青島客站改造工程結(jié)構(gòu)設計

馬竹青

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

1 工程概況

膠濟鐵路青島客站改造工程是青島市迎接2008年奧運會配套工程及鐵道部重點工程,由鐵道部和青島市共同投資。其中新建站房總建筑面積54 277 m2,風雨棚60 000 m2,加上站場改造,項目總投資13.2億元。作為盡端式車站,改建后的站房沿站場東西南呈“U”形布局。為節(jié)省用地、整合地下交通,將車站主候車室設于站場南端線路及站臺下,形成長114.6 m、寬39.7 m的地下候車室,連接東廣場地下商場及地鐵站、西站房地下室，并通過費縣路地道與城市主干道相連。東西區(qū)分別設置進站廣廳、售票、候車、出站等功能,在二層通過景觀連廊連通。新建站房地上三層,局部一～二層。南區(qū)及西區(qū)A單元地下二層,其他單元地下一層。平面分區(qū)示意見圖1。

注：虛線所示輪廓為地下建筑。

2 結(jié)構(gòu)受力體系

2.1 工程設計特點

青島是一個美麗的海濱城市,殖民統(tǒng)治時期留下了許多歐式建筑,形成了獨特的城市風貌。本次改造將位于東南角的鐘樓及德式風格建筑局部保留,改造成膠濟鐵路博物館。新建站房以鐘樓為中心和控制點,采用三面圍合的布局,外立面采用歐式建筑風格,內(nèi)部按鐵路新客站大空間的布局要求進行設計。受保留鐘樓高度的限制,結(jié)構(gòu)高度控制在建筑允許范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

2.2.1 站房

東、西區(qū)站房寬度均為24 m,柱距8 m；南區(qū)寬度23.4 m,柱距11.7 m。各區(qū)長度在60 m左右,最長70.2 m。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。一層主要為客運設施用房,二層為辦公、賓館等小房間。對售票、候車及進站廣廳等大空間,取消中間柱。上部受二、三層層高限制,在一層設計了跨度為24 m的預應力鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁；進站廣廳地上部分僅為一層,從有利于結(jié)構(gòu)抗震角度出發(fā),結(jié)合吊頂造型采用折線形鋼屋架(圖2),以減輕結(jié)構(gòu)自重,減少水平力,滿足空間高度要求,同時方便吊頂施工。

2.2.2 地下候車室

地下候車室凈空9.00 m。候車室上共設有6座站臺,10條到發(fā)線。地下候車室屋頂同時兼作軌道面和站臺面。為了實現(xiàn)地下候車室大跨無柱空間,降低軌下梁高,充分利用1.25 m的高站臺,設計了5座跨度39.3 m,高2.1 m的預應力混凝土槽形箱梁,兩梁之間鋪設SP板。其獨特的造型營造出了恢宏大氣的地下候車空間。兩側(cè)站臺的消防通道采用普通的預應力混凝土簡支箱梁，東側(cè)(南C區(qū))地下室兩層,跨度6.4 m,主要為設備用房,采用剪力墻結(jié)構(gòu),兼作擋土墻。地下候車室結(jié)構(gòu)剖面見圖3。

圖2 鋼屋架幾何尺寸及內(nèi)力(尺寸單位：mm，內(nèi)力單位：kN)

圖3 地下候車室剖面(單位：mm)

2.2.3 無站臺柱風雨棚

連續(xù)3跨,跨度分別為39.0、39.3、43.9 m,總覆蓋面積58 300 m2,拱頂距站臺面高度16.40 m。采用十字交叉圓鋼管拱形梁,支撐方鋼管組成的單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),與屋面敷設的聚碳酸酯陽光板及設于南端及景觀連廊上空的光伏太陽能電池板,形成有韻律的組合。通過在網(wǎng)殼周邊設置平面桁架與空間桁架組合而成的邊桁架來增大邊緣構(gòu)件的剛度,解決了單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性較差的難題；采用鋼管混凝土柱及鋼管混凝土格構(gòu)柱增大柱的剛度,有效控制柱頂?shù)膫?cè)向位移。在確保穩(wěn)定性的基礎上合理確定構(gòu)件截面,滿足建筑效果要求,降低施工難度,節(jié)約工程造價。

2.2.4 景觀連廊

用于連接東、西站房,寬15 m,跨度同風雨棚。下部為滿足火車限界高度的要求,經(jīng)比選,采用連續(xù)3跨鋼箱梁承重體系,圓鋼管柱,柱下獨立基礎。鋼箱梁采用雙箱梯形截面,截面高度僅1.5 m。建成后的景觀連廊,視線開闊,輕盈美觀。

2.3 不同結(jié)構(gòu)體系之間的關系

2.3.1 東西南3個區(qū)之間

站房沿站場東西南呈“U”形布局,由于建筑體型復雜,地下室層高不一，考慮到結(jié)構(gòu)體系及受力狀態(tài)的不同,遵循“復雜的建筑,簡單的結(jié)構(gòu)”原則,將站房上部結(jié)構(gòu)分為東西南3個區(qū)共10個相對規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元,基礎部分相同高程的單元連成一體。

2.3.2 地下候車室與站房之間

地下工程首先要考慮的是防水問題。本工程由于地下水位較高,地下室又作為候車室使用,防水等級采用一級。地下候車室與東西南站房相連,不僅受力狀態(tài)不同,結(jié)構(gòu)體系不一致,而且體型也非常不規(guī)則,很容易形成應力集中,進而影響防水的可靠。為保證防水萬無一失,經(jīng)多次研究,最終將地下室結(jié)構(gòu)與東西南站房完全脫開,地下室底板連在一起。按照“堵疏結(jié)合”的思路,設置了架空層,萬一局部滲漏,可將水集中收集到廢水池內(nèi)通過機械排出。為節(jié)省投資,方便維修,架空層采用磚墻支座,預應力鋼筋混凝土空心樓板，混凝土采用加入外加劑的補償收縮性混凝土。

2.3.3 風雨棚與站房之間

由于單層網(wǎng)殼產(chǎn)生較大的水平推力,主站房中間特別是抽柱的大空間結(jié)構(gòu)較難承受。因兩種結(jié)構(gòu)的剛度及變形能力相差較大,為保證站房結(jié)構(gòu)的受力體系規(guī)則并使傳力體系更加明確,采用在基本站臺靠近站房處設柱的方案,將雨棚與東西站房上部結(jié)構(gòu)完全脫開,基礎連在一起。為了滿足美觀要求,在站房范圍內(nèi)采用方鋼管混凝土柱,與裝飾后的站房融為一體，達到了站臺上無柱的效果。為了從南廣場看站場更加通透,取消風雨棚南端第一排設在線路中間的立柱,網(wǎng)殼支座固定在南站房挑梁端頭,通過在二層樓面設置水平桁架，將水平力傳遞給主體結(jié)構(gòu)。

3 地下室擋墻設計

地下室外墻所承受的荷載,除上部結(jié)構(gòu)傳來的恒、活、風荷載和地震作用外,還承受地下室本身的豎向荷載、側(cè)向土壓力及水壓力。在實際工程中,風荷載和地震產(chǎn)生的內(nèi)力一般不起控制作用。主體結(jié)構(gòu)采用的PKPM系列SATWE 計算軟件,程序是將水平方向的不均勻荷載轉(zhuǎn)化成均布荷載并采用簡化計算方法。對于地下室四面擋土這種均勻受力的情況,不需考慮結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移問題,這種簡化模型是可以的。但對于地下結(jié)構(gòu)的一邊或兩邊外墻兼作擋土墻這種結(jié)構(gòu)外荷載不對稱的情況,采用簡化計算方法不合適,必須根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》第6.6.5條的要求,進行抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性的驗算。

3.1 擋墻形式確定

橋梁部分北側(cè)擋墻采用的是常規(guī)的“U”形橋臺兼擋墻,南區(qū)及西區(qū)一單元(均為二層地下室)外墻為一邊或兩邊外墻兼作擋土墻,因其為二層地下室,擋墻高度達14.75 m,而且地下水位在地面下1 m左右,土壓力和水壓力對主體結(jié)構(gòu)的影響非常大,尚無類似的工程實例可借鑒。為有效降低擋墻厚度,避免大體積混凝土易開裂的弊端,減少水平推力對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,利用箱形結(jié)構(gòu)剛度大的特點,并通過調(diào)整建筑布局,巧妙將地下二層隔墻兼作擋墻扶壁,采用帶扶壁的箱形擋墻結(jié)構(gòu)，其平面、剖面見圖4～圖6。

圖4 -7.80 m以下剪力墻平面(單位：mm)

圖5 箱形擋墻斷面(單位：mm)

圖6 廢水池處擋墻斷面(單位：mm)

3.2 擋墻計算模型

結(jié)構(gòu)計算采用的PKPM系列的SATWE空間有限元結(jié)構(gòu)分析軟件能夠建立起箱形擋墻模型,但無法計算土壓力及水壓力；而PK采用的是平面桿系結(jié)構(gòu)計算模型,可以加上水平力,但箱形擋墻無法建立模型。

首先用SAP2000軟件對擋墻部分進行準確受力分析(圖7)；再將擋土墻中的箱形擋墻部分模擬成梁板柱體系,將箱形擋墻的內(nèi)隔墻簡化為支撐,用PK程序進行計算并將結(jié)果與SAP2000的計算結(jié)果進行比較,直到較為接近后,從空間模型中抽出單榀框架,加上水壓力及土壓力,將模擬的擋土墻梁板柱體系與主體結(jié)構(gòu)合并計算,可以得到整體結(jié)構(gòu)單榀框架的變形(圖8)。

經(jīng)計算，最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)底懸臂端頂部。1處最大水平位移為5.46 mm；2處水平位移為6.62 mm；3處最大水平位移為1.78 mm。

3.3 抗傾覆、抗滑移措施

3.3.1 抗傾覆措施

為了增加抗傾覆力臂,充分利用地下二層的隔墻作為擋墻的扶壁；為了增加配重, 除了污水池及廢水池外,將其他箱體內(nèi)填充砂夾碎石；在箱體下增設抗拔錨桿以抵抗傾覆力矩所產(chǎn)生的上拔力。

圖7 擋墻橫剖面示意

圖8 恒載節(jié)點位移(單位：mm)

3.3.2 抗滑移措施

在地下室主體結(jié)構(gòu)中采用高性能補償收縮混凝土,將南區(qū)三個單元、西區(qū)一單元及地下候車室的相同底高程的筏板連成一體。這樣不僅可避免伸縮縫處出現(xiàn)防水薄弱環(huán)節(jié),而且通過連通的剛性底板,再考慮設于底板下的抗拔錨桿的有利作用,可以保證整體結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本工程在設計的各個階段,結(jié)構(gòu)專業(yè)始終與相關專業(yè)密切配合,以“鑄造百年不落后的精品工程”為目標,通過選擇合適的計算軟件及簡化模型,經(jīng)合理的結(jié)構(gòu)布置,實現(xiàn)了建筑美觀與結(jié)構(gòu)安全的完美統(tǒng)一。本工程2007年元月正式開工,在建設各方的通力協(xié)作下,按期圓滿交付使用。自2008年8月開通運營以來,不僅為旅客提供了舒適便捷的乘車環(huán)境,也得到了包括鐵道部及省、市領導的高度評價。

[1]GB50011—2001,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2]GB50007—2002,地基基礎設計規(guī)范[S].

[3]楊 星.PKPM結(jié)構(gòu)軟件從入門到精通[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.