青岛北站复杂空间结构设计关键技术.pdf
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1、青岛北站青岛北站复杂空间结构复杂空间结构设计关键技术设计关键技术青岛北站青岛北站复杂空间结构复杂空间结构设计关键技术设计关键技术北京市建筑设计研究院有限公司张相勇1.青岛北站概况青岛北站概况青岛北站位于山东省青岛市李沧区沧海路,车站总建筑面积约15万m2,邻近海边。整体造型富有动感又伸展飘逸,挺拔而富有张力,似一只海鸥振翅高飞,象征着青岛市经济文化的蓬勃发展;建筑的灵感来自于青岛海滨印象,给人以无限的遐想;同时采用新颖独特的立体交拱作为建筑结构体系支撑起曲线优美的种城市户的特的立体交叉拱作为建筑主要结构体系,支撑起曲线优美的屋顶,形成了一种城市门户的形象,象征着青岛以博大的胸怀迎接来自五湖四海
2、的宾客。建成后的青岛北站将成为山东省目前唯一的特大型铁路客站和综合性交通枢纽。青岛北站结构体系复杂地上两层(西边局部有第三层观景平台)地下两层(局部青岛北站结构体系复杂,地上两层(西边局部有第三层观景平台),地下两层(局部三层),地下通道结构与地铁结构接驳,实现无缝衔接与换乘。地上主体结构由主站房(屋盖、高架候车层、东西广厅)和两侧对称的站台无柱雨棚组成。主站房屋盖东西长约350m,南北宽约168213m,为复杂的空间钢结构体系,拱形受力体系跨度为101.2148.7m不等,最大悬挑约30m,每榀拱形受力体系通过几何单元的变化来模拟飞鸟展翅的姿态,拱形体系支座之间设预应力拉索,以平衡水平力。屋
3、盖结构直接落地,其支承斜拱在9.000m标高处穿过高架候车层楼板,且与下部高架候车层结构为互相独立的结构单元。主站房高架候车层平面尺寸约为120m205m为Y形柱和实腹工字形梁组成的钢框架体系站台无柱架候车层平面尺寸约为120m205m,为Y形柱和实腹工字形梁组成的钢框架体系。站台无柱雨棚采用平面管桁架拉索结构,最大跨度38.5m。整个火车站平面布局及效果图如下,工程照片如下。(a)青岛北站平面布置图(b)青岛北站效果图青岛北站平面布置及效果图青岛北站工程照片青岛北站工程照片本文主要介绍地上结构的设计。结构设计中疑难问题创新点汇总结构设计中疑难问题创新点汇总2.2.结构设计中疑难问题结构设计中
4、疑难问题及及创新点汇总创新点汇总青岛北站属于多种结构体系巧妙组合而成的混合体,含预应力立体拱架结构、拉索结构和桁架结构及部分混凝土结构而且主构件截面多为异形截面加之单体长度与跨结构和桁架结构及部分混凝土结构,而且主构件截面多为异形截面,加之单体长度与跨度超限,结构设计难点颇多。通过预应力立体拱架的应用,紧密结合建筑造型,在满足建筑外观要求的基础上,良好地达到了屋盖结构的安全可靠使用要求,实现了独特建筑造型与新颖结构体系的统一。大量运用复杂节点和异形截面构件,通过大尺度缩尺模型试验及节点与异形截面试验的验证,同时进行相应的电算模拟,圆满完成了对其工作性能的验证,同时为其他相似工程问题提供了经验似
5、工程问题提供了经验。通过耐火试验,验证高矾索在初始预应力作用下,喷涂防火涂料后,拉伸变形0.3%,在500高温下能否达到1.5h的耐火极限。结果表明拉索受力性能满足要求。此类拉索耐火试验在国内尚属首次。类拉索耐火试验在国内尚属首次运用TMD阻尼器,有效避免了高架候车层与观景平台大跨度楼面与人群行走频率的共振,同时显著减小了楼面加速度,保证了良好的舒适度要求。防屈曲支撑在西广厅的应用,在不增大原有框架柱截面的基础上,不仅控制住了结构在地震作用下的层间位移角与振动响应,从而有效地保护结构在强震下的安全,而且安装方便,施工周期短。预应力幕墙钢结构在满足建筑外观和结构安全可靠的基础上,良好地实现了其功
6、能作用功能作用。3.结构设计条件及参数取值3.结构设计条件及参数取值结构设计基准期50年,建筑结构的安全等级为一级。抗震设防烈度为6度设计基本地震加速度值为0 05抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g;设计地震分组第二组;场地类别为类;根据超限审查专家和山东省地震重点监视防御区管理办法相关规定,在进行地震作用计算时将设防烈度由6度提高到7度(0.1g)。在进行震作用计算时将设防烈度由 度提高到 度g4 4屋盖体系屋盖体系4 4.屋盖体系屋盖体系4.1 概况4.1 概况主站房屋盖东西长约350m,南北宽约168213m,为10榀平行于轨道的立体拱架。两立体拱架间距离为22,33,
7、44m不等,屋盖横梁与主拱通过5m(高)3.8m(宽)纵向屋脊大梁连成整体结构。每榀立体拱架由1榀拱、4根横梁、6对V形撑、16根交叉索以及横梁间的纵向主檩条组成。2根横梁的间距一般为22m,拱跨度为101.2148.7m,为了减少基础与地基的水平推力负担拱脚利用埋设在地面下方的拉索连接在一起立体拱架的立面及三维图如下所示负担,拱脚利用埋设在地面下方的拉索连接在一起。立体拱架的立面及三维图如下所示。(a)立体拱架立面图(b)立体拱架三维图交叉索分为承重索和抗风索:在重力荷载作用下,承重索索力加大;屋面风吸力交叉索分为承重索和抗风索:在重力荷载作用下,承重索索力加大;屋面风吸力作用下,抗风索索力
8、加大。4.2.结构体系与成形4.2.结构体系与成形主站房屋盖造形为一双方向变化的自由曲面,平面投影东西长352m,南北宽213.8m,中部宽度缩小,高度变大。屋盖支撑体系主要由10榀顺轨向的立体拱架组成。主站房屋盖结构三维轴侧图复杂的屋盖结构体系由简单规则的平面几何单元旋转变换得到。标准几何单元是一个几何不变的三角形结构,形状似飞鸟的翅膀,通过旋转调整标准单元与竖向平面的夹角,来模拟飞鸟翅膀的运动。标准几何单元及成形过程示意结合铁路轨道的布置取AK轴10个轴线作为结构斜拱下落的位置,其东西向间距分别结铁路轨布轴个轴线作为结构斜下落位其东向分别为:44,44,33,22,22,22,33,44,
9、44m。对应每个轴线分别旋转标准单元角为:72,66,59,55,52,51,51,53,59,66,并调整标准单元B点的标高为10.640m,即形成中部高、两端低的空间曲面。10.640m标高是候车层人员经常活动的位置,以此标高来对齐标准几何单元将会形成最佳的建筑视觉效果。每个轴线位置处对应一榀立体拱架,立体拱架主拱的几何定位由相应轴线处标准几何单元的“OABC”段确定,立体拱架两个横梁的几何定位由相应轴线处标应轴线处标准几何单元的OABC段确定,立体拱架两个横梁的几何定位由相应轴线处标准几何单元的“ODEF”段再旋转12确定,横梁的水平投影间距均为22m。各榀立体拱架在中部由高5m、宽3.
10、6m的三角形屋脊纵梁串联在一起,中间四榀立体拱架(DG轴)两两共用一个横梁,结合V形撑形成稳定的三角形纵向抗侧力体系,如下图所示。立体拱架构成示意主站房屋盖结构南立面示意本工程主要结构构件均外露,截面形式选用了异形组合截面,以表现特殊的建筑效果。主拱截面由类椭圆形下弦、竖向腹板和圆形上弦组成;横梁由类半椭圆形下弦、竖向腹板和矩形上弦组成;屋脊纵梁由两个倒三角形上弦、一个倒三角形下弦和中间开洞钢板组成。V形撑杆为轴心受力构件采用预应力压杆由中心圆钢管和环向均匀布置的三根预应力拉索组撑杆为轴心受力构件,采用预应力压杆,由中心圆钢管和环向均匀布置的三根预应力拉索组成,利用预应力手段在压杆中间增加弹性
11、支承以提高压杆的稳定临界承载力,减小中心杆件截面尺寸。立体拱架主要构件截面示意V形撑示意结构分析模型结构分析模型4.3.4.3.结构分析模型结构分析模型结构分析模型必须能够表现真实结构的关键特性,具有足够的精度并考虑实际的计算代价。价。本文主要为了得到屋盖结构的整体静力、动力性能,同时综合考虑到异形截面构件承载力计算的精度问题,对分析模型做了以下处理:拱架主拱、拱架横梁和屋脊纵梁异形截面构件采用分离式模型,上、下弦杆分别使用梁单元模拟梁单元轴线分别位于上下弦的形心位置中间腹板采用壳单元模拟元模拟,梁单元轴线分别位于上、下弦的形心位置,中间腹板采用壳单元模拟;V形撑采用桁架单元,仅考虑中心圆管,
12、构件承载力验算时考虑预应力索对稳定性的提高作用;V形撑、交叉索与拱架主拱下弦的偏心以刚臂形式考虑;形撑、交叉索与拱架主拱下弦的偏心以刚臂形式考虑;主桁架檩条上弦、下弦、腹杆分别采用梁单元;整体计算混凝土拱脚采用梁单元,细部分析时拱脚钢骨采用壳单元并参与整体模型计算;分析软件主要采用MIDAS/Gen和SAP2000,稳定性分析、节点分析和动力弹塑性分析采用了ANSYS和ABAQUS和ABAQUS。4 44 4 屋盖钢结构设计屋盖钢结构设计4 4.4 4.屋盖钢结构设计屋盖钢结构设计4.4.1.结构设计标准4.4.1.结构设计标准4.4.2.荷载与作用4.4.2.荷载与作用考虑到本工程构件截面特
13、殊性,分析模型中未能完全体现节点和构造加劲肋的重量,对结构自重进行了1.2倍的放大。屋面恒载取0.8kN/m2,包括二次檩条和屋面吊挂。屋面活荷载按不上人屋面取0.5kN/m2,并考虑了活荷载半跨不均匀布置。基本雪压取屋面活荷载按不上人屋面取0.5kN/m,并考虑了活荷载半跨不均匀布置。基本雪压取0.25kN/m2(100年一遇),雪荷载与活荷载取较大值参与组合。风荷载:基本风压按100年一遇取0.7kN/m2;风振系数取1.7;地面粗糙度类别A类,风压高度变化系数幕墙范围以内取2.0,幕墙范围内外取1.9;体型系数按风洞试验报告选取。温度作用青岛市50年重现期的月平均最高气温为33月平均最低
14、气温为 9考虑温度作用:青岛市50年重现期的月平均最高气温为33,月平均最低气温为-9,考虑到大型钢结构对气温变化比较敏感,正常使用状态下主站房取升温25、降温40。另外,考虑到施工期间可能的太阳辐射影响,整体升温放大至45。结构初始合拢温度建议控制在1520之间。15 20之间。地震作用:青岛地区抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g;设计地震分组第三组;场地类别为类。根据超限审查专家的意见和山东省地震重点监视防御区管理办法相关规定,在进行地震作用计算时将设防烈度由6度提高到7度(0.1g),结构阻尼比取0 02取0.02。4.4.3.4.4.3.主要静力主要静力、动力性能动力
15、性能4.4.3.4.4.3.主要静力主要静力、动力性能动力性能下表列出了主要构件一些关键节点在标准组合下的最大变形值,可以看出均满足本文预设的刚度控制指标。其中,拱顶挠跨比按主拱水平投影跨度计算;拱1/4跨中的挠跨比按半跨水平投影长度计算;横梁和屋面主檩条的位移均为观察位移点相对于构件支座的相对变形,水平投影长度计算;横梁和屋面主檩条的位移均为观察位移点相对于构件支座的相对变形,挠跨比按支座间距计算;悬挑端挠跨比按悬挑长度计算。由里兹向量法求得主站房结构的前4阶振型下图所示其中第1振型以东西向平动为主周期由里兹向量法求得主站房结构的前4阶振型下图所示。其中第1振型以东西向平动为主,周期为1.4
16、87s;第2振型开始表现为扭转,其周期为0.926s;第3,4振型为南北横向振动,但从振动模态上看立体拱架拱顶的振动幅度较小,以屋面主檩条的上下振动为主。主站房主要振型图主站房主要振型图4.4.4.预应力设计4.4.4.预应力设计立体拱架中交叉索根据其受力特性的不同,分为承重索和抗风索。承重索在向下的竖向荷载作用下索内力增大;抗风索在向上的风荷载作用下索内力增大。分析发现:施加承重索的预应力可以减小拱架主拱位移和平面内弯矩;而施加抗风索的预应力会增大拱架主拱的平面内弯矩。因此,对于抗风索不宜施加过大的预应力。设计时,选取恒载+预应力标准组合的索拉力为各索的目标索力;并选择荷载效应基本组合的包络
17、值进行索截面和直径的选取依据行索截面和直径的选取依据。目标索力的确定原则为:1)使拱架主拱主平面内弯矩尽量均匀、无突变;2)无地震参与组合作用下索不退出工作(索内拉应力不小于50MPa)。优化后各索的目标索力下图所示。钢索截面的有效面积最小为4259mm2,最大为11788mm2,钢丝材料均为1670级。外考虑到本交索在使过中的耐火求较高拉索采锌铝合金高钒镀另外,考虑到本工程交叉索在使用过程中的耐火要求较高,拉索采用了锌铝合金高钒镀层系统(Galfan System),并应具有50年的耐久性。交叉索目标索力分布图4 4 54 4 5 抗震性能化设计抗震性能化设计4 4.4 4.5 5.抗震性能
18、化设计抗震性能化设计根据地震安评报告和超限审查专家的意见,本工程选定抗震规范中对应于7度(0 1g)设防的多遇地震设防地震和罕遇地震作为地震作用并按7度的要求采取抗震(0.1g)设防的多遇地震、设防地震和罕遇地震作为地震作用,并按7度的要求采取抗震措施。安评谱与规范谱的对比下图。安评谱与规范谱对比安评谱与规范谱对比设定本工程的整体性能目标如下:1)小震作用下,结构完好、无损伤,一般不需修理即可继续使用;2)中震作用下,结构关键部位的构件完好、无损伤;其他部位的构件可以出现损坏,但经一般修理后可继续使用;3)大震作用下,结构的薄弱部位和重要构件不屈服。为实现上述性能目标针对不同构件制定了不同的性
19、能设计指标采用振型分解反应为实现上述性能目标,针对不同构件制定了不同的性能设计指标。采用振型分解反应谱法对结构进行小震和中震作用计算,同时选择三条地震波(两条天然波和一条人工波),用弹性时程分析方法对结构中震作用下的响应进行验证。采用动力弹塑性分析法对结构在大震作用下位移响应、塑性发展过程进行了研究,结果表明:主站房屋盖悬挑端位移反应相对较大;拱架主拱、横梁、V形撑和交叉索均满足“大震不屈服”的预定目标,满足“大震不倒”的要求。主站房屋盖构件性能设计指标4.4.6.屋盖稳定性设计4.4.6.屋盖稳定性设计分别选取三个标准组合进行了弹性屈曲分析,滤去腹板和屋面檩条的局部屈曲模态,可得到主体结构的
20、各阶屈曲模态。由于A轴立体拱架跨度和荷载较大,其主拱最先发生面外屈曲(立体拱架的空间作用使得主拱的面内刚度大于面外刚度),三个组合的最小屈曲特性值=4 6;主拱和横梁相比受有较大的轴向力,因而先发生屈曲,横梁以受弯为主且面外有主4.6;主拱和横梁相比受有较大的轴向力,因而先发生屈曲,横梁以受弯为主且面外有主檩条桁架提供支撑,最先发生面内屈曲。为了更精确了解屋盖钢结构的整体稳定性能还针对三个标准组合分别进行了考虑双重非线性的全过程分析。初始缺陷取每个组合对应的弹性屈曲第一阶模态,幅度按拱架跨度的钢材的塑性模型采线性随动化模型钢材比极应变为1/300;钢材的塑性模型采用双线性随动硬化模型,Q345
21、钢材强屈比取1.4,极限应变为0.025。计算结果表明:结构的安全系数K(极限承载力与荷载标准值之比)最小值为2.4,满足空间网格结构技术规程(JGJ 72010)的相关规定。薄壁截面的部稳定性也是个忽视的问本程存在个方面问薄壁异形截面的局部稳定性也是一个不可忽视的问题。本工程主要存在以下两个方面问题:1)立体拱架主拱、横梁和屋脊纵梁的上下弦截面应满足规范规定的宽厚比、径厚比要求;2)立体拱架主拱和横梁的上下弦连接腹板应满足规范规定的高厚比要求。一般情况下,局部稳定问题可通过增加壁厚或截面内设置纵肋解决,而立体拱架主拱与屋脊纵梁连接处腹板局部稳定问题可通过增加壁厚或截面内设置纵肋解决,而立体拱
22、架主拱与屋脊纵梁连接处腹板最高处为1.5m,立体拱架横梁与屋脊纵梁连接处腹板高处达3.5m,综合考虑建筑美观的要求且不过多增加用钢量的情况下,采取了在腹板两侧贴焊半圆性钢管加劲肋措施。腹板局部稳定问题的加劲措施4.4.7.异形截面承载力验算4.4.7.异形截面承载力验算本工程受力构件大部分为异形截面,现行的钢结构设计规范(GB 500172003)(简称钢规)未有与之完全适应的验算公式。在未进行系统研究和理论推导的情况下,可行的作法是在研究规范相应公式背景的基础上,偏安全地选取相关参数,套用规范公式进行近似验算。具体参数如下:强度验算公式按钢规式5.2.1,构件整体稳定验算公式按钢规式5.2.
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