高铁中间停靠站-单层空旷结构设计

1结合高铁中间停靠站探讨单层空旷房屋抗震设计陈雷韩丽君（筑博设计股份有限公司北京分公司，北京，100013）[摘要]高铁是国家重点投资的铁路建设项目，沿线设有大小车站很多个。本文主要结合中间停靠站（小型规模车站），探讨小型铁路车站的基本设计思路；同时结合车站结构形式，对单层空旷房屋的设计进行分析研究。[关键词]结构选型单层空旷房屋软件计算结果合理性判断Discussofmonolayer-hollownessbuildingcombinewithBulletrailwaystationChenLeihanlijun(ShenzhenZhuboarchitectural&TsukitodesignIncBeijingbranchcompany,100013)Abstract:Bullet-trainistheimporttraininvestment.Ithavemorethantwentyofrailwaystation.Combinewithrailwaystationdiscusshowtodesign.Andcombinewithconfigurationdiscusshowtodesignmonolayer-hollownessbuilding.Keywords:conceptdesign;monolayer-hollownessbuilding；judgementsoftwareresult1工程概况高速铁路项目全线按最高时速250~300公里设计，主要为客运。全线设有若干大站，还有很多中间停靠站。中间停靠站一般日均旅客发送量10000~50000人，最高聚集人数600~3000人，建筑面积为3000~6000m2，一般为线侧式站房（站房位于站线一侧）。结构设计基准期为50年，结构的安全等级为一级，设计耐久年限为50年，结构重要性系数1.00，结构形式钢筋混凝土框架+屋面网架，为单层空旷房屋。2铁路车站概况现代车站的设计主导思想是尽最大努力为旅客提供方便，将最大、最好的公共空间让给旅客；站房均为大空间、大跨度结构形式（参见图1)，以创造无柱的灵活空间；对结构设计提出了更加严格的要求。以某站为例介绍小型车站的整体设计思路。图1某站一层平面图站房建筑功能包括：候车大厅，售票厅，进出站通行口及辅助用房。其中候车大厅一般为60x40m2（无柱设计），售票厅为30x20m2（无柱设计），进出站通道为跨度15m左右。站房一般两层，高度为15~25m。3结构选型某站结构平面布置见图2，3。两侧辅助用房跨度7.5x7.2m，为普通框架结构。中间站房：进出图2一层结构布置图图3二层结构布置图站通行口跨度15x9m，售票厅30x18m，候车大厅60x36m；层高一层6m，二层15m（其中网架高度3m）。中间站房与两侧辅助用房通过抗震缝分开。抗震设防烈度7度。由于两侧辅助用房为正常跨度，不进行讨论。中间站房特点是跨度大，层高高，空旷。结构方案选择上可选混凝土框架和钢结构两种。比较两者优缺点见表1。钢结构虽在有些方面优于混凝土两种结构形式比较表1形式刚度延性施工周期造价砼结构大差易长低钢结构小好难短高____________作者简介：陈雷国家一级注册结构工程师2结构，但钢结构适合建造大跨，荷载大的建筑物。对于小型站房，除候车大厅外，跨度并不是很大，且钢结构需加设侧向支撑等构件，影响外立面及内部使用空间，故采用混凝土框架（局部大跨度梁加设预应力）。候车大厅采用钢网架减轻结构自重，降低地震作用下的反映。4建筑物类别划分，抗震等级《抗震设防分类标准》特大型站（最高聚集人数大于10000人）为乙类建筑物，对于小型规模站可划分为丙类建筑物。《抗震规范》7（6）度地区高度小于30米框架等级为三（四）级，同时规范10.3.2又规定对于单层空旷房屋钢筋混凝土框架柱应按二级框架设计，故抗震等级定为二级。5单层空旷房屋设计对于候车大厅，由于跨度为60x36m，虽二层沿建筑物周圈有通长梁，可提供一定的刚度（仅对于X向），但无Y向刚度，结构为单层空旷房屋，按《抗震规范》第十章执行。相关震害分析表明：对于单层空旷房屋与两侧建筑物不设缝时，震害较轻；留缝时震害反而较重。对于单层空旷房屋，屋面为网架结构，由于屋面大梁及层间梁的空间整体作用到底有多大，按目前的分析软件计算，结果的正确性应认真分析。5.1计算中需解决的问题1．《抗震规范》对单层空旷房屋计算规定如下：为简化计算，可将整个房屋划分为若干部分，分别计算，然后从构造上和荷载的局部影响上加以考虑，互相协调。同时举例说明了横向及纵向分析采用排架或空间协同分析的方法。具体见《抗震规范》10.2条条文解释。2．屋面网架平面内刚度如何简化取值：目前有三种方法可供参考：a.真实的输入网架参与结构计算，需采用复杂空间结构建立模型，按复杂空间结构分析；b.计算网架的平面内刚度，按等刚度代换原则换算成钢或砼构件输入整体计算模型，分析计算；c.考虑网架在平面内有很大的刚度，平面外无刚度，在整体计算时将网架输入为同质量的楼板（楼板定义为弹性模），同时轴线上输入铰接的梁，分析计算。显然方法a，b能较真实的反映网架计算特点，只是输入和推导网架刚度很繁琐，目前一般的结构计算软件无法解决。实际计算时可采用方法c计算建筑物的抗震性能。3．屋面及楼层梁如何在整体建模输入：以某站为例，采用5种计算模型，结果比较如下（计算采用PKPM（2008年版）软件，屋面网架采用方法c计算）：几种模型计算结构比较表2计算模型X向最大位移mmX向相应位移角Y向最大位移mmY向相应位移角112.841/140213.931/1292215.271/117914.931/1205317.691/101712.791/1407412.781/140813.991/12875//44.101/409注：1.柱计算高度6（一层）+2（基础埋深）+15（二层高）-3（网架高）=20米2.模型1按两层计算，输入层间梁，见图2，3模型2按两层计算，留洞处层间圈梁取消模型3按两层计算，输入层间梁，一层标高上移2m模型4按一层计算，层高考虑为20m模型5不考虑空间作用，PK单榀计算，层高20m3.位移角按最大位移/柱高18m计算4.08版SATWE不再将长柱分层打断，而是整体计算由表2可得如下结论：1）模型5由于不考虑空间整体作用与真实结果相距过大。2）SATWE改进后，可以真实的反映越层柱结构性能。3）楼层圈梁可以改善Y向刚度，但对结果影响不大；对X向刚度改善效果明显。4）应尽量提高一层圈梁标高位置。5）候车大厅X向柱距不宜过大，以保证各部位刚度尽量一致。4．关于屋面梁与柱配筋结果的真实性：计算方法c虽可以较真实的反映建筑物的刚度和抗震性能，但无法真实的计算屋面网架在地震力下的水平推力。因此在计算大厅处柱及屋面梁内力时，应将网架支座内力不利组合作用于屋面梁上，得出梁柱真实的内力，进行截面配筋设计。5.2关键部位截面、配筋设计及构造要求通过分析结构整体空间振动简图，结构在地震力下反映如下：1）．由于候车大厅两侧刚度大，在高振型下，中间部位呈现典型的整体弯曲特征（见图4候车大厅高振型下整体弯曲3图4）。2）候车大厅柱由于有中间圈梁约束，以一层通高变形为主，同时呈现两层柱的变形特点。3）大厅与两侧交接处柱在高振型下变形复杂。对于大厅柱设计：1).柱x向有约束，y向无约束，为保证稳定性，截面应各自不小于本方向柱计算高度的1/16；2).应按地面到柱顶取柱加密区高度，同时考虑楼层圈梁可提供一定刚度，在一层圈梁上下范围适当设箍筋加密区；3).交接处的柱子应考虑高振型的影响加强配筋。对于层间圈梁及屋面梁设计：1）.除满足正截面、斜截面配筋要求外，应考虑整体弯曲的影响，受力类似水平梁，梁截面宽度宜尽量加宽；腰筋、拉筋按水平梁配置并加强，腰筋连接采用机械连接或焊接，拉筋做135度弯钩；2).楼层及屋面圈梁（框架图5中间大厅高，两侧低中间大厅与两侧同高梁）应拉通（见图5），以增强整体性和稳定性，特别是柱顶标高处圈梁（框架梁）尤其要保证足够的刚度。对于屋面网架支座设计：支座节点是结构重量传递给下部结构的关键部件。进行内力计算时，边界按简支形式考虑，可做成水平（双向）可移动的减震支座，如板式橡胶支座或万向承载、万向转动的抗震、减震球形钢支座。对于首层地面设计：地面采用级配砂石经分层碾压处理，为预防回填施工中出现的不均匀性，在首层建筑地面设置钢筋混凝土面层，以减小可能出现的地面裂缝宽度。对于填充墙设计：由于大厅四周填充墙体较高，需增设多道水平圈梁来加强稳定性，墙顶标高处圈梁更为重要。6建议目前我国正在大力发展铁路建设，投资规模上万亿。新建改建车站数以千计，其中很多均是中小规模车站。本文希望在计算机和计算软件广泛应用的条件下，除了要选择使用可靠的计算软件外，还应对软件产生的计算结果从力学概念和工程经验等方面加以分析判断，确认其合理性和可靠性。参考文献[1]建筑抗震设计规范（2008年版）（GB50011-2001）[S].陈雷电话[phone]通信地址北京市朝阳区东土城路12号怡和阳光大厦C座20层100013单位：筑博设计股份有限公司北京分公司邮箱[e-mail].