青岛北站结构设计综.pdf

书书书第 43 卷 第 23 期2013 年 12 月上建筑结构Building StructureVol 43 No 23Dec 2013青岛北站结构设计综述张相勇1，李黎明1，魏建友1，王莹1，张爵扬1，徐子亮1，甘明1，薛慧立1，柯长华1，张克意2，杨惠东2(1 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045;2 中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)摘要 青岛北站为特大型铁路客运站和综合性交通枢纽，主体结构由主站房(屋盖、高架候车层、东西广厅)和两侧对称的站台无柱雨棚组成。主站房屋盖东西长约 350m，南北宽约 168 213m，由 10 榀立体拱架组成，跨度为1012 148.7m 不等，最大悬挑约30m。高架候车层平面尺寸约为154m 275m。主要介绍了该项目在结构设计过程中所解决的主要问题，包括三维立体拱架结构体系研究、高架候车层、观景平台、幕墙钢架和无柱雨棚结构设计以及东西广厅耗能减震设计;同时介绍了结构设计中进行的缩尺模型试验、异形截面试验和耐火试验等。关键词 青岛北站;三维立体拱架;异形截面;调频质量阻尼器;防屈曲支撑中图分类号:TU318文献标识码:A文章编号:1002-848X(2013)23-0001-06Structural design of Qingdao North ailway StationZhang Xiangyong1Li Liming1，Wei Jianyou1，Wang Ying1，Zhang Jueyang1，Xu Ziliang1，Gan Ming1，Xue Huili1，Ke Changhua1，Zhang Keyi2，Yang Huidong2(1 Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China;2 China ailway Eryuan Engineering Group Co，Ltd，Chengdu 610031，China)Abstract:Qingdao North ailway Station is a megalopolis railway station and comprehensive transportation junction Themajor structure consists of the main station(roof，elevated waiting room floor，west and east halls)and no-column platformcanopy set symmetrically on both sides The main station roof is about 350m long and 168m to 213m wide，and it consistsof 10 three-dimensional arches in span of 101.2m to 148.7m(the largest cantilever arch is about 30m long)The elevatedwaiting room floor is about 154m 275m in plane size The main problems solved in the design of this project wereintroduced，including structural system research of three-dimensional arch structure，elevated waiting room floor design，viewing platform design，curtain wall steel frame design，no-column platform canopy structure design and energy dissipationdesign of west and east halls Model scale tests，abnormal section tests and fire resistance test were introduced as wellKeywords:Qingdao North ailway Station;three-dimensional arch;abnormal section;tuned mass damper;buckling-restrained brace作者简介:张相勇，博士，高级工程师，一级注册结构工程师，注册咨询工程师(投资)，Email:yongzx126 com。1青岛北站概况青岛北站位于山东省青岛市李沧区沧海路，车站总建筑面积约 15 万 m2，邻近海边。车站建筑的灵感来自于青岛海滨印象，整体造型富有动感又伸展飘逸，挺拔而富有张力，好似一只海鸥振翅高飞，象征着青岛市经济文化的蓬勃发展。同时采用新颖独特的立体交叉拱作为建筑主要结构体系，支撑起曲线优美的屋顶，形成了一种城市门户的形象，象征着青岛会以博大的胸怀迎接来自五湖四海的宾客。建成后的青岛北站将成为山东省目前唯一的特大型铁路客运站和综合性交通枢纽。青岛北站结构体系复杂，地上两层(西边局部有第三层观景平台)，地下两层(局部三层)，地下通道结构与地铁结构接驳，实现无缝衔接与换乘。地上主体结构由主站房(包括屋盖、高架候车层、东西广厅)和两侧对称的站台无柱雨棚组成。主站房屋盖东西长约 350m，南北宽约 168 213m，为复杂的空间钢结构体系，拱形受力体系跨度为 101.2 148.7m 不等，最大悬挑约 30m，每榀拱形受力体系通过几何单元的变化来模拟飞鸟展翅的姿态，拱形体系支座之间设预应力拉索，以平衡水平力。屋盖结构直接落地，其支承斜拱在 9.000m 标高处穿过高架候车层楼板，且与下部高架候车层结构为互相独立的结构单元。主站房高架候车层平面尺寸约为120m 205m，为由 Y 形柱和实腹工字形梁组成的钢框架体系。站台无柱雨棚采用平面管桁架拉索结构，最大跨度 38.5m。整个火车站平面布局及效果图见图 1，工程实景照片见图 2。本文主要介绍地上建筑结构2013 年图 1青岛北站平面布置及效果图图 2青岛北站工程实景照片结构的设计。2结构设计条件及参数取值结构设计基准期为 50 年，建筑结构的安全等级为一级1。抗震设防烈度为 6 度设计基本地震加速度值为 0.05g;设计地震分组为第三组;场地类别为类2;根据超限审查专家意见和山东省地震重点监视防御区管理办法 相关规定，在进行地震作用计算时将设防烈度由 6 度提高到 7 度(0.1g)。3屋盖体系3.1 概况主站房屋盖东西长约 350m，南北宽约 168 213m，为 10 榀平行于轨道的立体拱架。两立体拱架间距离为 22，33，44m 不等，屋盖横梁与主拱通过5m(高)3.8m(宽)纵向屋脊大梁连成整体结构。每榀立体拱架由 1 榀拱、4 根横梁、6 对 V 形撑、16根交叉索以及横梁间的纵向主檩条组成(图 3)。2根横梁的间距一般为 22m，拱 跨 度 为 101.2 148.7m，为了减少基础与地基的水平推力负担，拱脚利用埋设在地面下方的拉索连接在一起。图 3(a)，(b)分别为立体拱架的立面及三维图。交叉索分为承重索和抗风索:在重力荷载作用下，承重索索力加大;在屋面风吸力作用下，抗风索索力加大。图 3立体拱架立面和三维图3.2 主要构件截面为了呈现特殊的建筑效果，青岛北站主站房屋盖结构的部分构件采用异形截面，主拱截面由三部分组成:豆圆形下弦、圆形上弦和腹板(图 4);屋面横向主梁由三部分组成:类半椭圆形下弦、矩形上弦和腹板(图 5);中间屋脊纵梁由四部分组成:两个三角形上弦、一个三角形下弦和斜腹板(图 6)。关于异形截面构件在软件中的模拟等相关内容可参看文献 3。图 4主拱截面图 5屋面横向主梁截面图 6中间屋脊纵梁截面3.3 荷载及作用恒载:在计算模型构件自重基础上乘以 1.2的系数，屋面考虑二次檩条和可能的吊挂荷载取0.8kN/m2。活 载:按 不上人屋面，取 0.5kN/m2，计算中考虑了半跨荷载的不利布置。雪载:基本雪压取 0.25kN/m2(100年一遇)。风荷载:基本2第 43 卷 第 23 期张相勇，等 青岛北站结构设计综述风压取 0.7kN/m2(100 年一遇)，风振系数依据风洞试验报告4 确定。地面粗糙度类别为 A 类，风压高度变化系数(z)幕墙以内区域取 2.0，幕墙以外区域取 1.9。温度作用:屋盖整体升温 25，降温40;结构初始合拢温度取 15 20;另外，考虑施工期间太阳辐射影响，结构整体升温加大至 45。3.4 设计控制条件钢构件设计应力比的控制，各构件区别对待，拱下弦适当从严，按0.85控制，拱上弦、横梁、V 形撑、屋脊纵梁等按0.9控制;其他构件按1.0控制;交叉索设计值取 40%破断力。大跨结构变形控制，跨中取跨度的1/250，悬挑位置取为悬挑长度的1/1255，6。3.5 屋盖计算分析及相关结构试验3.5.1 屋盖结构动力特性结构的第 1 阶振型为沿结构长向的纵向振动，表明结构的横向刚度大于纵向刚度。结构的第 2 阶振型为扭转，与第 1 阶平动振型周期之比为 0.63。需要说明的是，结构纵向振动主要表现为屋面及屋脊梁的振动，拱顶的振动幅度很小。结构前 4 阶振型如图 7 所示。图 7结构前 4 阶振型3.5.2 立体拱架缩尺试验立体拱架结构体系造型新颖美观，在安全的前提下充分体现了建筑师的设计意图。整个屋盖结构在各种不同荷载组合作用下，由拱、屋面横梁、纵向主檩条及 V 形撑组成的立体拱架将荷载传至下部结构。为进一步研究立体拱架的受力性能，采用缩尺试验验证其可靠性，V 形撑的梭形预应力压杆采用单根钢管模拟，试验模型见图 8。图 8缩尺试验模型结构在 1.32 恒载+1.54 活载作用下，有交叉索时的最大位移为 1.70mm，最大应变为 2.57 104，而无交叉索时的最大位移为 6.93mm，最大应变为 1.364 103。可以看出，在无索时，位移和应变分别增大了 307.65%与 430.74%，交叉拉索对提高结构的承载力和抵抗结构的变形具有非常重要的作用。局部拉索被拉断时，对结构影响有限，当拉索全部被拉断后，结构整体下移明显，结构受力形式发生了变化，拱脚承受了更大的力，这对整个结构体系是不利的7。除承重索和抗风索之外，每榀立体拱架设置一根基础拉索，用于平衡拱脚在恒载下的水平推力，施工过程中分级卸载和张拉，严格控制拱脚水平位移不超过 4mm，拉索布置如图 9 所示。图 9拉索布置图3.5.3 异形截面试验本工程的拱、横梁和三角形屋脊纵梁构件均采用异形截面，由于没有相关实例可参考，所以通过试验验证和电算分析来研究异形截面的受力机理、承载能力及变形。横梁异形截面及拱异形截面的应变片布置如图 10 所示。图 10应变片布置图横梁异形截面:竖向力达到 1 000kN 时，下弦和腹板位移分别为 0.2mm 和 1.1mm;竖向力达到1 200kN 时，下弦和腹板竖向位移分别为 0.4mm 和1.8mm。拱异形截面:竖向力达到 1 200kN 时，下弦中部和底部位移分别为 0.15mm 和 0.2mm;竖向力达到 1 700 kN 时，下弦和腹板竖向位移分别为0.3mm 和 0.4mm。3建筑结构2013 年电算结果与试验结果吻合良好，说明异形截面工作性能良好。3.5.4 节点试验结构的拱-屋脊节点和横梁-屋脊节点模型见图11。在节点设计计算中，通过电算模型与试验验证来论证该节点在轴心压力和偏心压力作用下的受力性能。拱-屋脊节点和横梁-屋脊节点的轴心受压过程中，当荷载由 0kN 增大到 1 000kN 时，整个节点都处于弹性阶段，计算结果和试验结果非常接近;两种节点偏心受压过程中，计算极值分别为 3.99 倍和2.6 倍标准荷载值，试验结果分别为 3.54 倍和 3.22倍标准荷载值，两种节点分析结果分别在 3.5 倍和2.5 倍标准荷载值以上，节点整体表现出良好的延性和受力性能，其荷载-位移曲线分别见图 12，13。图 11复杂节点模型图 12拱-屋脊节点荷载-位移曲线图 13横梁-屋脊节点荷载-位移曲线3.5.5 V 形撑设计V 形撑为立体拱架的支撑构件，为梭形撑杆式预应力压杆，预应力钢结构技术规程(CECS 2122008)8 中有介绍，但国内应用不多。工程中采用能量法进行计算，同时辅以 ABAQUS 软件电算验证9，10。计算模型及工程照片如图 14 所示。3.5.6 钢结构抗火设计抗火设计假定两种工况:1)标高 17.100m 观景图 14V 形撑平台餐饮区火灾对屋盖的影响，假定该区域上方钢构件均加温到 90;2)高架候车层火灾对钢结构 V形撑的影响，假定火源就在 V 形撑附近，取火焰的温度为烟气温度(500)。计算模型如图 15 所示。图 15抗火计算模型根据构件升温后的应力情况，明确主站房屋盖顶部钢结构可以不采用防火保护，主站房屋盖的主拱采用部分防火保护。具体为:标高 17.100m 以下的主拱和 V 形撑(包括钢索)按 1.5h 耐火极限的要求进行防火保护;标高 17.100m 以上主拱和 V 形撑(包括钢索)可不进行防火保护。另外通过耐火试验11 验证高矾索在初始预应力作用下，喷涂防火涂料后，拉伸变形为 0.3%时，在 500 高温下能否达到 1.5h 的耐火极限。结果表明，拉索受力性能满足要求。4高架候车层高架候车层楼盖总建筑面积约 24 000m2，结构体系由实腹工字钢梁和 Y 形钢柱组成，东西两端楼板由钢管柱支承。楼盖采用闭口型压型钢板组合楼盖，板厚 150mm，其结构布置图如图 16 所示。候车层主要承受的荷载包括楼板恒载、幕墙荷载、温度荷载和地震荷载等，同时针对跨度 33m 的楼盖梁，由于人群的走动，还要注意防止结构与人群步行频率的共振。高架候车层钢结构楼面部分沿股道方向总长为195.2m，垂直股道方向整体分析时温度荷载作用下4第 43 卷 第 23 期张相勇，等 青岛北站结构设计综述图 16高架候车层结构布置图楼板产生的变形很大，所以在沿垂直股道方向接近楼板中部设一道温度伸缩缝，高架候车层钢结构与混凝土楼面之间亦设有温度伸缩缝，温度伸缩缝位置如图 17 所示。图 17高架候车层温度缝布置图候车平台通过 Y 形柱支承，计算时不考虑外包混凝土对钢柱的作用，混凝土平台按构造配筋设计。完成后的 Y 形柱工程照片如图 18 所示。图 18Y 形柱工程照片Y 形柱交叉点处焊接较为复杂，故采用铸钢节点。经 分 析，节 点 处 最 大 应 力 为 223.4MPa 300MPa，满足设计要求。其应力云图如图 19 所示。高架候车层经模态分析，结构的前两阶局部竖向振动频率在2.5 3.2Hz 之间;而人的一般步行频率为 1.5 3.2Hz，因此大量人群在结构上活动时，容易造成共振。尽管结构的强度满足要求，不会发图 19Y 形柱交叉点处应力云图/MPa生强度引起的破坏，但是因为结构共振引起的加速度的振幅过大，已超过人体舒适度耐受极限，极易在人的心理上造成恐慌。如果采用增大截面和改变结构形式的办法，从技术、经济和空间利用的角度看是不合理和不现实的，因此必须寻找新的技术来解决上述问题。本工程采用粘滞流体阻尼器-调频质量阻尼器(TMD)减振技术，对结构因人行活动产生的共振响应进行减振。高架候车层 TMD 布置见图 20，减振效果如表 1 所示，其中工况 BX-1 为交通十分稀少，工况 BX-2 为交通稀少，工况 BX-3 为交通繁忙，工况 BX-4 为交通十分繁忙。可以看出，减振后所有工况的加速度最大响应值均小于 0.15m/s2，符合人体舒适度要求。除高架候车层外，西广厅观景平台也布置了 TMD，其布置及减振效果可参见文献 12。图 20高架候车层的 TMD 布置高架候车层 TMD 减振效果表 1工况行人密度/(人/m2)频率/Hz原结构峰值加速度/(m/s2)减振结构峰值加速度/(m/s2)减振率BX-10.53.10.121 1200.106 34012.20%BX-21.02.50.191 5260.141 94625.89%BX-31.52.00.075 2450.051 58031.45%BX-42.01.50.127 5460.047 58762.69%5建筑结构2013 年为满足西广厅结构层间位移角限值要求，在不增大原有框架柱截面基础上，采用结构控制技术，对结构安装消能减震装置，不仅控制结构在地震作用下的振动响应，从而有效地保护结构在强震下的安全，而且施工周期短，在经济上也合理可行。经综合考虑，西广厅设置消能减震装置 约束屈曲支撑。分析结果表明，约束屈曲支撑的滞回曲线较为饱满，说明在大震下约束屈曲支撑耗能充分，减震效果良好，且约束屈曲支撑在大震下的最大位移在试验验证的允许范围内，说明了其在大震下的安全性及可靠性。具体布置及消能减震效果分析见文献 12。5幕墙钢架系统幕墙钢架系统由三角形立体钢桁架以及水平索结构组成，分四个区域，具体分布如图 21 所示。幕墙顶部均与屋面系统连接，如图 22 所示，其中幕墙区域 1 底部与高架候车层楼板连接，如图 23 所示;幕墙区域 2 4 底部与 0.000m 地坪连接，如图 24所示。幕墙作为围护结构，其支承结构在水平方向与屋盖结构相联系，在竖直方向完全独立，仅向屋盖结构传递风荷载，其自平衡桁架大样如图 25 所示。图 21幕墙钢架分区图图22幕墙顶部与屋面连接图 23幕墙底部与高架候车层楼板连接示意图图 24幕墙底部与0.000m 地坪连接示意图6无柱雨棚站台无柱雨棚覆盖 8 个站台，对称布置在主站房南北两侧，每侧南北方向长 192m，东西方向长227m，两侧投影面积共约 7 万 m2。图 25幕墙自平衡桁架大样雨棚结构为钢管柱与梭形管桁架组成的受力体系，最大跨度为 38.5m。结构钢柱为上细下粗锥形变截面钢管柱，采用埋入式刚性柱脚。雨棚柱列纵向间隔布置落地斜拉索，以增加整体抗侧力能力，其结构模型(局部)见图 26。图 26无柱雨棚结构模型(局部)雨棚屋盖基本由纵横主次桁架组成，桁架高度在 2.6m 左右，桁架杆件均采用方钢管焊接而成(局部采用圆管)，屋面横轨向沿柱列在上下层布置水平钢拉杆支撑，以增加屋面刚度。中间柱连接节点设置滑动连接，如图 27 所示，以释放横轨向的温度变形。图中的聚四氟乙烯板耐久性应满足 50 年的要求。无柱雨棚预应力钢结构设计及施工的关键技术可参见文献 13。图 27滑动连接节点详图7结论青岛北站属于多种结构体系巧妙组合而成的混合体，含三维立体拱架结构、拉索结构和桁架结构及部分混凝土结构，而且主构件截面多为异形截面，加之单体长度与跨度超限，结构设计难点颇多。(1)通过三维立体拱架的应用，以及相应缩尺(下转第 13 页)6第 43 卷 第 23 期张相勇，等 青岛北站主站房屋盖钢结构设计形钢骨柱各组合工况下的应力包络云图见图 14，最大等效应力均小于 Q345GJC 的屈服强度标准值。图 14异形钢骨柱包络应力云图(部分)5结论(1)青岛北站主站房屋盖体系新颖，空间受力性能好，传力路径清晰，体现了结构美与建筑美的巧妙结合。(2)大胆使用了异形组合截面作为主受力构件，在未进行系统研究和理论推导的情况下，在现行规范公式基础上偏安全地选取相关参数对构件进行验算是一种简便可行的方法。(3)采用梁单元和壳单元的组合模型来模拟异形截面构件具有足够的工程精度;节点设计过程中，采用多尺度的局部精细化模型可以快速地考察节点在各组合工况下的应力状态。(4)大量使用了预应力索，通过承重索、抗风索的索截面和预应力值优化设计，有效降低了立体拱架主拱内的弯矩峰值;拉索采用了锌铝合金高钒镀层系统(Galfan System)，满足建筑的耐火极限要求。(5)V 形撑采用预应力压杆，通过体外索的预应力作用大大减小了中心杆件的截面尺寸，充分实现了建筑的意图。(6)结合异形组合截面形式的节点设计合理，能够满足结构受力和建筑美观的要求。参考文献1 张相勇，李黎明，魏建友，等 青岛北站结构设计综述 J 建筑结构，2013，43(23):1-6，132 赵鹏飞，阳升，杨惠东，等 青岛北站站房屋盖结构体系研究 J 建筑结构学报，2011，32(8):10-173 GAHAM H POWELL Modeling for structural analysis M Computers and Structures Inc，20104 西南交通大学 青岛北站站房测压报告 20105 GB 500112010 建筑抗震设计规范 S 北京:中国建筑工业出版社，20106 中国建筑科学研究院 青岛北站主站房屋面结构超限设计可行性论证报告 20107 GB 500172003 钢结构设计规范 S 北京:中国计划出版社，20038 赵鹏飞 大跨结构异型构件设计J 建筑结构，2013，43(2):36-409 陆赐麟，尹思明，刘锡良 现代预应力钢结构M 修订版 北京:人民交通出版社，2006 10 张相勇 建筑钢结构设计方法与实例解析M 北京:中国建筑工业出版社，2013(上接第 6 页)模型试验的验证，在满足建筑外观要求的基础上，较好地达到了屋盖结构安全可靠使用的要求，实现了建筑造型与结构体系的统一。(2)大量运用复杂节点和异形截面构件，通过试验验证和电算模拟，圆满完成了对其工作性能的验证，同时为其他相似工程问题提供了经验。(3)运用 TMD 阻尼器，有效避免了楼面与人群行走步率的共振，同时显著减小了楼面加速度，保证了良好的舒适度要求。(4)防屈曲支撑在西广厅的应用，在不增大原有框架柱截面的基础上，不仅控制住了结构在地震作用下的层间位移角与振动响应，从而有效地保护结构在强震下的安全，而且安装方便，施工周期短。(5)幕墙钢结构和无柱雨棚在满足建筑外观和结构安全可靠的基础上，良好地实现了其功能。参考文献1 GB 500102010 混凝土结构设计规范 S 北京:中国建筑工业出版社，20112 GB 500112010 建筑抗震设计规范 S 北京:中国建筑工业出版社，20103 张相勇，李黎明，甘明 青岛北站主站房屋盖钢结构设计 J 建筑结构，2013，43(23):7-134 西南交通大学风工程试验研究中心 青岛火车北站站房雨棚风洞试验研究报告 20115 GB 500172003 钢结构设计规范 S 北京:中国计划出版社，20036 JGJ 72010 空间网格结构技术规程S 北京:中国建筑工业出版社，20107 北京科技大学土木工程系 青岛北站主站房缩尺模型试验及数值分析报告 20118 CECS 212:2006 预应力钢结构技术规程S 北京:中国计划出版社，20069 张相勇 建筑钢结构设计方法与实例解析M 北京:中国建筑工业出版社，2013 10 陆赐麟，尹思明，刘锡良 现代预应力钢结构M 修订版 北京:人民交通出版社，2007 11 同济大学土木工程学院建筑工程系 锌-5%铝混合稀土合金镀层拉索耐火试验报告 2013 12 张志强，胡心一，张相勇，等 青岛北站西广厅减振设计 J 建筑结构，2013，43(23):17-22，46 13 焦峰华，王天荣，张相勇，等 青岛北站无柱雨棚预应力钢结构关键技术 J 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