 和 限 制 。随 着组合 结构 不断 的深 入研究 ， 加之 更多 、 更广 泛 的工程 应用 ， 组合 梁或 组 合 结 构 的 良好 的受 力 性 能 和 较 好 的综合性 经济 效益 将不 断体 现 。 1 结构设 计方 案 1 1 工程概 况 某铁路旅客站房主站房长 2 4 6 I n 、 宽 5 6 IT I ， 建筑高 度 4 4 8 m， 客 流组织 方式 采用 “ 上进 下 出” 为 线侧 下式 站 房 。结 构设 计 按 3个 区 进 行 划 分 ， 其 中， 中部 区域 8 1 5 I T I 高程处 楼面 ， 为 1 8 1T I 3 6 m1 8 m( 开 间 方 向) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 20 9 作者简介 ： 郭占月 ( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 副教授 ， 1 9 8 2年 毕业 于苏州 大学化 学 工程专业 ， 工程硕士 。 1 2 8 和 3 0 m( 进 深方 向 ) 大跨 度 楼 面 分格 。根 据 建筑 柱 网 以及候 车室净 高要 求 ， 结 构设 计 需 在 有 限制 条 件和 有 限空 间的条件 下 ， 确 定 最 优 、 最 合 理 的楼 面 结构 体 系 。 区域位 置示 意如 图 1所示 。 图 1 区域 位 置 示 意 1 2结构 方 案 比较 根据 以上情 况 ， 就 3 0 mx 3 6 m楼 面的结构 设计 ， 对 可 能选用 的大跨 度楼 屋 ( 盖 ) 结 构 方 案进 行 了 比选 ， 如 钢骨 混凝 土 、 混凝 土井 字梁 、 钢桁 架 、 预应力混 凝土 、 钢 一 混凝 土组合 结构 等 。这几种 结构形 式特 点 比较 如下 。 结构 布置 如图 2所 示 。 _ _ l l l l _ _ “ _ 一 一 L l ZL l z 出 出 一 ，1 一 - _ I ! ! I J 由 图 2高程 8 1 5 m楼面组合梁结构布置 ( 单位 ： mm) ( 1 ) 钢骨 混凝 土 ： 梁 高 较 大 ( H L =1 1 51 2 0 ) ， 自 重也 较大 ， 用钢 量 大 ( 5 9 ) ， 柱 的 尺 寸 相 对 也较 大 ， 工程造价较高。 ( 2 ) 钢筋混凝 土井字梁 ： 梁高较大 ( H L =1 2 0 ) ， 自重也较大， 柱的尺寸相对也较大 ， 工程造价较高。 ( 3 ) 预应 力混凝 土 梁 ： 梁 体 高度 较高 ( H L =1 1 2 1 2 0 ) ， 自重 大 ， 施 工 所 需 机 具 较 多 ， 施 工 工 艺 较 复 杂 ， 需提前 预制 ， 并需 架梁设 备 ， 工程造 价较 高。 ( 4 ) 钢桁 架 ： 平 面 外 的刚 度 较 小 ， 所 需 钢 材 较 多 ， 造价高， 养护维修费用高。 ( 5 ) 钢一 混 凝土组 合梁 ： 梁 体 高度 较低 ， 自重轻 ， 施 铁道标准设计R A I L WAY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 2) 郭 占月， 黄北平一 钢一 混凝土组合 梁在 铁路 旅客站房设计中的应用 工便 捷 ， 施 工工 具 简单 ， 不需 要 架 梁 设 备 。另 外 ， 梁 体 上部 为钢筋 混凝 土 ， 下 部 为钢材 ， 能 充分 发挥 钢与 混凝 土材料 特性 ， 综合 造价 较低 。不 足方 面 主要体 现在 ： 所 需钢 材较多 ， 材料 造价 偏 高 。 通 过综 合 比较 ， 钢一 混凝 土组 合梁 在本 项 目更 能发 挥其 优越性 ， 能 获得 良好 的美学 造 型和较 大 的跨高 比 ， 兼 顾使 用舒 适度 的要求 下 ， 钢一 混 凝土 组合 梁是 一种 比 较 优异 的结 构形式 。经过建 筑 和结构 的专 业人 员共 同 商议 ， 比较各 个方 案优 缺 点 以及 建 筑 功 能及 净 高 等 要 求 ， 选 择 了双 向井 字钢一 混凝 土组 合楼 盖结 构方 案 。 1 3计算 与分析 组合 梁 的设计 是 以弹性 理论 和塑 性理 论为 基础 的 简 化计算 方法 。在 合理 应用 塑性 法 和弹性 法对 推广 组 合 梁 的应 用有 着积 极 的意义 。 弹性设计 要 求材 料 为理 想 的弹性 体 ， 而钢一 混 凝 土组 合 构 件 是 弹 塑性 体 ， 当其 应 力达 到屈服 强度 时 ， 截 面发 生 塑性变 形 ， 这 时截 面还 可 以继续 承载 。塑 性 设计 的前 提 条 件 是形 成 塑 性 铰 。 荷载增大时， 钢梁一部分产生塑性化 ， 在塑性铰处作用 的弯 矩等 于构件 的全 部 塑 性 弯 矩 ， 使 塑 性 铰 能 充分 转 动 、 变形 ， 最 终形 成破 坏机 构 。 在理论 研究 的基 础 上 ， 分 析 了组 合 框架 梁 在垂 直 加载 条件 下 变 形 情 况 、 钢 梁 截 面 应 变 变 化 规 律 ， 结 合 A N S Y S有 限元分 析 数 据 和 采 用 规 范规 定 的 理 论 计 算 数 据 ， 进 一 步 了解 了这 种组 合框 架梁模 型 受力性 能 ， 验 证 了该 组合 框架 梁模 型 时 假 定 的合 理 性 ， 并 提 出探 讨 了实 际应用 这种组 合 框 架 梁 构造 模 型 的一 些 问 题 ， 包 括加强段长度取值 、 截 面确定条件和过渡阶段 电算分 析 处理 方法 。其 中组合 楼板 3 0 mx 3 6 m 区域双 向组 合 楼 板 ， 采 用 A n s y s 和 S a p 2 0 0 0两 种 软 件建 模 进 行 有 限 元 分析 。按 照 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 5 2 3条规定 ： 杆系结构计算 图形宜取截面几何 中心 连线 ； 现 浇 结 构 的梁 柱 节 点 可 作 为 刚 接 。A n s y s 采用 了杆 件和 实体单 元进 行分 析 。杆件 有 限元 模 型采 用 B E A M4 4和 s h e l l l 8 1单元 。B E A M 4 4单 元 模 拟钢 筋 混凝 土柱 和钢梁 ， s h e l l l 8 1单 元 用 以模 拟 混 凝 土 楼 板 。 建立 的模 型 中考 虑钢 梁 和 楼板 是完 全 耦 合 的 ， 不 考 虑 相互之 间 的滑 移 。8 1 5 m 的组 合 梁 楼 板 根 据 具 体 的 工程 ， 建 立 的有 限元 模 型 见 图 3、 图 4 。借 助 于 有 限 元 软 件 ， 8 1 5 m组 合梁 在 恒 载 和 活 载 组 合 下 ， 竖 向 位移 最大值为 8 3 mm， 满足规范的要求 。 图 3 8 1 5 m 楼 板 杆 件 有 限元 模 型 铁道标准设计R AI L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 2) 房 屋 建 筑 图 4 8 1 5 m 楼板实体有 限元模型 2现场 测试试 验 2 1 测试 内容及 测点 布置 为 了解 及 评 价 其 结 构 静 、 动 力 特 性 ， 针 对 B 区 8 1 5 m组合楼盖进行 了结构静力特性等性能现场 的 测 试试 验研 究工 作 。测试 分静 力试 验 和动力 试验 两部 分 ， 均在 现 场 实 际 测 试 ， 为 能 对 测 试 结 果 进 行 定 量 分 析 ， 并揭 示 大跨钢 一 混 凝 土 组 合 楼 面 的结 构 性 能 ， 对 结 构进 行有 限元 分析 ， 将结 构 实 测 结 果 与理 论 计 算 结 果 进行 对 比分析 ， 以反 映 结 构 工作 性 状 。对 楼 盖结 构 舒 适度根据测试结果参照 国内外 相关 资料 ， 给出评价建 议 。结构 有 限元计 算 分析采 用通 用 的有 限元计 算 软件 A N S Y S进 行 。 变形 测点 结 合 本 项 目柱 网最 大跨 3 6 mX 3 0 m 布 设 。见 图 5 。 1 天损 ： f l | L f2 1 l l L L l I f 5l f6 1 重 l l 用 t8 I _f l |f 】 f l l4 f _ f f f l 0 f 1 1 f l 2 f 1 3 1 r L L l 7 l ( 耵 9 o( 0 1 I 8 0o 0 9 0c l o 1 7 l 0 ) 图 5变 形 测 点 布 置 ( 单 位 ： mm) 2 2 测 试结 果 实测 楼面结 构 竖 向变形 包含 有在 试验荷 载 作用下 沉降 变形 ， 为便 于计 算 与对 比分析 ， 以柱顶测 点 3和测 点 1 0的竖 向变形 平 均值 作为 整体 沉降 值 ， 其 余各 测点 的竖 向变 形 减 去 整 体 沉 降 值 得 到楼 面 测 点 的 竖 向挠 度 ， 以计算出的竖向挠度与有 限元理论计算假定柱两 端 固支的计算挠度值进行 比较。 比较结果见 图 6 ， 通 过图 6可看出， 实测与理论计算差值较小 ， 试验测量结 果 与计算 值基 本接 近 。 g 25 20 1 5 1 O 5 O -5 测点编号 图 6变形结果对 比曲线 1 2 9 房 屋 建 筑 中低速磁悬浮列车高架车站结构设计 宋长 江，高修 建 ( 铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院 ，天津3 0 0 2 5 1 ) 摘 要 ： 通 过 对 昆 明 中低 速磁 浮 列 车 新 建 工 程 及 唐 山 中低 速 磁 浮试验线 高架车站 结构设计 的实践 ， 对 中低速磁 浮高架车站 中 的荷 载取值 、 荷载组合、 结构 内力计算 、 轨道 梁设计 等 问题进行 研 究， 阐述磁 浮“ 桥 建 合一 ” 型车站 结构 设计 的基 本思路 和方 法。探讨 车站设计 中的一 些难 点， 如 结构计 算 中模 型的 选择 、 连 续轨 道 梁 刚度 和 配筋 以及 供 磁 浮列 车检 修 用 支墩 的设 计 等 ， 并提 出建议 ， 以供 开展磁 浮列车高架车站设计参考。 关键词 ： 中低速磁 浮列车 ；高架车站 ；连 续轨道 梁；支墩 中图分类号 ： U 2 3 7 文献标 识码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 42 9 5 4( 2 0 1 0) 0 2一O 1 3 OO 3 1 概 述 中低速磁 悬 浮列车 轨道 交通 ， 是一项 高科 技 、 高 技 术 含量 的轨道 交通 尖端 工程 ， 已被 国 家列 入 “ 十一 五 ” 规 划 ， 具 有广 阔 的发 展前 景 。 根据 高 架 车 站轨 道 梁 与 站 房 的关系 ， 高架 车 站 结 构 可 分 为 “ 桥 建 合一 ” 和 “ 桥 建 分开 ” 两类 ， 昆 明 磁 浮 列 车 新 建 工 程 及 唐 山 磁 浮 试 验 线均 采用 “ 桥 建合 一 ” 形 式 。这 种 结 构 形 式 涉及 建 筑 结构 和桥 梁两个 专业 ， 结 构承担 的荷 载大 、 作 用特 征 复杂 ， 分 析计 算和 设 计 难度 大 。一 般 认 为 直接 承 受 列 车荷载 的轨 道梁 按“ 铁 道工 程 专业 相关 规 范 ” ， 采 用 容 许 应力 法计 算 ， 其 下 部 的框 架 结 构 既 要 满 足 “ 铁 道 工 程专 业 相 关 规 范 ” ， 又 要 满 足 工 民建 专 业 相 关 规 范 要求 。 中低 速磁浮 列车 运行 条件 与传 统 的轮轨 式列 车有 很大 的差别 ， 在力 学性 能上 主要体 现在 ： 单跨 磁浮轨 道 梁要求 竖 向挠跨 比 1 3 8 0 0 ， 水平 挠跨 比 1 2 0 0 0 ， 而轻轨 轨 道梁要 求竖 向挠 跨 比 1 2 0 0 0 ， 磁 浮 轨道 梁 刚度 要求 比轻轨 严格 ； 磁 浮列车荷 载 是均布 荷载形 式 ， 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 8 0 3 作者简介 ： 宋长 江( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 高级工程 师， 1 9 8 3年毕 业于西 南交 通 大 学 。 而轻 轨荷载 是集 中荷 载 形 式 ； 为 满 足磁 浮 车辆 下 方供 电要 求 ， 并 具备 一定 的检修 功能 ， 车站 内要设置 支墩支 撑受 流轨 ， 要求设 置 连 续 的轨 道 梁 来 支撑 支 墩 等 。由 于 以 上 的磁 浮 列 车 特 性 ， 更 加 大 了 车 站 结 构 设 计 的 难度 。 2荷载 及荷 载组合 由于磁 浮 车辆进 出站 的频率 较高 ， 因此 ， 对 于高架 车站 如何进 行荷 载组 合 以求 出最 不 利 的 内力 ， 是 高架 车站设 计 的一个 难点 。昆 明磁浮列 车轨 道交通 和唐 山 试验线都是采用单线 的形式 ， 所以对 内力进行组合仅 考虑单 线有 车 的情 况 ， 考 虑 主 力 、 主 力 与 附加 力 、 主力 与特殊力( 地震力 ) 的几种组合分别进行建模计算 。 2 1 荷载 通过对 工程 结构 构 件 的受 力 分 析 ， 综合 所 有 各种 可能 对结 构 产 生 作 用 的荷 载 ， 将 荷 载 分 为 主力 、 附加 力 、 特殊力 三类 ， 在 设 计 中 ， 部 分 荷 载 ( 一 般 房 屋 建筑 设计 中不考 虑 的荷载 ) 的取值 按 如下原 则 。 ( 1 ) 车辆 静 活载 图示 ( 图 1 ) 车辆 长度 图 1 车 辆 静 活 载 图 示 ( 2 ) 列 车竖 向动 力 作 用 ： 为 车辆 静 活 载 乘 以动 力 系数 ， =1 0 ( 3 0+L ) ( L为轨道梁跨度 ， 单位为 n 1 ) 。 ( 3 ) 列 车 制 动力 或 牵 引 力 ： 列 车 的制 动 力 或 牵 引 力 按列 车竖 向静活载 的 1 3 计算 ， 紧急 制动 力 按竖 向 静 活载 的 2 0 计算 。列 车制动 力取 3 0 k N m， 紧急制 动 力取 4 6 k N m。车站位 于直线 上 ， 离 心力 C= 0 。 ( 4 ) 伸缩力 、 挠 曲力 ： 由于磁 浮 车辆 的轨 排 是磁 浮 特 有 的一 种形 式 ， 目前 尚缺少试 验数 据 ， 参 考轮 轨高架 车站取值 ， 伸缩力 、 挠 曲力取 1 0 k N。 3 结 语 在大 跨度楼 面 结构 中 当梁 高受 一 定 限 制 时 ， 对 于 钢 一 混凝土 组合 井 字 ( 连 续 ) 梁 结 构 ， 通 过 理论 分 析 及 工程测试对比， 较好地解决 了现代铁路旅客站房柱网 ， 采用大开间且层高不易过低的难题。工程的成功实施 和投入使用， 为类似工程提供了可借鉴作用。 参 考 文献 ： 1 G B 5 0 0 l 7 2 O 0 3 ， 钢结构设计规范 S 2 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规 范 S 3 Mi n i mi z i n g F l o o r V i b r a t i o n ) ( A T C D e s i g n G u i d e 1 ) S 4 中国建筑科学研究院建筑结构研究所 西站房竖 向振动舒适度测 试报告 R 北京 ： 2 0 0 8 5 中铁第 四勘察设计院集 团有限公 司 武 昌站大跨度 钢一 混凝土组 合梁楼盖应用研究 R 武汉 ： 2 0 0 8 1 3 0 铁道 标准 设计R A I L W AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 0 ( 2)