北京西站结构设计.pdf

北京西站 结 构设计 丁宗梁 北京市建筑设计研究院 北京 10 0045 I提要 本文介绍 了北京西站工程结 构设计的概况 其 中重点介绍了北站房综合楼的结 构设计 一 目U 舀 为缓解目前北京铁路客运站运行紧张状态 铁道部及北京市决定在北京莲花池新建一座 大型火车客运交通枢纽站 定名为北京西站 北京西站是一项规模宏伟 意义重大的系统工 程 是国家及北京市 八五 计划的一项重要的城市基础设施 它包括客运站房 铁路引入 线 市政道路及立交桥 地铁 铁路自动化通讯系统以及与其相配套的建筑群如邮政枢纽 公安等工程 工程的投资金额为4 2亿元 此外 这次设计中还包括主站区南 北两侧广场 的商业建筑群 总占地面积达5 2公顷 西站 站房总建 筑面 积为 4 1 000 0 耐 相应 配套 的工程建 筑面积为 25 000 0 扩 共 计 66 000 0 衬 由于西站的建设带动了南 北广场和站前街的商业和其它公共建筑的建设开发 届时将有1 75 000 0 澎的商 住楼随西站的建设而建成 诊 9 9 9 9 9 l l l 火火火火砖 二一 甲副 副副副 面面 蓄蘸羞颤 颤 呢呢尸杯币而刁护刽断盯昔两 苛二芹 二硬岔国 国亏亏 1卜爪李 李李 长井士二 北 颤 图1北京西站总平面图 1一北广场 2一北站房综合楼及站前广场 3一高架候车室及站台 4一 南站房 5一南广场商业建筑群 6一莲花池公园 7一邮政 枢纽 8一公安 横 9 莲花池立交桥 西站主站房综合楼是北京的大门 也是中国的一个大门 是南来北往火车的中心枢纽 又是京九铁路的始发站 称之为京九线的龙头 具有重要的象征意义 同时西站地处金中都 遗址公园 莲花池公园一侧 在一定意义上可称为是历史地段的建筑 有纪念北京建都七 百余年和建城三千零四十年的历史意义 因此它既是中华民族悠久历史的纪念碑 也是现代 中国改革开放走 向世界 阔步迈 向廿一世纪的纪念碑 图 1 二 工程概况 西站站房由北站房综合楼及站前广场 高架候车室及南站房三部分组成 地铁自南向北 在建筑物中轴穿越 图2 北站房综合楼由中楼 主楼 东西方体 东 西 侧楼及东 西 配楼组成 全长 73 9m 宽1 0 3m 平面呈二形 三边围合成站前广场 北站房综合楼的建筑总 面积为 30 0 0 00澎 由 于地铁在主楼中轴下穿越 因此使主楼分别座 落在地铁两侧 形 成一个净宽4 3 8m 高5 0 m 的大门洞 门洞上方为一个底座 2 7 x 27m 高 40m 的传统门楼 门楼宝顶高程为 102m 是 西站建筑群的最高点 门洞下方 为中央大厅 地上 二层为进站大厅 地 下二层为出站大厅 大厅的主体结构与主楼脱开 全部座落在地铁 结构上 大厅的顶棚为平面呈工字形 的阶梯形 钢网架结构 从室内延伸至室外 室内部分是 大厅的屋顶 室外部分为大厅二层入口平台的 雨棚 室内外网架均为玻璃采光屋面 图3 一一 一一一一一一一一一一一一一 卜卜 一 一一 一一州州 一一 一一一一一一一一一一一一一 一一一一 一一一一一一一一一一一一一 一一一一 一一一一一一一一一一一一一 一一 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l 少 图2站房平面示意图 1 一 北站房综合楼 2 一 南站房 3 一 高架候车室 4 一二层入口平 台 5 一环形车道 6 一 钟塔 7 一人行钢桥 8 一 西副广场 10 一 东副广场 1 1 一站 台 9 一 中央主广场 12 一 地铁 站前广场位于北站房综合楼北侧 以东 西两钟塔为分界线分隔成 中央主广场 东 西 副广场三个部分 中央主广场全长 33 6m 其地面部分为步行广场 东 西环形车道 东 西钟塔 下沉广场以及东 西人行钢桥 主广场地下二层 分别为商场 汽车库 地下出口 通道 变电室等 环形车道往上到二层平台中央大厅入口 往下到地下车库 东 西人行钢 桥往北跨越马路分别与主楼相对应的中裕和瑞海二座大厦相连 往南至二层平台进站大厅 钢桥人行道的上部为二层 是旅客服务设施 主楼的主要功能为客运转运功能如售票 贵宾 候车 进出站大厅 乘务员公寓等 侧 配楼为综合性服务楼 高架候 车室位于南 北站房的中部 南 北长 21 7m 东 西宽 15 8m 总面积为 4 50 0 0衬 二层为高架候车室分别与南 北站房的二层进站大厅相联通 一层为站台 共设 9 个站台 2 0条线路 地下一层为铁路的西出站通道和南 北自由通道 两者合并成一个 21 7 x 7 4 m 的地下广厅 地下二层为地铁车站 高架候车室 站台及地铁车站分别由铁道部第三 设计院及北京城市建设设计研究院负责设计 南站房建筑总面积为 60 00 0 扩 全长约 26 2m 为西客站的南部入口 其功能与北站房 主楼相似 地铁从其中轴通过 3 娜娜娜娜娜娜娜娜娜 霆霆 皿皿皿 长长长长长长 图5北站房地面温度区段部分平面示意 图 地下部分除中楼及东 西方体分段与地面部分相对应外 东侧楼与东配楼及西侧楼与西 配楼的地下部分均连在 一起不再设1永久缝 这 样 东侧 配楼地 下部分 单向总长度达 221m 此值已大大超过规范允许值 为解决超长结构混凝土干缩及部分温度应力间题 我 们采用了补偿收缩混凝土技术 即在普通混凝土中掺合一定比例的微膨胀剂 其基本原理是 微膨胀混凝土在水化过程中产生适t 膨胀 在钢筋和邻位限制下 在钢筋混凝土中建立起一 定的预应力 自应力 这一应力能大致抵消混凝土在收缩时产生的拉应力 从而防止或减 少混凝土构件的裂缝产生 对于 区段长度划分 施工后浇缝的位置 数量 缝宽以及微膨胀 剂掺合的比例均与结构构件截面尺寸 钢筋配筋率及直径以 至浇筑混凝土时的环境温度有 关 因此我们与 中国建筑材料科学研究院科隆抗裂防渗技术公司 北京建工集团总公司西站 项目经理部共同合作研究确定在施工过程中设置三种类型的施工缝 即后浇缝 长期后浇缝 及工艺缝 后浇缝是沿建筑物长度每隔 3 0 一4 0m 设置一道 缝宽0 8一1 5m 不等 缝内混 凝土待两侧混凝土浇毕一个月后浇灌 长期后浇缝是根据结构设计要求在中央步行广场下部 的结构与主楼间设置的后浇缝 缝宽 lm 要求待主楼主体结构完成后再浇灌 其目的除了 解决收缩及温度应力外 主要是解决不均匀沉降差对结构产生的附加应力 工艺缝则是为实 现混凝土连续浇注 而设置的一种 工艺 性假缝 是在原设计温度应力较大的部位设置一条 宽Zm左右的假想缝 两边用钢板网隔开 当混凝土连续浇筑至工艺缝 位置时 调整配合 比 使混凝土中的膨胀剂量提高 膨胀率增加 以提高这一区段 的补偿收缩能力 浇完工艺 缝后再换成原配合比连续浇灌 故其作用等同于后浇缝 所不同的是可以连续浇筑 此类缝 对施工组织管理要求严格 以上措施中膨胀剂的掺量是根据不同的技术条件而不等 平均在 主体结构混凝土内掺1 0 一巧 施工缝内较主体结构内增加3 不等 实践证明这项技术措 施对解决温度及收缩问题效果不错 为今后超长工程的设计与施工积累了经验 北站房地下 温度区段的划分见图6 一一劫 二 一 二 图6 州 北站房地 下温度区段部分平面示意图 二 地墓及墓础设计概况 北站房综合楼基础采用天然地基方案 持力层土质共分三个区六个类型 其类型 区 域 持力层岩性及承载力见图7 持力层分区说明表1 为持力层分区 叔叔禹尹尹 江江 j 一一一一一 1 逛逛 酬酬 I一气 酬酬酬 图 7 持 力层岩性分区图 区区号 号持力层性质质 水水水水载力 力 R R R R R R R kN N N 澎 习习习 第三纪砾岩岩 40 0 0 0 I I I 2 2 2 第三纪粘土岩 局部薄层层 280 0 0 砾砾砾岩岩岩 l l l l i i i 新近沉积 卵石 回砾局 局 26 0 0 0 部部部及 其下 卧层 为轻 重重重 亚亚亚砂土及细砂砂砂 皿皿2 2 2 新近 沉积卵石 圆砾 及及 280 0 0 其其其下卧层为第三纪砾岩岩岩 皿皿1 1 1 新近 沉积轻 中亚粘土土 18 0 0 0 困困困 新近 沉积卵石 国砾砾 3o o o o 场区上部覆盖层的平均剪切波速值为 v s m 二15 8 一1 36时 s 根据GB J lr一8 9 规范该场区 覆盖层范围内场地土主要为中软 一 中硬场地土 场地土类别定为n类 基础共分三 种类型 箱基 交错反梁结构的筏板基础及独立柱基 各部分的基础设计概况如表2所示 北站房及综合樱基础设计概况 表 2 设设计分段段各段名称称柑底标高高地下层数数基础类型型 I I I I I主楼 楼 35 05 一 13 10 0 0 二层层 箱基基 地地地下车库下沉广场场 36 35 一11 80 0 0 二层层 独立柱基基 n n n n n 东方体体 35 55 一 12 50 0 0 二 层层筏基基 局局局局部 一 1 2 90 0 0 0 0 0 0 皿皿皿 西方体体 35 6 5 一12 40 0 0 二 层层筏基基 W W W W W 东附楼楼 37 0 5 一10 85 5 5 二层层 箱基 十 筏基基 V V V V V 西 附楼楼 37 05 一10 85 5 5 二层层箱基 十 筏基基 砚砚砚 东配楼楼 37 0 5 一10 85 5 5 二层层 箱基 十 筏基基 V V V I a a a 东配楼地下车库库 36 35 一 11 55 5 5 一至二层层独立柱基基 4 4 4 4 4 4 40 25 一7 65 5 5 5 5 5 5 吸吸吸 西配楼楼 37 0 5 一10 8 5 5 5 二层层 箱基 十 筏基基 孤孤 a a a 西配楼地下车库库 39 0 5 一8 40 0 0 一至二层层 独立柱基基 局局局局部 一 1 0 5 5 5 5 5 5 5 5 地地地 铁预埋折返 线南段段 29 9 9 4 一18 156 6 6 一层层 变断面多跨度隧道道 2 2 2 2 2 2 29 491 一18 659 9 9 9 9 9 9 3 3 3 3 3 3 30 6 62 一17 448 8 8 8 8 8 8 中央主楼结构地基基础 用非线性地基与基础协同分析方法 用 高低层建筑差异变形分 析软件 S F IAV I 进行计算 软件为北京市勘察院编制 地层岩性的变形参数为 第三纪砾岩 E 70 OMP a v 65om s 第三纪粘土岩 23 ZMPav 5 5or n s 在计算过程中随时调整基础刚度 最后得出基底反力 基础沉降 剪力及弯矩图 图8为基 底反力及基础沉降图 主楼东 西两楼箱形基础分别位于地铁两侧 与地铁基础槽底标高相差约 sm 我们利 用地铁结构来承担主楼地基反力产生的侧压力和地基土的稳定 6 基底反力图 zokP a 态一 了 叹 二 七 厂 一杰 是 之c LO 营戈艾白 一方 斌 沉降图 em 图8 基底反力及基础沉降图 三 中央主楼的结构体系及抗展设计 中央主楼结构体系 由于建筑外形及内部功能要求 如大跨度门楼及 内部上小下大的空 间结构 上部为乘务员公寓的小开间剪力墙 下部为售票 候车大厅的大空间框架 加上 中部设置了贯穿六层的共享空间 形成了一个极为复杂的具有三个转换层的框支剪力墙体系 图见本专辑 北 京西站北站房主楼抗展设计与研究 一文 主楼的最大柱网尺寸为1 2 x 1 2 m 最大圆柱直径为 D 120 0 混凝土强度等级最高为C 6 0 中央大厅结构为框架体 系 全部与主楼脱开支承在地铁结构上 见图 9 o L L L l l l l l l l l l l 大厅柱网 网甲 甲甲 防防 参参 一 一 一 奋 目 曰 咬咬 一 上 二 1 1 1 1 一 一一 节 翻翻一 二二 二雌几乙 二二二二二二二二二二 口口 中央二层平台柱巨巨巨巨巨巨巨巨巨巨 一 下下一犷一下 下 卿卿卿卿 一一一一一一一 到到到到到到到到到到到到到到到到 一节 一 一 一 4 4 4 习习 刊盛卜 一妇 土土 于二 率三三l 二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二 曰曰 二二二二二二二 州州 一 门门 网网片 二一 一阳阳阳阳阳阳阳阳阳阳阳阳阳阳 日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日日l l l l l l l 二 二 二二 乙 一 刁卜 石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石r r rr一 加 加 一一 一一 箭华 一一一恻卫 一 一 份巡气沪巡粤黑斋卿 红 图9 大厅柱网与地铁关系图 大厅柱 网的最大尺寸为1 8 8 x 1 2m 由于大跨度梁截面高度的限制 我们采用了无粘结 预应力技术 楼板根据开间及跨度分别采用了平板 肋形楼板及双向密肋楼板 双向密肋楼 板采用 12 00 x 1200 x 300及1200 x 12 00 x 4 00 二种规格的塑料模壳 中央门楼两侧为11 5 x 6 6 600 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 口口口口 勺勺 几 皿h h h 一 匕匕 一1 1 1 卜卜卜卜卜卜卜卜卜一一一一一一一一一 二 二 一 一 S S SRC C C 一一 一可 可 剩剩剩 简简体结枯枯 一一 次 一一一 一一川 川川川川川川川 敌矍矍矍矍 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11500 0 0 日日日日日日日 卜 一 厂厂厂上上上上上上上上上上三引引引引引引引 一 卜 一 一一 一 闷 闷闷 115 一代 器 一叫 叫叫 图1 0门楼平面关系图 2 8 sm 的简体 筒体采用钢骨混凝土 SRC 结构 是由于抗展 支承门楼的强度和构造上 的需要 图 10 主楼结构的抗展设计见本专辑另文介绍 四 门楼结构设计 中央门楼结构由支承枪架 宝顶支架 门楼框架及屋顶网架三部分组成 全部采用钢结构 图11 屋顶根据建筑要求做成一定的曲 线 所以我们采用网架结构形式 网 屋顶网架 支承朽 架 八 八 l 入 入 团团 丫丫冈冈 团团 鑫 霎 豪 趁 4Q旦 一 湍 一 一干 一丛 图n门楼结构示意 图 为 36m m 由于析架荷载很大 总负荷约 5 千余吨 架为无缝钢管及焊接空心球 在地面 拼装后整体吊装到钢框架顶部 网架 平面投影尺寸为1 6 x 1 6m 高 度 为 6 7 5 m 图 12 为已在地面 拼装完 毕 的网架 为减轻屋面重量 网架屋面采用 压型钢板 随网架 曲 线布置 图 1 3 上浇轻 质钢筋混凝土 屋面 板 硫璃瓦采用干挂法 并用彩色钢板代 替底瓦 阳瓦用螺栓与钢筋混凝土屋 面固定 这些都改变了传统做法 因 而大大减轻了结构的重量 支承朽 架部分由 4 棍主析 架及 1 0 棍 次析 架组 成 主析 架净跨为 43 sm 矢 高 sm 两端固接在主体 钢骨混凝土筒体结构上 主析架采用 焊接 H型钢截面 钢板的最大 厚度 所以是一项特大型的大跨度 重载结构 五 大斤网架结构设计 由于建筑功能及造型的要求 大厅需设计成阶梯形 全部为透明玻璃采光屋顶 根据分 析比较 我们采用了无缝钢管焊接空心球网架结构 图 14 此网架的特点是平 剖面及支 承均不规则 平面呈工字形 剖面呈四个阶梯跌落 部分位于室内作为大厅的屋顶 部分外 伸至二层大厅入口平台作为入口处的雨棚 网架的网格划分也不规则 标准网格尺寸为6 x 6m 室内部分矢高为3 5m 室外部分为3m 最大 悬挑长度 为1 2 m 网架共设1 8个支承 点 其中室内部分1 2个 分别支承于座落在二种不同地基土上的东 西两部分主体结构上 4个设置于 室 内外交汇处的轴线柱上 2 个设置于室外冲天柱上 由于冲天柱的特殊构造 网架的支承点必需分为四个 为了减少网架的水平反力因此把四个支座联在一起成为一个支 座联合体 见本专辑中 车站大厅阶梯形不规则网架设计研究 一文中图6 室内 外交汇 处4个及冲天柱上 2个共6个支座是座落在地铁结构上 这样网架的全部支摩分别座落在三 种不同类型的地基上 另外 由于某些支承点的结构受水平力条件的限制 要求各支座设计有 不同的受力强度和构造要求 由于网架形式 支座等特点 造成了内力分析及构造上的复杂 性 我们在设计过程中进行了详细的研究分析 有关阶梯形不规则网架的设计和研究的详细 情况 请见本专辑另文介绍 图1 4阶梯形网架示意图 四 人行钢桥结构设计 北站房东 西两侧方体向北各伸展出一座人行钢桥 钢桥跨度为5 7 5m 全长 6 3 2 5 m 共分三层 桥架矢高