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復雜鋼混組合線下式高鐵站房結構設計與抗震分析

2024-12-22 00:00:00杜鵬白宗琨王傳芳王欲秋徐春建
結構工程師 2024年5期

摘"要"鋼-混凝土不規則組合框架體系對于線下式高鐵站房具有良好的適用性。依托濟南至萊蕪高速鐵路歷城站結構設計,研究了鋼-混凝土不規則組合線下站房結構設計的關鍵技術。研究結果表明:采用民用建筑規范與鐵路規范相協調的設計方法,能較好地滿足線下式站房的要求;鋼-混凝土不規則組合結構中的側向組合能夠有效減少上下組合結構中的鞭梢效應;超長門廳鋼拱組合桁架采取“抗放結合”的處理措施,可有效解決溫度應力的影響;鋼混錐臺過渡轉換節點能確保混凝土與鋼結構轉換的可行性與可靠性。通過對結構進行動力彈塑性分析,驗證了該組合結構滿足了既定的性能目標,安全可靠。

關鍵詞"不規則組合框架,"線下式高鐵站房,"阻尼比,"鞭梢效應,"性能設計,"抗放結合

Structural Design and Seismic Analysis of Complex Steel-Concrete Composite Underground High-Speed Railway Station

DU Peng1"BAI Zongkun1*"WANG Chuanfang1"WANG Yuqiu2"XU Chunjian2

(1.Tongyuan Design Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,"China;"2.Jinan Planning and Design Institute,Jinan 250101,China)

Abstract"The irregular steel-concrete composite frame system has good applicability for the offline high-speed railway station building. Based on the structural design of Licheng Station of Jinan-Laiwu high-speed railway,"this paper studies the key technology of structural design of station building under line and irregular steel-concrete composite. The research results show that:"the design method of coordination between civil building code and railway code can better meet the requirements of offline station building;"the lateral combination in the irregular steel-concrete composite structure can effectively reduce the whipping effect in the upper and lower composite structure;"the influence of temperature stress can be effectively solved by adopting the treatment measure of “anti-release combination”"for the steel arch composite truss of the super-long foyer;"the transition joint of steel-concrete cone platform can ensure the feasibility and reliability of the conversion between concrete and steel structure. Through the dynamic elastic-plastic analysis of the structure,"it is verified that the composite structure meets the established performance objectives and is safe and reliable.

Keywords"irregular combination frame,"off-line high-speed railway station building,"damping ratio,"whiplash effect,"performance design,"radioresistance binding

0"引"言

在城市高鐵站房站型中,“線下式”站房由于能夠充分利用橋下空間,實現土地集約利用、市政配套設施的立體設置、與城市相呼應的商業布置,得到了越來越多的應用,顯著提升了綜合性客站的換乘效率、空間集約性和經濟效益。

濟南至萊蕪高速鐵路歷城站交通樞紐采用了線下式站型站橋一體設計,首層為車庫及公交樞紐;二層為高架鐵路候車廳、綜合性商業層;三層為承軌層及站臺。歷城站總建筑面積約10萬m2。站場規模為3站臺7線,其中包含2條正線。采用了“線下式站橋一體”的建筑結構形式,正線橋梁與站房主體結構沿軌行方向設縫脫開,形成“橋建分離”;到發線坐落于主體結構站廳頂部的承軌層上,實現“橋建合一”1。正線采用橋梁結構體系,以外的主體結構采用鋼-混凝土不規則組合框架體系。整體效果及剖面如圖1、圖2所示。該體系較好地實現了建筑交通布局的一體化功能,但給結構設計帶來了如下難點:

(1)"“橋建合一”1需解決不同行業規范的設計要求及指標控制的整合。

(2)"鋼-混凝土不規則組合結構目前在規范中缺少明確的規定和設計要求。

(3)"鋼與混凝土分界界面連接節點構造既要安全可靠又要便于實施。

(4)"需要解決超長結構的溫度效應影響等。

許多學者對該類型站房結構進行了研究。宋子威等2對杭州東站“橋建合一”結構橋梁設計關鍵技術進行了研究;劉家海等3研究了線下式“橋建合一”車站列車過站時的車致振動及噪聲特性;熊學煒4對杭州西站“橋建合一”承軌層復雜關鍵節點抗震性能進行試驗研究。

由于該類站型結構一般采用鋼-混凝土不規則組合結構體系,且不規則程度、組合情況均超過規范要求。本文結合歷城站,對復雜組合結構進行分析研究,為類似線下式“橋建合一”站型采用的組合結構體系設計提供參考。

1"鋼-混凝土不規則組合線下站房體系構成

歷城站主體結構可分為三個子結構,子結構1:預應力和型鋼混凝土組合框架——站房及承軌層;子結構2:鋼拱梁-鋼管柱框架——站臺雨棚;子結構3:多跨鋼拱組合桁架——門廳。1與2的豎向組合加上1與3的水平組合,且子結構2、3在混凝土結構1上的生根樓層不同,形成了鋼-混凝土不規則組合框架體系。正線橋梁與主體結構完全脫開,僅基礎相連,鋼-混凝土不規則組合框架體系與正線橋梁共同組成了整體線下式站房結構系統。結構分縫位置如圖3所示。

下文選取最復雜的中間部分進行研究。

1.1 預應力和型鋼混凝土框架——站房及承軌層子結構

站房及承軌層子結構是所有子結構的底盤,采用了預應力和型鋼混凝土組合框架。框架柱采用了十字型鋼混凝土柱,承軌層及候車層大跨度樓蓋采用了預應力梁板結構。結構布置如圖4、圖5所示。柱截面尺寸主要為2 400 mm×2 400 mm、900 mm×900 mm。主梁截面尺寸主要有2 000 mm×2 500 mm、3 200 mm×2 500 mm (箱梁),次梁1 200 mm×2 200 mm(承軌梁)、600 mm×1 000 mm等。

1.2 鋼拱梁-鋼管混凝土柱框架——站臺雨棚子結構

站臺雨棚子結構位于承軌層正上方,采用了鋼拱梁-鋼管柱框架結構體系,主要跨度為22.3 m×20.0 m。采用了鋼管柱+箱形梁的截面形式,柱截面為1 000×30圓鋼管,高度約12 m,生根于承軌層柱頂。梁截面400 mm×1 500 mm×16 mm×20 mm為順軌向梁和400 mm×800 mm×16 mm×20 mm為垂軌拱形梁,雨棚布置如圖6所示。

1.3 多跨鋼拱組合桁架——門廳子結構

門廳子結構分為東西兩側,為鏡像關系,采用了多跨鋼拱組合桁架。拱底支撐于站廳層樓面底盤,跨越承軌層及站臺雨棚,側面與雨棚鋼結構和承軌層相接。最高點高出雨棚結構約7.0 m,南北長約171.0 m,東西寬為22.0 m,設置了6顆型鋼混凝土柱,將拱型分為7段。以拱結構為主體,造型桁架結構依附其上,即坐落于頂部的眉造型桁架和下掛于底部的幕墻桁架。門廳子結構布置如圖7、圖8所示。

眉造型采用C形的平面桁架,下端坐落于門廳桁架上弦,上端與框架柱之間的實腹梁連接,眉桁架之間設置水平拉結。幕墻桁架采用平面桁架,上端連接于門廳桁架下弦,下端坐落于門斗箱型橫梁,同時結合幕墻立面設置水平拉結,保證其穩定性,以上部分共同組成門廳子結構。

1.4 結構材料

混凝土強度等級為框架柱C50,承軌層、候車層梁板C40,其余C35;鋼筋采用HRB400,鋼材為Q355B及Q390B。

2"設計控制參數及不同行業規范協調設計

2.1 結構設計控制參數

結構設計的控制參數見表1。

2.2 地震作用取值

根據《山東省建設工程抗震設防條例》,本工程抗震設防烈度按照7度0.10g取值,根據《建筑抗震設計規范》5,設計使用年限為100年的結構,地震作用放大1.4倍。根據《鐵路工程抗震設計規范》6,承軌層抗震設防類別為B類,多遇地震地震力放大1.5倍。綜合取承軌層地震作用按50年放大1.5倍計算,對應的地震動峰值加速度相當于0.15g。承軌層框架柱下部至基礎部分,其承載力不小于承軌層框架柱承載力。同時,對乙類建筑部分,提高1度采取抗震措施。

2.3 不同行業規范協調設計方法

“橋建合一”結構為橋梁結構和民用建筑結構的跨學科結構形式,承軌層橋梁既承受列車直接荷載,還承受上部結構傳遞的荷載。目前鐵路橋梁規范和民用建筑規范均沒有專門針對這類結構的規定,民用建筑結構規范采用以概率論為基礎的極限狀態設計法,而鐵路橋梁結構規范采用彈性理論的容許應力法。因此在進行這類結構設計時,需同時滿足二者相關規范要求,包含荷載取值、荷載組合等。

本工程所采用的設計方法為:按民用建筑設計規范進行整體設計,設計荷載考慮列車相關荷載的組合;按路橋相關規范復核承軌構件,實現二者協調,滿足結構整體設計要求7

2.3.1 按民用建筑設計規范進行整體結構設計

(1)"列車相關荷載,如離心力、制動力或牽引力、橫向搖擺力、列車脫軌等荷載,依照《鐵路橋涵設計規范》8《公路橋涵設計通用規范》9采用靜力等效原則,取值見表2。

(2)"列車活荷載組合值及準永久值系數依照現行《公路橋涵設計通用規范》9確定,并考

(3)"計算分析,滿足民用建筑設計規范相關要求,并進行構件配筋。

2.3.2 按路橋相關規范要求復核承軌構件

采用路橋設計軟件Midas Civil計算,對承軌構件進行復核,按計算結果包絡設計相關構件。設計結果均滿足規范要求,表明采用規范協調設計法能較好地滿足不規則組合線下式站房的設計需求。

3"鋼-混凝土不規則組合框架關鍵節點構造分析

3.1 預應力混凝土與型鋼混凝土連接構造

站房及承軌層子結構中既有型鋼混凝土構件,又有預應力混凝土構件。梁柱節點處同時存在型鋼、鋼筋、鋼絞線。鋼筋密集,排布復雜,需在保證節點核心區混凝土澆筑密實的前提下合理設計鋼筋排布、鋼絞線與型鋼之間的穿插關系,構造復雜,采用BIM技術,確定合理的構造方案,詳見圖9。

3.2 圓鋼管柱與十字型鋼混凝土柱連接構造

上部雨棚圓鋼管柱與下部承軌層十字型鋼混凝土柱存在節點轉換,該節點既為上部鋼結構的柱腳,還承受門廳子結構傳遞的水平荷載,必須安全可靠,滿足自身的強度和剛度10、結構性能目標要求。

為適應轉換構造和結構受力,研發了錐臺過渡轉換節點的形式,通過在上部鋼管柱底部設置的八邊形底板與下部十字型鋼頂部設置的封板形成錐臺的上下兩端,中間設置組合斜板,與十字型鋼腹板共同組成過渡錐臺,過渡段的截面慣性矩遠大于圓鋼管,使得上下兩種截面柱過渡均勻、傳力直接,轉換節點安全可靠。轉換節點構造詳見圖10。

選用有限元程序MIDAS FEA V3.7進行節點三維實體單元分析,材料本構模型按《混凝土結構設計規范》11附錄C采用。

有限元模型如圖11所示,節點實體有限元模型建立后,導入Midas Gen整體模型中計算,以盡量準確模擬節點的實際受力情況及邊界條件。

通過應力分析,節點區域的鋼材均處于彈性狀態,節點應力集中區位于斜板與下部翼緣板中部,Von.Mises應力接近137 MPa,其余大部分節點區的應力均低于120 MPa。混凝土的主應力均低于混凝土的抗壓設計強度50 MPa。鋼管柱與型鋼混凝土柱的錐臺過渡轉換節點滿足預期的設計目標。

3.3 門廳拱桁架溫度應力處理及支座構造

門廳拱桁架屋面南北向長度約171 m,需要考慮溫度作用對結構的影響。按照±30 ℃對結構進行溫度作用計算,結果顯示,拱落地端跨,溫度應力超限,通過增加截面無法解決,而且會使相鄰桿件的溫度應力也增大。為解決這一問題,采用了“抗放結合”的處理方式。

抗:最外側的圓鋼管混凝土柱為拱屋面的關鍵支撐構件,溫度作用下順軌方向變形及應力較大,采取降低構件剛度提高構件強度的辦法來處理。具體措施為:將原鋼管混凝土柱改為鋼管柱,減小柱剛度;將鋼管柱強度由Q355B提高至Q390B。

放:在拱桁架落于混凝土結構的支座處,設置單向滑動支座釋放約束,沿結構長向(順軌向)滑動,垂軌向限制位移,釋放掉結構長向變形帶來的部分構件內力。

單向滑動支座如圖12所示,采用“抗放結合”處理前后的結構變形對比詳見圖13。

通過“抗放結合”的設計理念和處理措施,有效解決了超長拱桁架結構的溫度應力超限問題。

4"鋼-混凝土不規則組合框架體系抗震性能分析

4.1 阻尼比取值的影響

整體計算模型如圖14所示。鋼-混凝土不規則組合結構是典型的復雜阻尼體系,合理的阻尼比取值是結構抗震分析的重要前提。

分別對比了一致阻尼的CQC法(阻尼比取值0.04)12、非比例阻尼的應變能法和CQCC法(阻尼比鋼材0.02、混凝土0.05)三種方式,結果如下:

(1)"三種計算模型的結構自振周期、層間位移均滿足規范設計要求,且差別較小;

(2)"非比例阻尼算法各振型阻尼均不相同,大量鋼結構參與的高階振型,阻尼比均為2%~3.5%,從而求解地震力更加精確;

(3)"CQCC法給出了實現實數形式的復振型完全平方組合公式,是求解復雜組合結構較為完善的一種方法13-14

4.2 結構鞭梢效應與彈性時程分析

鋼-混凝土結構上下組合時,形成上柔下剛的結構體系,該體系對上部鋼結構地震動力響應具有放大作用,即鞭梢效應,特別是高階振型引起的鞭梢效應更加顯著15。本結構既有鋼與混凝土的上下組合,又有側向組合,其地震響應的鞭梢效應又有不同。為了揭示不規則組合結構鞭梢效應的特性,采取了拆分計算的方式進行對比分析。

對比分析模型:模型一為包含上部站臺雨棚鋼結構、側向門廳鋼結構和下部混凝土底盤的整體結構模型(不規則組合結構);模型二去掉門廳,僅包含上部站臺雨棚鋼結構和下部混凝土底盤的結構模型(上下組合結構)。對比樓層剪力和鋼雨棚結構的剪力放大系數。

4.2.1 反應譜分析樓層剪力對比

采用反應譜分析的兩種模型各樓層剪力見表4(以Y向為例)。

對比兩個模型的樓層剪力,可以發現由于增加了跨層門廳部分的質量,模型一的基底剪力大于模型二;但模型一(不規則組合結構)2層、3層的剪力均小于模型二(上下組合結構),尤其是鋼結構雨棚的剪力減小較多(達到27%),其相應構件截面也得以減小。

4.2.2 彈性時程分析對比

分別選用5條天然波和2條人工波對模型一和模型二進行小震雙向彈性時程分析,并與規范反應譜分析進行比較。各地震波的特征周期、有效峰值加速度、有效持續時間均符合《建筑抗震設計規范》5的要求。兩個模型計算的最大層間位移角及時程剪力放大系數對比見表5、表6。

根據計算分析結果,模型二中鋼結構雨棚的層間位移角大于模型一,模型二中鋼結構雨棚部分的剪力放大系數大于模型一。

綜合反應譜與時程分析結果可以表明,跨層門廳(側向組合)的存在限制了2層混凝土站廳尤其是3層鋼結構雨棚的位移,并承擔了部分剪力,相對于上下組合結構,不規則組合中鋼結構雨棚的剪力明顯減小,且鞭梢效應得到了改善。

4.3 行波效應分析

因站房部分順軌向長度約215 m,尺度跨越較大,地震多點輸入對結構抗震計算有一定影響5,通過時程分析,確定地震行波效應對結構的影響。假定地震波沿地表以一定的速度傳播,各點波形不變,僅時間不同16。地震波行波速度的確定是一個非常復雜的問題,通常是取若干個可能值進行計算17

對于本工程而言,波速下限偏安全的取為等效剪切波速的近似值200 m/s,而波速上限根據場地的土層厚度、震源深度、本工程的規模尺度,并綜合考慮傳播過程中的可能性,確定地震波波速上限為800 m/s。在上、下限范圍內,取用200 m/s、500 m/s、800 m/s三種波速進行分析,確定最不利波速進行結構計算。

不同波速基地剪力時程如圖15所示,從計算結果可知,以不同的波速計算時,樓層剪力、基底剪力大小不同,隨著波速的增加,結構響應也相應增大,趨近于單點輸入,與以往項目分析結論一致。

因此,結構設計時以單點輸入進行,另外,通過對不同波速下結構構件內力分析,有如下結論:①多點輸入對框架柱軸力和扭矩影響較小,對柱剪力和彎矩有一定影響;②對不同樓層構件內力影響不同,其中對首層影響較大,2層次之,3層基本無影響;③對同一樓層內不同區域構件影響不同,對結構端部區域構件影響較結構中間區域構件大。

根據以上分析,本工程設計按單點輸入計算并考慮不利位置構件內力調整的辦法。對結構端部構件內力適當放大,其中首層放大系數取1.1~1.2,2層構件內力放大系數取1.05~1.1。

4.4 抗震性能設計與彈塑性時程分析

本工程為抗震超限建筑,且結構體系為鋼與混凝土的不規則組合結構,也超出現行規范的相關規定。為驗證該類復雜不規則組合結構的抗震性能,對結構采用抗震性能設計,根據其結構構成和不規則性,針對性地提出結構各部分性能指標,并采用彈塑性時程分析進行罕遇地震的驗算,性能指標見表7—表918。采用SAUSG 2022計算程序進行結構彈塑性時程分析。

選用一組人工波、兩組天然波進行計算,地震影響系數曲線在結構主要周期點處滿足規范統計意義上相符的要求。基底剪力與小震反應譜對比見表10。

根據計算結果,罕遇地震彈下塑性層間位移角最大值分別為:X向1/321,Y向1/228,約為小震位移角的3.5~4.4倍,滿足規范中規定的1/50限值要求。根據構件性能分析結果,均滿足既定的大震性能目標。

構件性能評估如圖16—圖19所示。

通過彈塑性時程分析,可以看出:

(1)"在考慮重力二階效應的條件下,結構變形滿足規范限值要求,最大值出現位置以及變化趨勢與多遇地震基本保持一致,無明顯突變。

(2)"罕遇地震下框架梁發揮了耗能作用,框架柱損傷輕微,結構抗震耗能機制合理。鋼-混凝土組合結構無明顯的損傷集中區域,各組成部分均參與地震耗能,結構整體性好。

(3)"地震時程能量以阻尼耗能為主,應變能所占比重小,結構進入非線性程度低,說明結構損傷較輕,仍有充足的安全儲備。

通過以上分析,在罕遇地震下,該不規則組合結構整體損傷控制在容許范圍內,耗能機制合理,鋼與混凝土連接部位無應力集中現象,滿足既定的性能目標,從而驗證了該不規則組合結構具有良好的抗震性能。

5"結"論

本工程在設計實踐中,針對鋼-混凝土不規則組合框架體系在線下式站房中的應用進行了的分析與研究,得出如下結論,可為類似復雜組合結構的設計提供參考:

(1)"所采用的民用建筑規范與鐵路規范相協調的設計方法,能較好地滿足不規則組合線下式站房的設計需求,保證了“橋建合一”結構設計的可實施性與安全性。

(2)"鋼混凝土不規則組合結構中,相對于僅上鋼下混的組合結構,側向組合的存在,使得上部鋼結構的剪力明顯減小,鞭梢效應得到了改善。

(3)"通過彈塑性分析,驗證了在罕遇地震下,鋼-混凝土不規則組合結構整體損傷控制在容許范圍內,耗能機制合理,鋼與混凝土連接部位無應力集中現象,滿足既定的性能目標,具有良好的抗震性能。

(4)"在鋼與混凝土連接處采用錐臺過渡轉換節點,確保不規則組合結構中混凝土結構與鋼結構過渡的可行性與可靠性。

(5)"溫度應力對門廳鋼拱組合桁架的影響較大,所采取的“抗放結合”的處理措施,能夠有效解決超長鋼結構的溫度應力超限問題。

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