肯尼亚内罗毕南火车站钢结构设计-水规院-曲军彪

1、内罗毕南火车站结构设计曲军彪1任振杰1(1.中交水运规划设计院有限公司，北京) 摘要：介绍了内罗毕南火车站结构设计方案，采用了多种计算软件对火车站结构进行计算分析，计算中考虑了恒载、活载、风载、温度作用、地震作用等，对结构进行了静力分析、反应谱分析、时程分析、动力弹塑性分析、楼板舒适度分析、阶段施工分析和关键节点有限元分析。计算分析结果表明：工程设计符合规范要求，结构安全可靠。关键词：内罗毕南火车站；温度作用；动力弹塑性；舒适度分析文章编号：xxxStructure Design of Nairobi South Railway Station Qu Junbiao1 Ren Zhenjie1

2、(1. CCCC Water Transportation Consultants Co. Ltd, Beijing , China)Abstract : The structure design scheme of Nairobi South Railway Station is introduced, and a variety of software are used to calculate and analysis the structure. In the calculation progress, dead load, live load, wind load and tempe

3、rature action, earthquake etc. have be considered. The static performance analysis, response spectrum analysis, time history analysis, dynamic elastic plastic analysis, floor comfort analysis, construction phase analysis and finite element analysis of key nodes are introduced. The analysis results s

4、how that the engineering design meets the requirements of the code, and the structure is safe and reliable. Keywords : Nairobi South Railway Station；temperature action； dynamic elastic plastic analysis; floor comfort analysis1 工程概况内罗毕南火车站位于肯尼亚首都内罗毕A109路西南侧，项目用地紧邻Old Mombasa路，南侧邻近国家公园；距老城区约11公里，距Jomo

5、 Kenyatta国际机场约3公里，距Syokimau火车站约1公里。站房总建筑面积约21400m2，其中火车站约14963m2，调度中心面积约5000m2，其他附属设施面积约1430m2，为蒙内铁路规模最大的火车站（图1）。图1 内罗毕南火车站总平面图Fig.1 General plan of Nairobi South Railway Station内罗毕南火车站为长方形建筑，长172.2m，宽41.2m，屋面最高20m，地下1层，地上3层。地下一层主要为员工餐厅及厨房，地上一层主要为售票厅、通信信号用房，地上二层主要为通信信号用房及办公室，地上三层为候车大厅（图2）。建成后的内罗毕南站将

6、成为区域地标性建筑，提升城市交通网络体系建设，联合Syokimau火车站、内罗毕国际机场，打造成路空无缝衔接一体化交通枢纽。作者简介：曲军彪，硕士研究生，高级工程师收稿日期：2016-01-20图2 内罗毕南火车站整体效果图Fig.2 Nairobi South Railway Station Overall Effect Chart2 内罗毕南火车站结构体系内罗毕南火车站的设计理念是“桥”“火车”“门户”，象征着友谊合作、经济增长、国际化城市。3层候车大厅层将两侧辅助功能用房层连接起来。3层候车大厅层高10m，两侧辅助功能用房层高10m。候车大厅下方为通透空间，纵向跨度81m，横向跨度40m

7、，形成了“桥”“火车”“门”的建筑空间造型，体系了内罗毕南火车站的设计理念。(1)上部结构体系根据内罗毕南火车站大跨空间结构的建筑造型特点，结构体系选择宜采用钢结构框架体系。两侧辅助用房轴网间距为8mx9m，采用500x500x30箱型截面钢柱，焊接H型钢梁,楼面为150mm厚现浇钢筋桁架楼承板，屋面板为钛锌板。候车大厅层81mx40m空间，由两侧10m高81m长大跨桁架及中间4根直径1300mm的钢骨混凝土柱支撑。跨度8、9m的梁均采用焊接H型钢梁，楼面为150mm厚现浇钢筋桁架楼承板。候车大厅层屋盖采用800mm高箱型截面钢梁，按井格布置，由树支形柱支撑，屋面板为钛锌板。对于候车大厅层楼面

8、36m、24m大跨梁采用何种截面形式综合考虑了建筑效果、工程造价、施工难度等方面的因素，进行了方案比选。方案比选见表1，最终选择采用实腹式钢梁。对于36m大跨梁，采用了2400x600x50mm箱型截面梁；对于24m大跨梁，采用了1800x600x40x40mm焊接H型钢梁。表1 36m大跨梁方案比选Table1 Scheme Comparison of 36m Large Span Beam序号比较项目实腹式钢梁钢桁架梁1截面尺寸箱形截面2400x600x50（高x宽x壁厚）上弦为箱形截面700X400X20，下弦为箱形截面400x400x20，腹钢为箱形截面300x300x16，截面总高度

9、为3200mm2结构特点上翼缘受压，下翼缘受拉，腹板受剪，截面刚度大，用钢量大（527t）上弦受压，下弦受拉，通过截面高度来增加刚度，用钢量小（409t）。3施工特点截面较大，壁厚较厚，焊接工作量大，需在国内工厂采用机械连续施焊。构件焊接好后，运作国外进行安装，因杆件较长，运输成本较高。截面小，壁厚薄，可在国外现场焊接，但焊接量大，现场施工周期长。4建筑效果候车大厅下净空7.34m，空间较大候车大厅下净空6.54m，空间较小(2)基础型式建筑场地位于东非大裂谷东侧的Kapiti火山岩高原区，地势平坦，地面高程1626-1637m。主要分布第四系全新世-中更新世黑棉土，下伏第四系玄武岩。玄武岩场

10、区内广布，岩芯以碎石状为主，强风化层，钻探最大揭示厚度7.8m（未穿透），层顶埋深06.7m（一般埋深12m，平均埋深1.2m，局部埋深大于3m）。强风化玄武岩地基承载力特征值达600KPa，地基条件较好。本工程地下室部分采用筏板基础，其他部分均采用柱下独立基础，钢柱脚均采用埋入式柱脚。3 结构计算分析内罗毕南站结构设计采用PMSAP和SAP2000两种软件进行计算分析，关键节点采用ABAQUS软件进行有限元分析。PMSAP是中国建筑科学研究院开发的用于复杂空间结构设计的大型软件。PMSAP自1998年正式推出以来，经受了大量实际工程的考验。PMSAP曾在鸟巢看台、国家体育馆等奥运工程中被选为

11、主要设计软件；在深圳平安大厦、上海中心等500米以上的标志性超高层建筑设计中被采用，均取得了满意的计算效果。SAP2000是由美国Computers and Structures Inc.(CSI)公司开发研制的通用结构分析与设计软件，是全球公认的结构分析计算程序。SAP2000分析计算功能十分强大，它几乎囊括所有结构工程领域的最新结构分析功能，从静力动力计算，到线性非线性分析，从P-效应到施工顺序加载，从结构阻尼器到基础隔振，都能运用自如。在设计能力方面，SAP2000是一个一体化的设计程序，钢框架设计、混凝土框架设计、壳体设计都是在同一软件中完成。ABAQUS是由美国SIMULIA公司开发

12、的一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。本工程结构设计考虑了恒载、活载、风荷载、地震作用、温度作用,对结构进行了静力分析、反应谱分析、时程分析、动力弹塑性分析、楼板舒适度分析、阶段施工分析和关键节点有限元分析。计算模型见图3。

13、图3 结构计算模型Fig.3 Structure Calculation Model3.1主要参数(1)设计参数设计使用年限：50年；安全等级：二级（通信用房为一级）；(2)温度作用取值根据当地气象资料，基本气温取9和35。结构合拢温度区间取1727。则结构最大升温为28（考虑10的辐射温度升高），最大降温为18。(3)地震作用取值根据岩土工程勘察报告，地震设防烈度为7度0.15g，地震分组第二组，场地类别类，特征周期0.4s。(4)风荷载取值根据当地气象资料，基本风压为0.3KPa。3.2主要计算结果规范1要求复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个合适的不同力学模型，并

14、对其计算结果进行分析比较。本工程结构计算均采用两种软件对比分析，确保结果安全。本工程采用PMSAP及SAP2000进行计算复核，主要计算结果指标对比如表2。表2 两种软件计算结果对比Table2 Comparison of Two Software Calculation Results序号计算指标PMSAPSAP20001周期（s）T1（y）0.7110.702T2（x）0.6180.690T3（t）0.5850.5852地震作用下层间位移角最大值X向（层号）1/833(2)1/878(2)Y向（层号）1/830(2)1/887(2)3风荷载作用下层间位移角最大值X向（层号）1/14144(

15、1)1/12141(2)Y向（层号）1/6968(3)1/10365(2)4最大扭转位移比X向（层号）1.13(1)1.05(2)Y向（层号）1.26(2)1.19(2)5刚重比X向20.2819.18Y向11.6910.546本层与上层侧向刚度70之比（最小值）X向2.162.13Y向2.682.777下层与上层受剪承载力比（最小值）X向1.131.05Y向1.131.058剪重比X向8.628.3Y向6.866.79轴压比（最大值）柱0.360.37从表2对比分析结果可知，两种计算软件的计算结果基本接近，计算结果满足规范要求。风荷载不起控制作用。地震作用下的变形为主要控制指标。图4为结构在

16、X和Y方向地震作用下的变形。图4a X向地震作用下的变形（单位：mm）Fig.4a Deformation Under X-Dir Earthquake Action图4b Y向地震作用下的变形（单位：mm）Fig.4b Deformation Under Y-Dir Earthquake Action3.3结构动力弹塑性计算分析（1）地震波的选取选择一条人工波：RH1TG040(人工波，特征周期0.4s)；选择两条天然波：TH1TG040(天然波，特征周期0.4s)、TH2TG040(天然波，特征周期0.4s)。（2）选用地震波合理性判断采用弹性时程分析得到的基底剪力与CQC方法对比筛选合适

17、的进行弹塑性动力时程分析的地震波。表3 两种软件计算结果对比Table3 Comparison of Two Software Calculation Results地震波名X向基底剪力（KN）Vx/VcxY向基底剪力（KN）Vy/VcyRH1TG040108720.8674130.85TH1TG040129651.0381360.93TH2TG040106000.8479450.91平均基底剪力114790.9178310.90CQC125868728注：Vx/Vcx时程分析的基底剪力与CQC分析的基底剪力的比值规范要求每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65，多

18、条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80.由上表可知，地震波选取合适。（3）计算分析结果罕遇地震作用下的变形验算结果见表4、表5。表4 结构X向最大层间及有害层间位移角Table4 Maximum and Harmful Storey Drift Angle in X-Dir 地震波名最大层间位移角（层号）最大有害层间位移角（层号）RH1TG0401/156（2）1/205（3）TH1TG0401/141（2）1/187（3）TH2TG0401/252（2）1/337（3）平均位移角1/1831/243表5结构Y向最大层间及有害层间位移角Table5 Max

19、imum and Harmful Storey Drift Angle in Y-Dir地震波名最大层间位移角（层号）最大有害层间位移角（层号）RH1TG0401/159（2）1/251（3）TH1TG0401/171（2）1/261（3）TH2TG0401/159（2）1/255（3）平均位移角1/1631/255由表4、表5可知，最大层间位移角均小于规范要求的1/50，满足规范要求。3.4温度作用分析内罗毕南火车站的设计理念是建筑与自然的和谐统一。为此，幕墙及楼面均设有很多与室外相通的孔洞。因此，建成后室内外温度将基本保持一致。根据气象资料，内罗毕年最高气温35，最低气温9，变化幅度较大。

20、站房长172m，中间不设温度缝，因此，有必要考虑温度作用对结构内力的影响。图5为升温作用下（28）的温度应力分布，图6为降温作用下（-18）的温度应力分布。从图5可以看出，在升温作用下，构件的温度应力主要为压应力；从图6可以看出，在降温作用下，构件的温度应力主要为拉应力。无论是压应力还是拉应力，均出现端部构件应力大中间构件应力小，而越往端部应力越大的特征。对于钢结构构件，抗拉和抗压强度相同，因此无论是拉压力还是压应力均对构件是不利的。由于考虑了10的辐射温度升温，升温作用是降温作用的1.56倍。因此，升温作用比降温作用更为不利。因此，结构施工时在合拢温度区间（1727）段应选择温度较高时合拢对

21、结构更为有利。图5 升温工况下构件温度应力分布 Fig.5 Temperature Stress Distribution Under the Heating Condition图6 降温工况下构件温度应力分布 Fig.6 Temperature Stress Distribution Under the Cooling Condition3.5楼板舒适度计算钢结构楼盖对竖向振动更为敏感。候车大厅为人员经常活动场地，对舒适度要求较高，因此，有必要进行舒适度分析。通过有限元软件计算分析，楼盖楼盖竖向自振频率不小于3Hz，竖向振动加速度峰值不超过0.15m/s2,计算结果满足规范2要求。3.6阶段

22、施工分析传统的分析方法都是以竣工后的整体结构作为分析对象，将结构荷载一次性施加在结构上进行计算，计算时经常得到与实际情况不符的结果。主要是应为1)忽略了内外柱等竖向构件位移差的影响2）顺序分层施工引起的分层加载的影响3。本工程应用SAP2000进行阶段施工分析，将阶段施工分析得到的内力与整体一次性分析得到了内力进行比较，结果表明，阶段施工分析不起控制作用。3.7节点有限元分析对于钢结构复杂节点，常规规范计算方法不能满足计算要求，需采用有限元方法计算复核，以下为两处典型节点的分析。(1)树形支撑节点本工程树形支撑节点是受力复杂部位，也是涉及安全的关键节点，主管为1300x50mm钢管，支管为50

23、0x30mm钢管，4根支管通过一个厚50mm，直径1300mm的半球面连接，球面下与支管对应位置设置了厚50mm的十字交叉加劲肋。根据杆件计算内力，采用ABAQUS进行了节点有限元分析，分析结果如下：图7 树形支撑节点应力分布 Fig.7 Stress Distribution of Tree Support Node从图7可以看出，在最不利外荷载作用下，局部最大应力为180MPa，小于设计强度295MPa，安全可靠。(2)36m大跨箱形梁与柱连接节点本工程36m大跨梁与1300x50mm钢管柱连接节点是受力最大的节点，也是涉及安全最关键的节点。该梁柱节点采用隔板贯通式连接方式，与梁上下翼缘对应位置均设置贯通隔板，与梁腹板对应位置设置了加劲肋。根据杆件计算内力，采用ABAQUS进行了节点有限分析，分析结果如下：图8 大跨梁与