京張高鐵清河站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　[摘要]京張高鐵清河站采用建橋合一結(jié)構(gòu)體系，有兩條國鐵正線通過。A區(qū)主站房為復(fù)雜高層組合結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)無縫超長，長度為660m;站廳層采用鋼框架結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)采用焊接H型鋼桁架結(jié)構(gòu)，屋面最大跨度84m，最大懸挑18m，由巨型A柱、Y柱、直柱混合支承。B，C區(qū)地鐵區(qū)間上方為地下車庫，存在托柱轉(zhuǎn)換。京張高鐵清河站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)較多，為此開展了多項(xiàng)研究：如建橋合一結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究，考慮土-結(jié)構(gòu)共同作用的地下結(jié)構(gòu)的抗震分析，A區(qū)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載取值研究，大跨屋蓋采用A柱、Y柱、直柱混合支承結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能研究，高鐵候車廳的樓面振動舒適度研究，重要節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)充分析，綠建設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過各項(xiàng)研究論證了結(jié)構(gòu)的安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。

　　本文源自建筑結(jié)構(gòu)《建筑結(jié)構(gòu)》雜志，于1971年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:11-2833/TU，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：鋼與組合結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、地基與基礎(chǔ)等。

　　[關(guān)鍵詞]京張高鐵清河站;建橋合一;抗連續(xù)倒塌;振動舒適度;結(jié)構(gòu)超長

　　0引言

　　新建高鐵清河站為京張高鐵最大的綜合交通樞紐站，也是北京清河地區(qū)最重要的交通樞紐之一，工程西側(cè)緊鄰既有地鐵13號線及G7高速，東側(cè)緊鄰金泰富地及MOMA大廈等高層建筑群，南側(cè)緊臨小營西路，北側(cè)上跨規(guī)劃的安寧莊公交及慢行通道。周邊既有建筑設(shè)施多，設(shè)計(jì)條件受限。清河站鳥瞰圖見圖1。

　　項(xiàng)目由國鐵站房及配套工程、地鐵工程及市政工程三部分組成。地鐵13號線、地鐵27號線(昌平線南延二期)及地鐵19號線支線結(jié)構(gòu)為本工程結(jié)構(gòu)不可分割的部分，與國鐵結(jié)構(gòu)共構(gòu)設(shè)置。城市通廊及安寧莊北路市政公交慢行通道與高鐵線路方向垂直，穿過本工程結(jié)構(gòu)地下一層，與國鐵結(jié)構(gòu)共構(gòu)設(shè)置。

　　本工程體量大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，涉及建筑、鐵路、地鐵、公路等行業(yè)要求，存在多個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，需要對結(jié)構(gòu)體系的抗震性能、鋼結(jié)構(gòu)站廳層的使用舒適度、復(fù)雜屋面的風(fēng)荷載取值、大跨屋面結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能、超長無縫結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力作用、重要節(jié)點(diǎn)的連接等方面進(jìn)行分析，通過各項(xiàng)研究分析，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全經(jīng)濟(jì)合理性。

　　1項(xiàng)目概述

　　本工程建筑面積14.6萬m2，地下二層，地上二層(局部三層)，采用建橋合一結(jié)構(gòu)體系。

　　地下二層為地鐵地鐵27號線與19號線站臺層及地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu);地下一層為地鐵換乘大廳、地鐵國鐵設(shè)備用房及地下車庫(戰(zhàn)時(shí)人防工程);地上一層為地鐵13號線站臺層及國鐵站臺層，13號線位于1站臺;國鐵為4臺8線，其中2線和7線為正線。地鐵與國鐵運(yùn)行方向在樞紐范圍基本平行設(shè)置。地上二層為國鐵候車廳及高架落客平臺，地上三層為國鐵商業(yè)區(qū)。

　　本工程結(jié)構(gòu)長660m、寬165m，各層建筑平面示意圖及建成后南立面見圖2。地下部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上采用鋼結(jié)構(gòu)。以○1，○8軸為界在地下一層頂板及以上設(shè)兩道150mm防震縫。結(jié)構(gòu)分為三個(gè)單元：A區(qū)主站房、B區(qū)站房南側(cè)、C區(qū)站房北側(cè)，結(jié)構(gòu)單元劃分圖見圖3。地下一、二層有220~660m超長無縫結(jié)構(gòu)。

　　A區(qū)主站房為復(fù)雜高層組合結(jié)構(gòu);主站房屋面為雙曲鋼桁架結(jié)構(gòu)，屋面跨度43.5~84.5m，四周懸挑最大12.5~18m;B區(qū)及C區(qū)地下二層地鐵區(qū)間上方為地下車庫，存在托柱轉(zhuǎn)換。

　　2工程設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

　　抗震設(shè)防烈度8度;基本地震加速度值0.20g;設(shè)計(jì)地震分組為第二組;建筑場地類別Ⅲ類;場地特征周期0.55s;結(jié)構(gòu)阻尼比：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為0.05、鋼結(jié)構(gòu)為0.04;水平地震影響系數(shù)0.16。

　　荷載取值：1)金屬屋面基本風(fēng)壓、基本雪壓按重現(xiàn)期100年取值;2)高鐵列車豎向活載采用ZK活載，地鐵列車豎向活載按《城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB11/995—2013)[1]第10.1.20條取值3)市政道路采用公路—Ⅰ級荷載。

　　2.2工程地質(zhì)條件

　　地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、粉土、粉質(zhì)黏土、砂類土及圓礫土。地層分布連續(xù)穩(wěn)定，地層的物理力學(xué)性質(zhì)較好，無高壓縮性土，無軟弱土，無濕陷性土。擬建場地屬于抗震不利地段。

　　不良地質(zhì)作用主要為地面沉降和地震液化。

　　抗浮設(shè)計(jì)水位標(biāo)高為45.1m。典型地質(zhì)剖面見圖4。

　　2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　本工程為大底盤多塔結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑功能，依據(jù)國家現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)、鐵路、地鐵、市政工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，確定結(jié)構(gòu)的大底盤及上部各塔的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

　　2.4結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能指標(biāo)

　　A區(qū)主站房為復(fù)雜高層組合結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防類別為乙類，為此對A區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)定了抗震性能化的目標(biāo)，具體見表2。

　　3結(jié)構(gòu)概況

　　3.1主站房(A區(qū))

　　A區(qū)結(jié)構(gòu)長175m、寬約165m，建筑屋檐高度約為23~43m;地下二層層高8.35m、地下一層層高6.3m;一層層高12m，二層層高11~21m;地下結(jié)構(gòu)典型柱網(wǎng)為12.5m(順軌向)×10.5m(垂軌向)，地上二層典型柱網(wǎng)為25m(順軌向)×21m(垂軌向)，局部三層為商業(yè)夾層，柱網(wǎng)加密為12.5m×10.5m，層高5.5m;屋面采用主次鋼桁架結(jié)構(gòu)，垂軌向桁架跨度為43.5~84.5m，由三根近似橢圓形鋼管混凝土柱(A柱、Y柱、直柱)支撐，順軌向桁架跨度25m。

　　主體結(jié)構(gòu)柱與承軌層橋梁的柱墩共用，承軌層橋墩之間完全獨(dú)立，列車軌道梁及站臺板結(jié)構(gòu)通過支座在橋墩蓋梁頂部連接，高架候車廳鋼管混凝土柱下插在橋墩柱上，結(jié)構(gòu)從下到上形成“鋼筋混凝土框架-承軌層橋墩-鋼管混凝土柱鋼框架大跨度鋼桁架屋蓋”的建橋合一的復(fù)雜高層組合結(jié)構(gòu)[2-3]。A區(qū)主站房剖面見圖5。

　　3.2站房南側(cè)(B區(qū))

　　B區(qū)地下結(jié)構(gòu)長×寬=240m×(58~125)m，典型柱網(wǎng)為9m×10.5m，地上為多個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)，B1區(qū)為落客平臺，B2為地鐵13號線的設(shè)備用房，共兩層;B3為國鐵的站臺層，共4個(gè)，層高為3.2m;結(jié)構(gòu)形式見表1;B區(qū)高架落客平臺處剖面見圖6。

　　3.3站房北側(cè)(C區(qū))

　　C區(qū)的建筑功能及結(jié)構(gòu)布置與B區(qū)基本相同;地下結(jié)構(gòu)長×寬=240m×(58~147)m，典型柱網(wǎng)為9m×10.5m，地上C1區(qū)為落客平臺，C2為地鐵13號線的設(shè)備用房，C3為國鐵的站臺層;C4為無站臺柱雨棚，長×寬=186m×86m，18(順軌向)m×21m(垂軌向)。C區(qū)高架落客平臺處剖面與B區(qū)相似，故此處略去;C區(qū)站臺雨棚剖面見圖7。

　　3.4承軌層結(jié)構(gòu)

　　A區(qū)主站房承軌結(jié)構(gòu)為橋墩+蓋梁，柱網(wǎng)尺寸約為25m(順軌向)×21m(垂軌向);承軌梁分別采用了為單線槽形梁橋、雙線槽形梁橋。此部分結(jié)構(gòu)由中鐵設(shè)計(jì)橋梁院設(shè)計(jì)。B區(qū)及C區(qū)的承軌結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

　　3.5站臺層

　　A區(qū)主站房的站臺為樓面梁結(jié)構(gòu)：梁跨為25m(順軌向)×11.5m(垂軌向)，每隔50m設(shè)一道溫度伸縮縫;B區(qū)及C區(qū)站臺結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)9m(順軌向)×11.5m(垂軌向);每隔54m設(shè)一道溫度伸縮縫。

　　3.6樓屋面結(jié)構(gòu)

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用主次梁現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系;鋼管混凝土柱鋼框架結(jié)構(gòu)采用主次鋼梁+鋼筋桁架組合樓板;主站房雙曲屋面采用雙向主次鋼桁架+壓型鋼板金屬屋面;站臺雨棚屋面采用雙向主次鋼梁+壓型鋼板金屬屋面。

　　4結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算軟件

　　本工程A區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)站大廳空間存在大挑空區(qū)，樓板不連續(xù);商業(yè)夾層為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，豎向構(gòu)件不連續(xù);鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最大跨度84m，屋蓋的屋面超大懸挑18m;為建橋合一組合結(jié)構(gòu);地下結(jié)構(gòu)無縫超長660m;地下地鐵結(jié)構(gòu)順軌向結(jié)構(gòu)斷面變化大，不適用二維法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析;綜合以上原因，結(jié)構(gòu)分析采用了多個(gè)軟件，采用通用有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，校核模型及計(jì)算結(jié)果。

　　(1)A區(qū)采用YJK-S1.8和MIDASGen(v800)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)建模分析，進(jìn)行互校，進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　(2)B區(qū)及C區(qū)采用YJK-S1.8進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)建模分析，進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　(3)采用ANSYS進(jìn)行大跨度屋蓋主要受力節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)充分析：A柱頂部與屋面桁架連接、Y柱分叉鑄鋼節(jié)點(diǎn)、型鋼梁轉(zhuǎn)換柱節(jié)點(diǎn)的有限元分析和鋼結(jié)構(gòu)柱屈曲分析等。

　　(4)采用ABAQUS模型進(jìn)行A區(qū)主站房結(jié)構(gòu)的動力彈塑性及大跨度屋面抗連續(xù)倒塌的性能分析。

　　(5)采用ANSYS模型建橋合一結(jié)構(gòu)車致振動舒適度的分析。

　　(6)采用ABAQUS建立結(jié)構(gòu)+土層的整體模型進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

　　5站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

　　5.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

　　(1)地勘建議：擬建場地工程基坑底位于○3細(xì)砂層或○4粉質(zhì)黏土層中，地基承載力一般，根據(jù)地勘報(bào)告建議采用筏板基礎(chǔ)或樁-筏基礎(chǔ)。

　　(2)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為一級，需要進(jìn)行地基變形驗(yàn)算。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)[4]表7.3.1規(guī)定，對于有砟軌道，承軌橋梁結(jié)構(gòu)的沉降有限值要求：墩臺均勻沉降為30mm，相鄰基礎(chǔ)沉降差為15mm。沉降變形要求嚴(yán)于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)相關(guān)要求，按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)[4]要求控制變形。

　　(3)確定基礎(chǔ)形式、樁端持力層及樁徑：根據(jù)地勘該場地為抗震不利地段，○3層細(xì)砂層存在中等液化，地下一層基礎(chǔ)底板位于○3層細(xì)砂層，基礎(chǔ)采用樁基(樁端持力層進(jìn)入穩(wěn)定土層)+防水板;地下二層基礎(chǔ)底板位于○4層粉質(zhì)黏土層，地基承載力為160kPa;采用樁筏基礎(chǔ);采用樁徑為1m和0.8m的鉆孔灌注樁進(jìn)行試算。

　　考慮樁與樁間土共同受力，控制整體沉降變形在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。

　　通過沉降試算確定地下二層樁基礎(chǔ)持力層為○7層圓礫層，地下一層樁基礎(chǔ)采用與○7層土層壓縮模量相近的○5細(xì)砂-圓礫層。

　　地下二層樁長40~45m，地下一層15m，靠近地下二層范圍樁長55m。

　　(4)確定采用后壓漿工藝：從樁數(shù)量、平面布置、控制基樁變形和樁端沉渣等方面考慮，采用了樁側(cè)及樁端后注漿施工工藝。后注漿側(cè)壓力增強(qiáng)系數(shù)統(tǒng)一取1.40，端阻力增強(qiáng)系數(shù)取2.50，○3層細(xì)砂層液化折減系數(shù)統(tǒng)一取0.30。

　　(5)軟弱下臥層驗(yàn)算：樁端平面以下受力層范圍內(nèi)存在○6，○8層粉質(zhì)黏土軟弱下臥層，進(jìn)行軟弱下臥層的承載力驗(yàn)算。

　　(6)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算：采用抗拔樁及結(jié)構(gòu)自重抗浮，本工程抗壓樁兼做抗拔樁。抗拔樁的承載力由樁身承載力及裂縫寬度限值0.2m控制確定。

　　(7)提出工程試樁要求：工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為一級，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)[5]5.3.1條要求工程樁施工前應(yīng)進(jìn)行工程試樁，確定后壓漿工藝參數(shù)及單樁極限承載力，為復(fù)核樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　5.2地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　5.2.1地下結(jié)構(gòu)的抗震分析

　　根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50909—2014)[6]的要求，對于地下車站結(jié)構(gòu)[7]應(yīng)進(jìn)行抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

　　本項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)斷面復(fù)雜，沿線路方向變化大，且地下一層頂板不連續(xù)，無法簡化為二維問題來進(jìn)行計(jì)算。采用全過程時(shí)程分析法來進(jìn)行地震作用計(jì)算。建立結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基整體模型，如圖8所示。考慮土體的非線性動力特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震分析計(jì)算，并由此進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面的抗震設(shè)計(jì)。從分析結(jié)果看，主要有以下結(jié)論：

　　(1)地下結(jié)構(gòu)在E3(重現(xiàn)周期為2475年的地震動)地震波下，X向、Y向最大層間位移角滿足設(shè)計(jì)要求不超過1/250的規(guī)定。

　　(2)地下結(jié)構(gòu)的梁單元，只有極個(gè)別梁端負(fù)彎矩區(qū)鋼筋發(fā)生小范圍屈服，大部分梁鋼筋未發(fā)生屈服，滿足規(guī)范要求。

　　(3)地下結(jié)構(gòu)的柱單元，只有極個(gè)別柱鋼筋發(fā)生小范圍屈服，大部分柱鋼筋未發(fā)生屈服，滿足規(guī)范要求。型鋼混凝土和鋼管混凝土柱中的型鋼和鋼管均未發(fā)生屈服，滿足規(guī)范要求。

　　(4)地下結(jié)構(gòu)墻體在E3地震波下的損傷情況，A區(qū)地下結(jié)構(gòu)中地鐵隧道的長墻部分部位發(fā)生損傷，但損傷并不嚴(yán)重。B區(qū)和C區(qū)大部分墻體未進(jìn)入塑性，有足夠的承載能力。

　　在E3地震波下地下結(jié)構(gòu)的承載力滿足規(guī)范要求，損傷范圍不大，程度較小，工作狀況良好，滿足抗震性能要求Ⅱ(地震后可能破壞，經(jīng)修補(bǔ)，短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)其正常使用功能)。

　　5.2.2超長結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計(jì)

　　(1)背景分析

　　本工程地下混凝土結(jié)構(gòu)超長，平面尺寸：基礎(chǔ)底板為660m×58m，地下二層660m×(80~140)m，地下一層南北兩側(cè)兩塊約240×(80~140)m;

　　根據(jù)建筑及設(shè)備要求不設(shè)變形縫，結(jié)構(gòu)雙向長度超過伸縮縫最大間距55m的要求，需要考慮溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響。

　　采用MIDASGen(v800)軟件對結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應(yīng)進(jìn)行有限元分析，得到溫度應(yīng)力分布的規(guī)律和數(shù)值，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對不同部位采取不同的處理措施，有效解決溫度效應(yīng)帶來的不利影響。主要針對降溫工況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到溫度應(yīng)力分布情況、找出裂縫發(fā)展重點(diǎn)部位。

　　(2)溫度應(yīng)力計(jì)算條件分析

　　1)最高平均氣溫及最低平均氣溫

　　地下二層位于地下-9.6m,室外土體基本為恒溫，取年平均氣溫10℃;室內(nèi)A區(qū)站臺區(qū)，有空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃;B區(qū)及C區(qū)為地鐵區(qū)間，無空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度冬季為16℃，夏季為25℃。

　　A區(qū)結(jié)構(gòu)的最高及最低平均氣溫取18℃;B區(qū)及C區(qū)結(jié)構(gòu)的最高平均氣溫取17.5℃，最低平均氣溫取13℃。

　　地下一層：地下室頂板(承軌層)上覆土層層厚大于1.2m，起到保溫隔熱的作用，頂板內(nèi)側(cè)保溫涂層，室外最高氣溫36℃，最低氣溫-13℃，

　　B區(qū)及C區(qū)為地下車庫及地鐵設(shè)備用房，室內(nèi)溫度：冬季12℃，夏季30℃。B區(qū)及C區(qū)最高平均氣溫取28℃;最低平均氣溫取-0.5℃。

　　2)最高平均初始溫度及最低平均初始溫度根據(jù)結(jié)構(gòu)施工工期安排，地下二層的合攏時(shí)間為3月，合攏溫度取5~10℃;地下一層的合攏時(shí)間為4月，合攏溫度取10~15℃。

　　3)混凝土收縮當(dāng)量溫差考慮混凝土收縮影響折算為當(dāng)量溫差，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取15℃。

　　4)結(jié)構(gòu)降溫工況溫度作用地下二層：A區(qū)為-7℃、B區(qū)及C區(qū)為-12℃;地下一層-30.5℃。

　　5)混凝土松弛徐變影響系數(shù)：0.3。

　　6)結(jié)構(gòu)剛度折減：對于地下二層取0.85，地下一層取0.9。

　　(3)結(jié)果分析

　　地下一層應(yīng)力集中點(diǎn)主要在：A區(qū)、B區(qū)及C區(qū)相連雙柱處、混凝土墻體、柱與板相連處;地下二層應(yīng)力集中點(diǎn)主要在：混凝土墻體、柱與板相連處;最大溫度應(yīng)力小于C40混凝土的抗拉強(qiáng)度2.39MPa;溫度應(yīng)力作用不會使結(jié)構(gòu)開裂;應(yīng)力集中點(diǎn)配筋適當(dāng)加強(qiáng)。圖9為B區(qū)地下二層頂板的應(yīng)力云圖。

　　5.3A區(qū)主站房建橋合一結(jié)構(gòu)體系

　　5.3.1結(jié)構(gòu)體系的抗震性能

　　站房結(jié)構(gòu)位于8度高烈度區(qū)，A區(qū)主站房采用建橋合一結(jié)構(gòu)體系，存在多項(xiàng)抗震不利項(xiàng);在采取抗震概念設(shè)計(jì)、基于彈性性能化設(shè)計(jì)同時(shí)，建立三維整體模型如圖10所示，通過大震動力彈塑性時(shí)程分析，對結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)大震作用下的非線性性能進(jìn)行定量分析，分析結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的變形形態(tài)、構(gòu)件的塑性及其損傷情況，以及整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為，分析結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件的變形形態(tài)和破壞情況，重點(diǎn)考察結(jié)構(gòu)橋墩柱、鋼結(jié)構(gòu)屋面支撐柱結(jié)構(gòu)及屋面桁架結(jié)構(gòu)等;找出結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱部位。

　　分析中考慮以下非線性因素：幾何非線性、材料非線性、施工過程非線性，根據(jù)地下橋墩地基剛度矩陣信息和嵌固條件，采用土彈簧來模擬土對基礎(chǔ)的作用，如圖11所示。通過大震彈塑性分析得出：

　　(1)7組地震波包絡(luò)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角未超過1/50，滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

　　(2)結(jié)構(gòu)損傷主要集中在-3.2m標(biāo)高處的○C軸的角部墩柱及地下二層的外墻;其他部位墻體損傷很輕。

　　(3)在-3.2m標(biāo)高位置○C軸角部墩柱截面尺寸突減、構(gòu)件剛度發(fā)生突變，構(gòu)件內(nèi)力略超極限抗彎承載力。

　　對○C軸角部墩柱與上部鋼直柱交接部位的節(jié)點(diǎn)采取了加強(qiáng)措施：1)橋梁墩柱增加四周縱筋配筋率;2)在鋼直柱與橋墩柱分界面的影響范圍對鋼直柱截面加強(qiáng)。影響范圍為鋼柱插入橋墩柱1.5H(H為鋼支柱截面高度)深度及橋墩柱分界面以上1.0H高度范圍。鋼直柱的壁厚由50mm增加到60mm，內(nèi)側(cè)加勁板厚度由30mm增加到50mm。具體見圖12。

　　(4)○C軸的兩道交叉支撐出現(xiàn)了一定塑性應(yīng)變;鋼屋面部分斜撐構(gòu)件出現(xiàn)一定塑性應(yīng)變。支撐屋面的A柱、Y柱、直柱處于彈性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了大震彈性的性能目標(biāo)。

　　動力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了概念設(shè)計(jì)及性能化設(shè)計(jì)成果，并找出了個(gè)別不易發(fā)現(xiàn)的薄弱部位或構(gòu)件，為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

　　5.3.2車致振動引起的候車層的舒適度分析

　　車致振動舒適度[8]采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)[9]對振動舒適度進(jìn)行評判，清河站候車層和夾層參照混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)取其限值。考慮到辦公及商業(yè)在夜間時(shí)段(晚22：00~晨6：00)的人很少，其Z振級容許值可按晝間75dB(晚22:00~晨6:00)取值。

　　建立考慮結(jié)構(gòu)+基礎(chǔ)+環(huán)境土體的三維有限元模型，輸入列車車輛對軌道各節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)力時(shí)程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力時(shí)程分析。采用ANSYS軟件分析計(jì)算。計(jì)算包括三個(gè)工況：1)列車在正線以120km/h速度通過;2)列車在到發(fā)線進(jìn)站;3)列車在到發(fā)線出站。主要有如下結(jié)論：

　　1)高鐵列車在到發(fā)線進(jìn)出站時(shí)，清河站候車層樓板最大預(yù)測Z振級滿足規(guī)范要求;

　　2)高鐵列車在正線以120km/h速度通過時(shí)，候車層樓板最大預(yù)測Z振級76.7dB超過限值75dB，不滿足要求，通過采取結(jié)構(gòu)措施可滿足舒適度要求。結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施：考慮到正線上方相關(guān)區(qū)域候車層樓板振動局部超過標(biāo)準(zhǔn)限值，將此范圍內(nèi)橫軌向次梁從550mm加高至600mm，樓板厚度從150mm增加至180mm。根據(jù)加強(qiáng)后的方案的計(jì)算結(jié)果表明，采取該措施后，樓板振動Z振級最大值為74.4dB，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

　　(3)建橋合一結(jié)構(gòu)體系的車致振動問題一般有如下結(jié)論：正線位置的振動響應(yīng)大于到發(fā)線，行車位置的響應(yīng)大于其他位置，站臺層的振動響應(yīng)大于高架候車層和夾層。鋼結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)大于混凝土結(jié)構(gòu)。

　　5.4B區(qū)及C區(qū)轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)

　　B區(qū)及C區(qū)地下二層為地鐵27號線及19號線支線的區(qū)間結(jié)構(gòu)，這兩條平行地鐵線出了A區(qū)主站房范圍后，分別以一定的曲線變換方向，27號線向上爬坡出地面，19號線支線向下潛入更深的地鐵區(qū)間。地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)要滿足地鐵限界的要求，因此區(qū)間結(jié)構(gòu)上層布置規(guī)則的地下車庫柱不能落地，車庫頂板為國鐵及地鐵承軌面，上部恒、活荷載大，車庫要滿足建筑凈高要求，梁跨度不宜太大。

　　根據(jù)以上限制條件，經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案分析，采用了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部采用型鋼混凝土構(gòu)件進(jìn)行托柱轉(zhuǎn)換：地下一層采用規(guī)則柱網(wǎng)滿足車庫車流線要求，柱距不宜太大，以保證梁截面滿足列車承軌受力要求及車庫凈高要求;對影響地鐵限界不能落地的柱，在地下二層另設(shè)柱，滿足地鐵限界要求，設(shè)置型鋼混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)滿足地下一層車庫布柱要求。

　　轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)處理如圖13所示。

　　5.5屋面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　5.5.1鋼結(jié)構(gòu)屋蓋抗連續(xù)倒塌分析

　　根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)[10]第3.12.1條的規(guī)定“安全等級為一級的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計(jì)要求;有特殊要求時(shí)，可采用拆除構(gòu)件方法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。”

　　鑒于本項(xiàng)目的重要性，采用多重荷載路徑法(拆桿法)，用動力彈塑性分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。分六種工況：邊跨前部A柱兩肢同時(shí)破壞、邊跨中部Y柱兩肢同時(shí)破壞、邊跨后部直柱破壞、中間跨前部A柱兩肢同時(shí)破壞、中間跨中部Y柱兩肢同時(shí)破壞、中間跨后部直柱破壞進(jìn)行分析。分析擬選損傷關(guān)鍵構(gòu)件示意見圖14。

　　通過計(jì)算豎向荷載(1.0恒荷載+0.5活荷載+0.2風(fēng))作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力并求得失效構(gòu)件對剩余結(jié)構(gòu)的反力F，拿掉欲拆除的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)在豎向荷載和失效構(gòu)件對剩余結(jié)構(gòu)反力F作用下形成初始內(nèi)力、剛度和變形，模擬結(jié)構(gòu)的初始平衡態(tài)，然后模擬構(gòu)件失效承載力消失的過程。找出結(jié)構(gòu)在防止連續(xù)倒塌方面的薄弱環(huán)節(jié)，提高結(jié)構(gòu)安全冗余度。

　　通過分析得出：鋼屋蓋為雙向桁架受力體系，結(jié)構(gòu)冗余度較高，具有良好的抗連續(xù)倒塌的能力。圖15為拆除邊跨A柱的變形云圖。

　　5.5.2屋蓋結(jié)構(gòu)及維護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)及風(fēng)致振動分析

　　A區(qū)主站房屋面西側(cè)懸挑18m，東側(cè)懸挑13m，南北兩側(cè)懸挑12.5m，且屋面為雙曲屋面，屋面為金屬屋面板;C區(qū)雨棚為波浪形曲線屋面，四面開敞，屋面為金屬屋面板;根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范無法確定準(zhǔn)確的風(fēng)荷載值。中國建研科技股份有限公司按照1：200的比例幾何縮尺建立剛性模型(圖16)并對其進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)[11]，測點(diǎn)數(shù)量為1142個(gè)，其中雙面測點(diǎn)406個(gè);用有限元方法對結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)，最終得到各節(jié)點(diǎn)等效風(fēng)荷載值用于主結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。

　　試驗(yàn)主要結(jié)論：所有風(fēng)向角下，本建筑表面主要承受整體上吸風(fēng)載作用，最大上吸作用出現(xiàn)在230°。

　　對于平面形狀或立面形狀復(fù)雜的建筑，宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)確定風(fēng)荷載取值。本項(xiàng)目通過風(fēng)洞試驗(yàn)給出的《站房及雨棚風(fēng)洞測壓試驗(yàn)報(bào)告》對站房屋面結(jié)構(gòu)及站房和雨棚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了復(fù)核驗(yàn)算，重點(diǎn)對主站房西側(cè)大懸挑部分風(fēng)壓值大的屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取了加強(qiáng)措施。

　　5.6鋼結(jié)構(gòu)特殊節(jié)點(diǎn)的分析

　　對結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位(Y柱分叉處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、型鋼混凝土梁轉(zhuǎn)換鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)、中間支撐Y柱與屋面主桁架的連接節(jié)點(diǎn)、A柱柱頂與屋面主桁架連接節(jié)點(diǎn))補(bǔ)充有限元分析：采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元采用SOLID95,截面采用mpc184單元進(jìn)行截面耦合從而施加荷載。

　　5.6.1Y柱分叉處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　鑄鋼件材質(zhì)為G20Mn5QT，屈服強(qiáng)度300N/mm2，抗拉強(qiáng)度為500~650N/mm2，鋼材強(qiáng)化階段的切線模量EC取為彈性模量E的1/300，即E=206000N/mm2，EC=687N/mm2，泊松比ν=0.3。從整體計(jì)算模型中提取各個(gè)桿件對應(yīng)截?cái)辔恢玫膶?shí)際內(nèi)力，并采用平衡力系施加于有限元模型中，計(jì)算了一系列荷載組合，從而得到最不利荷載組合工況下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，見圖17。

　　由計(jì)算結(jié)果可知，在最不利荷載組合作用下鑄鋼件大部分范圍應(yīng)力都很小，處于彈性狀態(tài)，故可認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是安全的。

　　5.6.2型鋼混凝土梁轉(zhuǎn)換鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)

　　柱采用的鋼材為Q390GJ，其屈服強(qiáng)度為350N/mm2，抗拉強(qiáng)度為3700~580N/mm2。梁鋼材為Q345，其屈服強(qiáng)度345N/mm2，抗拉強(qiáng)度為490~620N/mm2。提取桿件最不利荷載組合采用平衡力系施加于節(jié)點(diǎn)限元模型，計(jì)算結(jié)果見圖18。

　　由計(jì)算結(jié)果可知，在最不利荷載組合作用下梁、柱大部分范圍應(yīng)力都很小，處于彈性狀態(tài)。故可認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是安全的。

　　對中間支撐Y柱與屋面主桁架的連接節(jié)點(diǎn)、A柱柱頂與屋面主桁架連接節(jié)點(diǎn)的分析方法類似[12]，不再贅述。

　　5.7綠建設(shè)計(jì)

　　清河站房綠建設(shè)計(jì)達(dá)到國標(biāo)三星及美國綠色建筑委員會認(rèn)證的LEED金級證書。

　　結(jié)構(gòu)綠建設(shè)計(jì)的工作主要體現(xiàn)在：采用預(yù)拌砂漿及預(yù)拌混凝土;采用高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)鋼材，高強(qiáng)度混凝土;地上結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)：工業(yè)化生產(chǎn)預(yù)制率達(dá)90.8%>50%，材料可循環(huán)使用率高;結(jié)構(gòu)方案選型的優(yōu)化[13]。其中結(jié)構(gòu)方案比選主要包括：

　　(1)樁基礎(chǔ)方案比選，采用后壓漿技術(shù)，樁數(shù)減少，總長度減少25%，樁基直接費(fèi)用節(jié)約20%。

　　(2)A區(qū)站房結(jié)構(gòu)、高架落客平臺、雨棚方案比選：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)。在上序?qū)I(yè)限制的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角不能滿足抗震變形要求1/550限值的要求，因此確定采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

　　(3)A區(qū)屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四種方案的比選：方案一：111m跨，剛性懸鏈梁+網(wǎng)架;方案二：網(wǎng)架+中間四柱;方案三：網(wǎng)架+Y柱;方案四：桁架+Y柱。最終方案四以對站廳層空間影響小、結(jié)構(gòu)用鋼量節(jié)約的明顯優(yōu)勢被采用。

　　(4)進(jìn)行A區(qū)站臺層結(jié)構(gòu)比選：現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。從維修保養(yǎng)方便、現(xiàn)場施工方便等方面考慮確定采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

　　5.8結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

　　根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司對清河站的初設(shè)批復(fù)要求，本工程設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測點(diǎn)主要布設(shè)在A區(qū)：鋼結(jié)構(gòu)屋面、A柱、Y柱、直柱、承軌橋墩及蓋梁;B區(qū)及C區(qū)：地下室外墻、承軌梁、高架落客平臺及鋼結(jié)構(gòu)雨棚的梁柱上。主要監(jiān)測元件為應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、加速度計(jì)、風(fēng)速儀等，共布置元件349個(gè)。A區(qū)主站房典型監(jiān)測元件布置見圖19。

　　元件通過傳感器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為結(jié)構(gòu)的變化提供實(shí)時(shí)監(jiān)測信息，對工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測和識別，通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)定期更新來預(yù)估結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對工程結(jié)構(gòu)的影響，以及是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)并入智能京張全線的BIM運(yùn)維系統(tǒng)平臺，便于相關(guān)單位對結(jié)構(gòu)全生命周期的健康監(jiān)測與安全管理。

　　6結(jié)語

　　結(jié)合清河樞紐性站房的設(shè)計(jì)，逐項(xiàng)開展分析研究：

　　(1)根據(jù)站房的建筑功能確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照對應(yīng)行業(yè)規(guī)范確定荷載取值(對特殊結(jié)構(gòu)通過試驗(yàn)確定其荷載值)，按照相關(guān)規(guī)范的要求開展設(shè)計(jì)。

　　(2)樞紐型站房的建筑特性決定了結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，通過對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性分析評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，尋找結(jié)構(gòu)的薄弱部位，進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。

　　(3)針對地下結(jié)構(gòu)建立土-結(jié)構(gòu)精細(xì)一體化模型，考慮土體、結(jié)構(gòu)的非線性特性進(jìn)行全過程時(shí)程分析，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證地下結(jié)構(gòu)的抗震性能。

　　(4)針對樞紐型站房地下結(jié)構(gòu)超長，進(jìn)行超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析，并采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施。

　　(5)建橋合一結(jié)構(gòu)體系中鋼結(jié)構(gòu)候車廳的車致振動舒適度需要驗(yàn)證。

　　(6)對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)通過彈塑性有限元分析驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)承載力。

　　(7)為滿足綠建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)進(jìn)行多方案結(jié)構(gòu)比選，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)濟(jì)性。

　　(8)大型及重要的站房結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)投資宜根據(jù)工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、需要監(jiān)測的主要重點(diǎn)部位的點(diǎn)位數(shù)量確定，做到對結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件的使用情況全面監(jiān)測，準(zhǔn)確把握站房結(jié)構(gòu)安全的脈搏。

　　(9)清河站具有樞紐型站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，此分析研究方法可供類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考和借鑒。