南京南站主站房结构设计概述

1、南京南站主站房结构设计概述接要:南京南站主站房工程具有尺度大(主站房南北向约410m,东西向约156m、跨度大(最大柱网尺寸72m、分缝多(承轨层六道结构缝,候车层两道结构缝、错层及夹层分布多,结构类型繁杂(包含混凝土结构,钢骨混凝土结构、钢结构三种结构类型,荷载种类多(承轨层列车相关荷载分布复杂、所涉规范跨领域(涉及普通民用建筑规范及铁路桥涵规范等诸多特点。本文叙述了“建桥合一”结构的主要特点和设计方法,介绍了站房各主要楼层(承轨层、候车层、屋面层的结构特点及设计要素。关键词:建桥合一车站站房复杂结构工程概述南京南站站房工程是新建京沪高速铁路南京大胜关长江大桥南京南站及相关工程中的一个子项,

2、由中铁第四勘察设计院集团有限公司与北京市建筑设计研究院组成的联合体共同完成。南京南站由京沪站场、沪汉蓉宁杭站场及宁安城际站场组成,共计15台28线;采用上进下出的进出站模式,站台位于12.4m,最高聚集人数为8000人/小时:站房地下二层为南京市地铁1号、3号线站台层,地下一层为地铁站厅层、预留商业用房和设备用房,层高9.6m,首层为车站出站厅、换乘厅,层高12.4m,2层南北两端为车站站房,中间为高架站台,主要用于火车停靠及旅客上下车使用。层高10m,3层为候车大厅,层高27 600m,其中东、西两层设置6m高的商业夹层,站房总建筑面积约28万m2,檐口高度为48.376m,屋面最高点标高为

3、58.30m。南京南站结构体系复杂,主站房与东西两侧无站台柱雨棚采用防震缝完全脱开。主站房地下室采用钢筋混凝土框架剪力墙结构;首层(承轨层采用钢筋混凝土框架结构,其中框架梁及承轨次梁(直接承托列车荷载内增设钢骨:候车层楼盖采用钢管混凝土柱与钢桁架、钢梁及混凝土组合楼板组成的结构体系:屋顶采用两向正交正放钢网架结构,网架高度6m,节点采用焊接空心球。因站房建筑南北向尺度大,承轨层设置6道东西向结构缝将平面分成七段,各区段完全独立:候车层楼盖设置两道东西向结构缝将平面分成三段,变形缝处通过牛腿及单向滑动支座实现各区段南北向可自由滑动,东西向变形同步。屋顶网架不设结构缝,仅在南北两端柱顶支座处设置双

4、向滑动支座释放部分温度应力(图1。承轨层结构设计1 建桥合一框架结构体系的优势南京南站地上二层结构为承轨层(建筑专业称站台层,站台层为附属架空夹层,其上所有楼面荷载与列车荷载均传递给承轨层结构(图2。该楼层主要用于列车停靠和旅客上下火车,属于典型的“建桥(特指站房建筑与铁路桥梁合一”建筑,本层结构需要同时满足民用建筑设计相关规范和铁路桥涵设计相关规范的基本要求。目前,国内建桥合一高架站房采用的结构体系多为线式桥梁结构上托站房结构(如广州南站和武汉站,桥梁结构承托列车荷载及相关水平力和上部结构传递的竖向荷载和水平荷载,桥梁分析采用铁路桥梁的相关设计规范;上部结构分析时假定结构柱嵌固在桥梁结构上,

5、上部结构作为一个独立的建筑物进行分析,采用民用建筑设计的相关规范。将桥梁结构与桥上站房结构统一建模分析作为桥梁结构与站房结构设计的辅助手段。线式桥梁结构+站房结构这种建桥合一高架站房结构体系,存在下列不足:由于桥梁结构在沿轨道方向为连续刚构结构,桥梁之间的站台梁采用橡胶支座浮搁在桥梁结构上,造成承轨层沿轨道方向整体刚度大,垂直于轨道方向为简支梁连接,整体刚度小,故承轨层两方向整体刚度相差极大,而承轨层恰恰为站房结构的支撑层。桥梁结构设计时仅考虑了上部站房柱传来的包络内力,没有考虑站房结构活荷载不利分布造成的站房柱内力变化的影响并将这种影响与桥梁结构的不利荷载进行组合,有可能遗漏桥梁设计中的不利

6、工况;同样,站房设计中也未完全考虑桥梁不同线路上荷载变化对站房结构的影响。有可能遗漏站房设计中的不利工况组合。由于桥梁结构为单向线性结构,桥梁之间的联系为简支可变位橡胶支座,桥梁的抗扭刚度小,桥梁上多承托双线轨道,为避免列车荷载对桥梁产生的扭转效应,桥梁柱在垂直于轨道方向截面尺寸较大,约6m左右(图3。由于高架站房桥梁下部空间多为站房的出站层,过大的柱截面对旅客产生较大的压抑感,占用了较大的建筑面积,影响出站层的使用效率。鉴于线式桥梁结构+站房结构这种建桥合一高架站房结构体系的不足,南京南站采用了建桥合一高架站房框架结构体系,承轨层结构采用整体现浇框架结构,站台柱与上部站房柱结合在一起,增加了

7、承轨层的整体刚度,避免承轨层双方向刚度相差悬殊问题:通过将承轨层与站房结构整体分析,避免了对承轨层和站房结构可能存在的不利工况的组合;承轨层采用框架结构(图2,有效减小了柱截面,避免了桥梁柱对旅客的不利影响,增大了出站厅的使用面积。2 承轨层结构设计要点由于温度变化和混凝土收缩的影响,各层结构都会产生伸长和收缩变形,其中首层顶板(承轨层在垂直于轨道方向温度引起的位移变化,直接影响轨道的平顺性。主站房外的无柱雨棚区域采用单向桥梁结构,其在垂直于轨道方向的温度变形很小,造成在垂直于轨道方向主站房的变形与桥梁的变形不同步,两者之间的变形差影响轨道的平顺度要求。根据轨道专业的要求,两者之间的变形差限值

8、为4mm。为满足轨道专业的要求,减少主站房首层楼板在垂直于轨道方向上的温度变形,结合列车正线桥于到发站脱离的因素,在平行于轨道方向将首层楼板分成七部分,即首层为七个独立的结构体,图6所示虚线为结构缝位置。列车从站房内通过,承轨层结构需承受列车传来的竖向荷载和水平荷载,图5、图6所示为本工程中所采用竖向zk活载,此荷载值较普通民用建筑荷载要大得多。除所示竖向荷载外,承轨层还要承受诸如摇摆力、制动力、钢轨伸缩力等水平向荷载的作用。在我国现阶段,民用建筑结构设计和铁路桥涵结构设计的方法和思路有较大区别,民用建筑采用的是极限承载力设计方法,而铁路桥涵结构采用的是容许应力法,设计过程中主要荷载的类型、荷

9、载组合的基本方式、变形容许限值等均有较大区别。表1所列为铁路桥涵设计基本规范中关于铁路桥涵设计的基本荷载分类,除恒载、温度荷载、风荷载及地震荷载外,其余荷载类型均为民用建筑设计规范中未提及的荷载类型。另外,铁路桥涵设计基本规范中对由列车竖向静活载所引起的竖向挠度的限制要求,相比于民用建筑也要严格的多。国内目前对于该类型工程的设计方法尚没有定论,可参照的已建成建筑更是少之又少。因此,鉴于本工程的特殊性和重要性,在结构设计时,分别采用以上所提及的两种方法对构件进行设计,取其包络结果作为最终设计依据。尤其是在按民用建筑规范方法设计时,需将铁路桥涵规范中所规定的多种列车相关竖向、水平荷载灵活引入,并综

10、合考虑其加载方式、组合方式,以保证结构设计的安全可靠。本结构层的主要承重构件为钢骨混凝土梁,钢骨横断面为工字型钢梁。选用该种承重结构主要基于以下两方面原因:本层框架梁所连之竖向构件为钢管混凝土柱,混凝土梁增设钢骨使得框架梁、柱节点易于连接(图7、8,节点的受力性能也更为稳定:基于前述的荷载量级较大、变形要求严苛的设计标准,钢骨混凝土梁无论是在承载能力、整体刚度还是在抗震延性的特殊要求方面都要比传统的钢筋混凝土梁有较大优势(图9,图4、5所列的zk列车静活载直接作用于承轨次梁,而且其分布模式可任意截取,承轨次梁再将该荷载传递给所搭的南北向布置的框架主梁。列车荷载在单条承轨次梁内可任意截取,而在各

11、条承轨次梁间又可随机分布,双维度、移动式的列车荷载分布模式给该层结构的设计带来了很大麻烦。必要的简化计算且保证安全是承轨层设计首先要解决的问题。本工程中,对承轨次梁而言,各框架主梁相当于它的简支支座,因上述列车荷载是任意截取、任意移动的,如果要求出承轨梁不同部位的跨中最大弯矩、支座最大弯矩及剪力,必须首先明确单位移动荷载在不同的结构部位产生的内力影响线,然后据此影响线分析结果布置列车竖向动荷载。这种加载方式理论上是没有问题的,可以据此定性地布置荷载。但在实际计算中仍存在如下问题:首先,连续梁作为超静定结构,很难确切地找到连续梁下部到底会在哪个截面出现弯矩最大值,即使找到这个截面也很难按规范的要

12、求,确定集中荷载布置到什么位置时该截面才能出现最大弯矩。其次,很难确切地找到集中荷载布置在连续梁跨中什么位置时,支座弯矩会达到最大值。为解决此问题,设计方与探索者软件公司的技术人员密切合作,共同开发出一个小软件,其原理如下:第一,在满足计算精度的前提下,为了便于计算机进行模拟计算,将zk标准荷载进一步简化,取值如图10所示。第二,将连续梁分成很多小段,建立一个数据库,分别统计梁两端的剪力和弯矩,理论上梁段越小,越逼近真实结果,但相应的也会增加计算量。在本工程中,取每段梁的长度为0.5m。第三,根据计算部位和所需求解的内力,首先将均布荷载根据影响线图形布置于相应的梁段上,四个集中荷载则作为一组动

13、荷载,布置于相应的梁段的初始位置上,然后进行第一次计算,求得并记录每个小梁段的第一组内力数据;然后将这组动荷载移动一小步,再进行计算,求得并记录每个小梁段的第二组内力数据。如此反复迭代计算,直到这组动荷载完全移出相关梁段。第四,汇总统计每个小梁段的n组数据,从而找到关键部位的内力包络值。经上述工作,承轨次梁的设计即可迎刃而解,之后将承轨次梁在支座处的最大剪力提取出来,作为集中荷载施加到整体计算模型中,并根据力学原理进行必要的排列组合,为框架主梁的设计打下基础。候车层结构设计南京南站高架候车层(地上三层楼面结构尺度超大,南北向395m,东西向156m。为减小楼层因温度荷载产生的变形及应力。本工程

14、中采用桁架(混凝土,柱侧加牛腿及限位滑动支座方式将楼面分成三块,分别为132.75×156(m、107.5×156(m和154.75×156(m。本层南北向最大跨度43m,东西向最大跨度24m,结构形式采用的是双向布置的钢结构桁架,桁架矢高达2.9m。其既作为候车层楼面的承重结构,同时又充分发挥其矢高和中空优势,为设备专业提供了既隐蔽又宽敞的布置空间,最终实现了各专业各取所需、协调设计的良好效果(图11、图12。1 候车层分缝处牛腿设计根据南京南站站房工程超限审查的要求,上述候车层结构缝处承托牛腿的设计标准为中震弹性、大震保持承载能力。图13、14为该处牛腿的大样

15、图,下弦杆件向外延伸形成牛腿,其上承托可单向滑动的成品抗震支座,上弦杆件延伸与另一侧桁架上弦销轴连接,椭圆形开孔保证在温度荷载和中震荷载组合下销轴不受力,可在长圆孔内自由滚动:大震时上弦杆件可通过销轴拉结并进入受力状态,抵抗地震荷载产生的作用:在极端情形下,若大震时上弦销轴丧失承载能力,承托支座的牛腿可通过设置其上的挡板保证所承托桁架不脱落。该处构件位于结构受力关键部位,除在整体计算模型中保证在各工况下其应力比控制在较低水平外,本工程还将其局部节点(钢管混凝土柱处提取出来,利用有限元软件分析其在复杂受力状态下的承载性能和应力分布,从而验证其构造合理性(图15。计算中,牛腿处竖向剪力为不断增加的

16、变化荷载,其他各构件荷载与线弹性分析中所采取的荷载相同,均为各工况荷载包络值。图16所示为牛腿处竖向剪力与端部竖向位移的非线性分析全过程曲线,其反映了结构在正常工作状态下所承受荷载与所能承受的极值荷载之间的数量关系。从荷载位移曲线及应力发展趋势图(图18可知:设计荷载约为理论计算的弹塑性荷载极值的1/10,为弹性极值的1/3.6,节点区应力屈服点扩展充分,属延性破坏。该处牛腿节点安全储备充足,构造合理。2 候车层舒适度分析大跨度钢结构楼盖竖向振动舒适度问题在国内是一个新的课题。目前,我国还没有关于楼盖振动对人们生活、工作舒适度影响的规范标准,仅在城市人行天桥与人行地道技术规范中有一条相关条文:

17、“为避免共振,减少行人不安全感,天桥上部结构竖向自振频率不应小于3hz”。人在楼盖上运动时,会对结构产生规律性的激励荷载(图7,从而使楼盖结构产生竖向振动。当楼盖跨度增大时,其竖向自振频率将降低,当自振频率降低到与人的步行频率(1.5hz2.5hz接近时,人在楼盖上的运动可能引起结构的共振,此时楼板的竖向振动可能超出人能够接受的程度,人体舒适度则难以得到保证。国外在这方面的研究已经多年,美国、日本等国家发布了相关的设计指南,本文计算分析时的相关数据主要参考美国文献(参考文献6和7,见表2。结果显示,在所选的荷载激励工况下,结构竖向振动响应均满足参考文献6中所推荐的限值要求,但考虑到模型所计算的

18、振动频率较低(仅为2.4hz,实际情形必定和计算假定之间存在一定的区别,为避免将来在使用时出现舒适度不佳的情形,结构在该区段(43m跨预留了一定的安全储备,可通过安置一定数量共振阻尼器的方法实现降低结构响应并满足相关要求。屋面结构设计1 屋面网架设计(图19、20南京南站屋面结构的最大跨度为72m,最大悬挑长度38.8m,南北向最大长度约450m,东西向最大长度约210m,属长悬挑,大跨度,超长平屋面结构。从安全性、可靠性、经济性及施工易行性等各方面综合考虑,本工程选用了国内较为常用的空间网架结构体系。对本工程而言,风荷载、雪荷载及温度场的分布是影响屋面设计的重要因素。根据建研科技股份有限公司

19、提供的南京南站站房风洞试验研究报告确定屋面的体型系数,通过对屋盖结构进行风致振动分析,求得屋面各部位的风振系数,从而得到屋面各点的风荷载,并以此为依据进行屋面设计；根据南京地区的气候变化，考虑屋面 做法和室内环境对网架工作环境温度的影响，采用 cfd 技术进行数值模拟，求出网架结构在极值工作下的温度场分布， 为合理确定屋面的合拢温度和温度梯度提供依据：2008 年初，我国 南方许多地区经历了雨雪冰冻灾害，经调查分析，许多屋面实际承 受的荷载已经超过建筑结构荷载规范规定的雪荷载数值。南京 南站作为大型公共建筑，如何避免在超越建筑结构荷载规范的 雪荷载下屋面结构的倒塌是屋盖结构设计必须解决的问题，

20、为此， 设计方搜集近年来南京地区气候变化的有关资料，评估气候变暖对 雪荷载变化的影响，并对屋面结构进行了在超越雪荷载下非线性极 限承载力分析，分析中考虑了几何非线性的影响，结果表明：在超 越雪荷载 1.6kn/m2 作用下( 建筑结构荷载规范 规定南京地区 100 年雪压为 0.75kn/m2，屋盖结构部分杆件进入屈服，整体结构不会 发生倒塌。 2 斗拱节点设计 本工程中，南北两排钢管混凝土柱与屋面网架采用钢斗拱的形式 进行连接。作为中国传统建筑的重要元素，斗拱设计突出表现了南 京这一六朝古都的深厚文化底蕴(图 27。而作为重要的受力节点， 屋面结构的竖向荷载、滑动支座水平摩擦力及大震下钢管混

21、凝土柱 的剪力效应均要通过钢斗拱进行传递，此处构造独特，传力复杂， 是结构设计难点、重点之一(图 21。 依据南京南站房工程超限审查报告 ，斗拱节点的性能设计标准 为：非地震荷载组合下，斗拱承受竖向重力、水平剪力(滑动支座 的水平摩擦力，此时节点须完全处于弹性工作状态，不允许材料 进入塑性；小震和中震荷载组合下，斗拱承受竖向重力(代表值、 水平摩擦剪力(小震和中震滑动支座有效，可自由滑动，节点处于 弹性工作状态；罕遇地震荷载组合下，斗拱承受竖向重力、水平地 震剪力，节点整体承载性能应处于线弹性阶段或刚度退化不明显 (可根据荷载位移曲线的切线模量变化进行判断，斗拱节点允 许部分区域进入塑性。 基于该处节点在结构受力体系中的重要性和复杂性，本工程中， 采用了有限元分析结合节点模型试验的方法对其进行设计。有