广州新客站主站房屋盖平面结构体系研究

广州新客站主站房屋盖平面结构体系研究

1车室钢结构楼盖选型广州新酒店有三层，一层是车站大楼，一层是12米高的楼层。两层是车站大楼，高度9米。第三层是为车辆前方装饰的房间，高度约为27米，柱顶高度为23.6.36米。站房钢结构屋盖体形由多个筒形和波浪形体块相互切割而成,采用分片叠合的造型,寓意南国的芭蕉叶,上面分布45°的斜纹,象征叶子的脉络。屋盖投影面积10.4万m2,屋顶最高点50.0m。结构平面图和主要设计参数详见文。2结构体系2.1中间四片柱面半径主站房屋盖外形如图1所示,平面东西长468.8m,南北宽222.0m,筒形屋盖沿南北方向共有6片,每片均为上凸的柱面,长222.0m,中间四片柱面半径为72.300m,东西两侧的两片柱面半径分别为78.385和101.605m。在屋盖正中,贯通东西方向有一道中央采光带,呈半径渐变的柱面造型,采光带总长347.600m,中部半径最小处19.110m,两端半径最大处75.680m,与6片南北向的柱状叶片相贯。在东西主入口处,采光带柱面向上翘起,与水平面成6.5°夹角。2.2顶应力拉索设置在方案设计阶段,比较了多种屋盖方案,最后选定了以索拱和索壳为主的结构体系。在短跨方向采用倒三角形钢桁架作为主梁,长跨方向采用索拱或张弦梁支承屋面体系,中央采光带采用拉索加劲的单层筒壳体系。主站房屋盖结构的分层及柱分布示意分别见图2,3。主站房屋面结构的荷载传递途径为:屋面覆盖材料→檩条→索拱及采光带网壳→主支承桁架→柱→桥墩或地面。柱构件钢材材质一般为Q390GJC,桁架、索拱弦杆、网壳等构件材质为Q345B,预应力拉索采用高强度低松弛冷拔镀锌钢丝缆索,外包双层PE保护层,强度标准值为1670MPa,铸钢件材质为G20Mn5QT(调质处理),索拱销轴材质为40Cr(调质处理),钢拉杆材质为GLG550级(屈服强度550MPa)。支承屋盖的柱网间距一般为32m×68m,中间跨柱为D2600×60～D2000×60变截面钢管柱,端跨柱为长圆形2800×1800×80～2000×1800×80钢管混凝土柱(截面见图4),中央采光带两侧支承柱为长圆形截面的变截面分叉柱,分支截面从根部的长圆形2000×900×50×50到顶部的圆形900×900×50×50(截面见图5)。柱顶支承的钢桁架弦杆截面为D650×25和D850×30等规格,腹杆一般为D325×12。索拱是构成屋面形状的主要因素,跨度为36～90m,间距16m,支承在倒三角形空间桁架上。综合建筑效果和结构受力要求,采用了一种新型的索拱体系,拉索与拱身同向弯曲,索拱的上弦拱矢跨比为1/8,下弦拉索矢跨比为1/20。这种索拱具有造型美观、稳定和抗风性能好等特点,跨度66m,用于中间四跨屋盖,索拱弦杆为两根并排的圆钢管D650×20,撑杆为D245×10,拉索为两道ϕ5×187,典型索拱如图6所示。东、西两边跨索拱的跨度从36到90m不等,由于跨度较大,且端部柱抗水平力条件较差,故采用了拉索与拱身反向的张弦梁结构,索拱弦杆为两根并排的圆钢管D750×25,撑杆为D325×12,拉索为两道ϕ5×223。索拱弦杆与支承桁架间、弦杆与撑杆间均采用销轴连接,撑杆与预应力拉索间采用索夹连接,索夹节点见图15。中央采光带的结构形式为拉索加劲的单层筒壳结构,筒壳长347.6m,跨度由中部的34.0m渐变为端部的58.4m,壳体边界支承在封边三角形桁架和柱顶上,柱顶的支座刚度相对较大,桁架处的支座刚度相对较小。网格形状为菱形,每个网格的边长约为3～4m,壳体构件为矩形钢管,沿壳面扭曲走向布置,钢管截面的弱轴方向均指向其所在的与采光带径向垂直的切面的圆心。根据受力大小,构件截面有600×250×50×50,600×250×16×20等规格,支座周边区域壳体构件应力较大,采用较厚的壁厚,材质采用Q390GJC,其它区域壳体构件材质为Q345B。网格内设置十字交叉钢拉杆以加强面内刚度,钢拉杆截面有ϕ30,ϕ50,ϕ70,ϕ100四种类型。为平衡单层筒壳的推力,改善壳体刚度,沿筒壳纵向间隔22.67m设置一道预应力拉索,根据刚度和强度需要,拉索截面有ϕ5×61,ϕ5×253,ϕ5×337三种,支座刚度大的部位,拉索截面较大。支座拉索通过撑杆与筒壳组合成空间杂交体系,下弦拉索为三折线形状。由于三段拉索之间内力差较大,索夹节点的夹紧力不足以限制拉索的滑动,因此拉索在折点处断开,直接与撑杆铰接连接,施工时各段拉索分别张拉。中央采光带结构布置如图7所示。东、西主入口大厅的结构形式复杂,由向上倾斜的悬挑单层网壳檐口、主站房边跨索拱柱面和中央采光带相贯而成,竖向支承条件少,利用与悬挑檐口边梁相交的幕墙柱和角点的4根柱共同提供支承。悬挑拱形网壳檐口平面形状为透镜体,东西向悬挑长度约40m,南北向跨度96m,拱的高跨比为1/10,拱脚处水平设置四道ϕ5×337预应力拉索,以平衡拱形网壳支座处的巨大水平推力。菱形网格的边长为4～5m,壳体构件为矩形钢管,构件截面有750×300×20×30,750×300×30×30等规格。网格内设置十字交叉钢拉杆以加强面内刚度,钢拉杆截面有ϕ70和ϕ100两种。为了满足建筑效果要求,根据入口区域壳体相贯的特点,在交汇区域采用了三向张弦梁体系,张弦梁弦杆既是中央采光带壳体的边界,也是支承屋面的索拱体系的一部分,实现了相贯体的自然衔接和通透的建筑效果。三向张弦梁跨度89.2m,上弦截面D850×25,撑杆截面D325×12,下弦拉索ϕ5×337,三个上弦分支均支承在柱顶。悬挑檐口壳体和三向张弦梁组成了入口处的主要受力结构,支撑在6根柱子上(见图8)。主站房屋盖空间关系复杂,结构体系多样,融合了桁架、单层网壳、索拱、张弦梁等多种结构形式,为了改善屋盖结构的整体性,在屋面檩条面内布置了较强的交叉支撑,使屋面各区域有效地整合起来,具有较好的整体稳定性能和抗侧力性能。3屋顶与钢结构的设计为了比较全面、准确地分析下部结构和屋顶结构的相互影响,特别是地震作用下整体结构的性能,建立了考虑下部混凝土结构的整体分析模型。分析模型主要包括三部分:1)第一部分为屋顶钢结构,其桁架弦杆、索拱弦杆、网壳构件采用梁单元,桁架腹杆、索拱撑杆、钢拉杆采用杆单元,拉索采用索单元计算;2)第二部分为下部结构,其高架层的钢结构桁架采用杆单元、梁单元模拟,混凝土楼盖采用板单元模拟,桥梁层的轨道梁、桥墩采用梁单元模拟;3)第三部分为各种连接单元,包括幕墙柱与屋顶的竖向滑动单元、柱底弹性支座等。采用MIDAS/GEN和ANSYS两个软件对整体结构进行计算,另对受力和构造复杂的节点和铸钢节点进行了局部有限元分析。4地板结构设计的重点4.1结构体系设计总体控制标准为:屋顶结构设计基准期为50年,设计使用年限(耐久性)为100年;结构安全等级为一级,结构重要性系数γ0=1.10;建筑抗震设防等级为乙类。结构刚度控制标准为:屋顶内部结构挠度控制≤l/400(l为跨度),周边悬挑檩条结构≤l/125,主入口单层悬挑索壳结构≤l/250。柱侧移控制标准:地震作用下h/300,风荷载作用下h/400(h为柱高)。构件强度控制标准为:非抗震组合和多遇地震下构件强度、稳定应力比≤0.85。拉索控制标准:非抗震设计和多遇地震作用下钢索内力与破断力之比≤0.3。钢拉杆控制标准:非抗震设计和多遇地震作用下钢拉杆内力与破断力之比≤0.5。主站房屋盖钢结构的主要设计荷载与作用取值如下。屋面恒载:中央采光带网壳区域(ETFE膜材)为0.10kN/m2,索拱屋面(岩棉夹芯屋面板)为0.50kN/m2,两侧悬挑屋面(透空百页)为0.30kN/m2。屋面活荷载包括上人荷载、马道、机电、吊挂荷载等。其中非上人屋面活载为0.50kN/m2,吊挂活载(马道、灯具等)为0.50kN/m2。风荷载:基本风压按100年一遇取值(番禺地区),为0.70kN/m2。按照文结果,取每15°一个风向角作为一荷载工况。两侧悬挑屋顶百页透空率>50%,根据数值风洞分析结果,此处的风荷载折减50%。温度作用:广州地区最高气温38.7℃,最低气温-2.6℃,假定屋顶合拢温度为10～30℃之间,并考虑到阳光暴晒的影响,主站房中央采光带网壳区域取升温40℃,降温-30℃;主站房其它区域取升温30℃,降温-30℃。地震作用:以规范GB50011—2001为标准,抗震设防烈度为7度,基本设计加速度0.1g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,Tg=0.35s。同时参考场地地震安全性评估报告,具体参数列于表1。4.2中央钢索、索拱结构的设计及施工质量控制屋盖结构设计中,预应力的确定是关键问题。确定预应力值时考虑了以下原则:1)在任何荷载下,钢索不退出工作(索应力>50MPa);2)在各种荷载工况下,钢索最大应力控制在1/3破断应力以下,在中震下,钢索拉力设计值小于0.5倍的钢索破断荷载;3)满足结构位移要求;4)调整结构构件的应力水平满足设计标准;5)保证施工过程中,钢索能够张紧;6)使索拱、索壳结构在日常使用荷载下对支座的推力最小。根据以上原则,进行了拉索的截面优化设计和张拉内力选定。根据跨度不同,索拱结构最大预应力张拉控制值1825kN,最小预应力张拉控制值840kN。中央采光带索壳的拉索直径和预应力值均根据壳体几何形状、支座刚度进行调整,使截面利用率和对支座的作用达到最优的效果。壳体边界支承在三角形桁架和分叉柱柱顶,柱顶的支座刚度大,故此区域索壳在整体承载中发挥的作用较大,下弦拉索的内力也相应较大。拉索截面和初始张拉内力分布如图9所示。4.3张拉伸长值与竖向位移在使用工况荷载组合下,构件应力比均控制在0.85以下,满足规范要求。索拱结构弦杆受力以轴力为主,在恒载作用下柱顶位移较小,表明预应力张拉控制合理,体现出较好的受力状态。竖向变形值见表2。风荷载作用下,柱顶平均位移11.57mm,平均层间侧移h/1124。根据站房结构整体计算的结果,屋盖结构的刚度远小于下部桥梁结构的刚度,前若干阶振型均以屋盖结构振动为主。结构主要周期列于表3,对应的振型见图10。4.4屋顶结构在异常期常遇地震作用下的地震响应采用小震和中震反应谱进行抗震设计,保证结构的小震弹性和主要构件中震不屈服,然后进行了多点输入地震反应分析和弹塑性时程分析,分别研究了地震行波效应对超长屋盖结构的影响,以及结构在大震作用下的非线性性能。根据地震安评报告,场地的地震影响系数可统一表示为:α(T)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪αmax(0.435+5.65T)αmaxαmax(Tg/T)γαmax[0.2γ−0.02(T−5Tg)](0<T≤0.10s)(0.10s≤T≤Tg)(Tg≤T≤5Tg)(5Tg≤T≤6.0s)(1)α(Τ)={αmax(0.435+5.65Τ)(0<Τ≤0.10s)αmax(0.10s≤Τ≤Τg)αmax(Τg/Τ)γ(Τg≤Τ≤5Τg)αmax[0.2γ-0.02(Τ-5Τg)](5Τg≤Τ≤6.0s)(1)其中的地震参数见表4。屋顶结构在常遇地震下的位移分析结果如表5所示。屋顶结构的水平地震剪力分别为136225kN(X向)和124023kN(Y向),等效重力荷载为2850533kN,水平地震剪力与等效重力荷载的比值(剪重比)分别为0.048和0.044。多维多点输入考虑了0°,45°和90°三种地震波传播方向,对于每种地震波传播方向,考虑两种地震动输入方向,即顺传播方向和横传播方向。多点激励对屋盖结构内力的影响较大,站房结构行波效应影响系数较大的构件主要位于中央采光带网壳。弹塑性时程分析选用由中国建筑科学研究院提供的两组天然波和一组人工波,每组地震波包括主水平方向、次水平方向及竖向三条加速度时程曲线。计算时地震波三向同时输入,其中主水平方向、次水平方向和竖向的峰值加速度按1∶0.85∶0.65的比例进行调整。输入地面加速度曲线的持续时间统一取为20s,主水平方向的加速度曲线峰值调整为220gal。分析结果表明,广州新客站主站房结构在罕遇地震作用下,具有良好的抗震性能,水平位移角均满足规范的限值,可以实现大震不倒的性能目标;屋盖钢结构大部分构件在罕遇地震作用下仍保持弹性,局部构件屈服,但塑性程度较低。屈服构件多位于不同结构体系的连接部位或几何突变位置。4.5不均匀升温分析为满足建筑效果要求,同时考虑到屋盖形状为连续拱形,利于释放温度变形,故屋盖没有设永久温度缝。对于如此庞大的超静定结构,多余约束将在结构内部产生复杂的温度次应力,温度作用是结构设计的控制荷载之一。对屋盖结构的抗侧力构件,即屋顶柱进行了综合比较计算,既保证其变形和承载能力,又不能使其刚度太大,以便于释放温度应力和变形。在包含温度作用的标准组合工况下(1.0恒载+0.7活载+1.0升温40℃),屋盖结构最大水平位移为111.3mm,柱顶最大水平位移53.5mm(h/206),屋盖结构和幕墙体系均可以承受此变形要求。由于屋盖尺度很大,在日照作用下会呈现不均匀温度分布,因此,进行了屋盖结构的不均匀温度分析计算。首先应用生态建筑设计软件Ecotect确定了不均匀温度场的分布,然后代入结构计算程序进行计算,并与整体均匀升温对结构影响进行了比较。整体升温工况:采光带部分升温40℃,其余部分升温30℃。不均匀升温工况则根据Ecotect软件分析结果,取酷暑天9时、酷暑天13时、晴天8时、晴天9时、晴天13时这五个具有代表性的时刻温度,选择21℃作为合拢温度,对应建立五个考虑不均匀升温的荷载工况H1～H5。以H2为例,温度不均匀升温的分布如图11所示。分别计算了恒载+活载+温度,恒载+活载+风载+温度几种工况组合。计算结果表明,有35.9%的杆件是由不均匀升温控制的。因此,整体均匀升温不能完全反映结构实际经历的最不利温度工况,在设计与分析的时候应该考虑不均匀升温的影响。4.6下弦拉索受力分析如前所述,入口区域由各空间曲面汇交形成复杂的相贯面,利用此相贯的体型,在汇交区采用了三向张弦梁体系,在入口挑檐区采用了单层索壳体系,如图8所示,实现了建筑效果和结构体系的完美结合。三向张弦梁最大跨度78.5m,三肢长度分别为58.1,58.1,22.9m,矢高8.86m。三向张弦梁的特殊位置,决定了其承载作用非常重要,其受力性能对周边结构也有很大影响。通过合理调整拉索线型、弦杆截面、拉索截面和预应力值,使其在整体结构中发挥最优作用。下弦拉索截面ϕ5×337,拉索张拉力均取2375kN。分析结果表明,三向张弦梁的最大竖向位移154.5mm(l/508),轴力分布均匀,体现出较好的受力性能。入口单层索壳下弦拉索基本水平布设,主要作用是改善单层壳体的稳定性能和调节壳体支座处的水平推力。经比较计算,确定了下弦四道ϕ5×337预应力拉索每根内力3500kN,在恒载作用下,壳体支座处不平衡力仅为690kN,支座柱顶水平位移5mm,使得入口壳体在日常使用工况下处于一个低应力工作状态。在恒载+活载作用下,主入口索壳竖向位移为-293.1mm(l/328),小于l/250;在0.9恒载+风荷载下,主入口索壳竖向位移为22.9mm(l/4192),满足要求。4.7重要节点设计相应于复杂的结构体系,主站房屋盖钢结构的节点也有很多类型,典型节点可以归并为以下几类。(1)节点区焊接连接针对站房不同类型的柱,柱顶节点也有板式焊接节点、铸钢节点等,通过有限元分析计算,确定节点的强度和应力状态,节点区焊接连接均采用全熔透等强焊缝。典型节点形式如图12,13所示。(2)采用3gjc、3g45b的计算为了结构受力和美观的需要,屋盖的索拱拱脚支座、索拱撑杆与拱身、幕墙柱脚等均采用叉耳式销轴节点。销轴材质均采用硬度高、耐磨性能好的40Cr,耳板根据计算采用Q390GJC或者Q345B。由于国内建筑规范没有针对销轴节点的条款,故参考了《军用桥梁设计准则》(GJB1162—91)和德国规范DIN—18800,主要验算销轴节点处的抗拉、抗剪、局部承压、封头端板承压等内容,根据计算结果,销轴节点尺寸的控制因素一般为耳板局部承压和耳板抗剪,同时应满足一定的构造要求。为改善节点受力性能,减小母板厚度,采用局部加强垫板,垫板和母板焊接,垫板和母板与销轴的连接处进行机械处理,以保证其共同受力。(3)屋面构件条、支撑、索拱结构条及索拱结构条的作用由于建筑构造要求,主站房屋盖的檩条置于索拱拱身之上,连续布置,因此檩托具有双重作用,一方面支承檩条,另一方面也成为屋面构件(檩条、支撑)和索拱结构的联系,对保证索拱结构的平面外稳定性能和屋盖结构的整体性有着重要作用。因此,檩托节点按照与檩条抗弯和轴向等强的原则进行设计,保证屋面传力的连贯(见图14)。(4)拉索与索夹的连接屋顶结构中采用的索拱体系,在受力状态下,索夹两侧拉索的不平衡力很大,因此对索夹要求很高,既要满足连接和施工方便的要求,又要保证能够将索夹紧,且受力性能满足要求。由于形式复杂,故采用铸钢节点。为实现索夹的功能,先后比较了多种设计方案,综合考虑受力性能、施工可操作性、节点加工精度等因素,最后选定了如图15所示的索夹方案,板件厚度和细部倒角尺寸均通过有限元分析确定。张拉过程中,拉索被限定在凹形的索夹里面,因此在夹板螺栓未拧紧时,也可保证不会滑出,从而使拉索与索夹在张拉过程中可以自由滑动。夹板和索夹与拉索的接触面进行防滑处理,增大摩擦系数,通过计算确定夹紧