杭州東區(qū)大型鐵路樞紐結(jié)構(gòu)分析

杭州東區(qū)大型鐵路樞紐結(jié)構(gòu)分析

1地下主站層結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)杭州東湖是中國的鐵路樞紐，包括主要車站和車站的雨棚?？偨ㄖ娣e約26萬平方米。目前正在施工中，圖1顯示了該建筑物的立面（西側(cè)立面）的影響。主站房為高架式站房,最大平面尺寸:順軌向?yàn)?15.2m,垂直于軌道方向?yàn)?94.45m。地上2層,局部3層(有商業(yè)夾層),地下1層,其順軌向(南北向)剖面見圖2。地下層1為出站廳、聯(lián)系通道以及設(shè)備和商業(yè)用房,建筑地面標(biāo)高為-11.2m,頂面標(biāo)高為±0.0m,層高為11.2m。首層為站臺(tái)層,由線路、站臺(tái)等站場(chǎng)和線側(cè)站房組成,其頂面標(biāo)高為10.0m,層高為10.0m。層2為候車廳層,其屋面為圓弧形,最高點(diǎn)標(biāo)高為39.9m,最低點(diǎn)標(biāo)高為22.05m。層3為商業(yè)夾層,平面位于站房東、西側(cè),均呈U形布置,樓面標(biāo)高為18.3m。主站房中有國鐵、磁懸浮和地鐵結(jié)構(gòu),各部分在出站層通過底板相連,有些站房柱國鐵和地鐵結(jié)構(gòu)相連。除此之外,各部分的結(jié)構(gòu)均完全分開?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁,樁徑為1000mm和800mm,樁端持力層為中風(fēng)化安山玢巖層,有效樁長為50~60m。杭州東站為橋建合一結(jié)構(gòu),站臺(tái)層的站場(chǎng)橋梁結(jié)構(gòu)包括:國鐵正線橋梁,國鐵到發(fā)線的橋梁結(jié)構(gòu)和磁懸浮結(jié)構(gòu)。三部分之間均設(shè)縫分開,其中國鐵橋梁結(jié)構(gòu)由中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院有限公司(簡(jiǎn)稱鐵四院)設(shè)計(jì),而磁懸浮結(jié)構(gòu)則由鐵三院設(shè)計(jì),其余站房結(jié)構(gòu)由中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為100年,站房結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年,耐久性則為100年,為了提高站房結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限,在站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,部分荷載按文的要求做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,混凝土結(jié)構(gòu)按耐久性為100年進(jìn)行設(shè)計(jì),通過控制構(gòu)件應(yīng)力和提高維護(hù)要求等措施提高鋼結(jié)構(gòu)的使用年限和耐久性。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1,站房結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)在50年和100年之間。站房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,抗震設(shè)防類別為乙類建筑。2場(chǎng)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu),在站臺(tái)層以上,包括站臺(tái)層中的站場(chǎng)橋梁結(jié)構(gòu),采用鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或鋼骨混凝土結(jié)構(gòu);而在站臺(tái)層以下,包括站臺(tái)層的線側(cè)結(jié)構(gòu),除部分柱為鋼管混凝土柱外,其余均為(預(yù)應(yīng)力)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。2.1地鐵底板及地面地下分面墻組合該層地面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-11.7m,為站房、國鐵、地鐵和磁懸浮的交界面,各功能區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)要求不同,尤其是位于該層地面結(jié)構(gòu)以下的地鐵結(jié)構(gòu)布置及其基坑支護(hù)均較復(fù)雜,使站房出站廳層結(jié)構(gòu)布置變化較大。按受力狀況,本層結(jié)構(gòu)可分為以下三部分,見圖2。(1)地鐵頂板區(qū)域該區(qū)域內(nèi)出站層底板標(biāo)高和地鐵頂板面標(biāo)高相差為1m左右,底板無法也不必與地鐵結(jié)構(gòu)脫開。為此,將地鐵頂板四周的地下連續(xù)墻與出站層底板相連,底板與地鐵頂板之間填土壓實(shí)。底板厚250mm,采用構(gòu)造配筋。(2)其余區(qū)域(地鐵風(fēng)道區(qū)域除外)在該區(qū)域內(nèi),出站層底板與土直接接觸,大部分區(qū)域采用厚600mm底板+ue788800鉆孔灌注樁(抗拔樁)結(jié)構(gòu),并與上部結(jié)構(gòu)柱的樁基承臺(tái)相連。該部分底板結(jié)構(gòu)主要受水浮力的作用,所受地下水水頭高為10.15m,采用底板下均布抗拔樁結(jié)構(gòu)。(3)地鐵風(fēng)道區(qū)域該區(qū)域因無法設(shè)置底板抗拔樁,故底板與橋梁結(jié)構(gòu)樁基承臺(tái)相連,使樁基承臺(tái)成為底板抗浮支座。根據(jù)底板跨度不同,底板厚取800~1100mm不等。底板與地鐵側(cè)壁相連處設(shè)置施工后澆帶,以釋放混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的部分收縮應(yīng)力,同時(shí)部分消除地鐵結(jié)構(gòu)與主站房結(jié)構(gòu)之間差異沉降,并適當(dāng)加強(qiáng)此處的梁板截面尺寸和配筋,以克服使用階段站房與地鐵結(jié)構(gòu)之間由于可能存在的差異沉降引起的附加內(nèi)力的影響。2.2基礎(chǔ)層結(jié)構(gòu)2.2.1梁、梁、板、墻節(jié)點(diǎn)站臺(tái)層結(jié)構(gòu)按照使用功能的不同可分為以下四部分:國鐵正線橋梁、國鐵到發(fā)線橋梁、線側(cè)站房結(jié)構(gòu)和磁懸浮結(jié)構(gòu),各部分結(jié)構(gòu)選型如下:(1)國鐵正線采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋。(2)國鐵到發(fā)線橋梁結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱+雙向框架鋼骨梁框架結(jié)構(gòu),上部站房高架層的柱也為鋼管混凝土柱,與橋梁的鋼管混凝土柱直接相連。(3)線側(cè)站臺(tái)層結(jié)構(gòu)基本由兩部分組成:軸?~?區(qū)域和軸○S~○U區(qū)域,每部分平面尺寸基本均為246.4m×47.25m,主要柱網(wǎng)尺寸均為(10~14.7)m×(16~24.8)m,樓蓋不設(shè)縫。該層樓蓋結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力梁+普通混凝土板。框架梁和井字次梁均采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋;在縱向(順軌方向)板中部區(qū)域設(shè)置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋作為板中溫度筋,梁板中的預(yù)應(yīng)力提高了超長無縫結(jié)構(gòu)的抗裂性能,局部結(jié)構(gòu)布置見圖3。(4)預(yù)留磁懸浮結(jié)構(gòu)。2.2.2梁板內(nèi)變形對(duì)梁板穩(wěn)定性的影響國鐵、磁懸浮和站房結(jié)構(gòu)從荷載及其組合來看,設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均相差較大,結(jié)構(gòu)的水平和豎向變形要求各不相同,且樓蓋平面尺寸大,若不設(shè)縫,由溫度作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)水平變形均較大,難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)與磁懸浮結(jié)構(gòu)關(guān)于側(cè)向變形的要求。因此,主站房東、西側(cè)的線側(cè)站房均設(shè)防震縫與站場(chǎng)結(jié)構(gòu)脫開;在站場(chǎng)結(jié)構(gòu)中,國鐵正線與國鐵到發(fā)線、國鐵與磁懸浮之間結(jié)構(gòu)均設(shè)防震縫分開。2.2.3梁端節(jié)點(diǎn)做法鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱之間較常用的節(jié)點(diǎn)連接方式為環(huán)梁連接,文~介紹了節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理、抗震性能及構(gòu)造要求。對(duì)本工程站臺(tái)層而言,若采用此類型梁柱節(jié)點(diǎn),存在以下兩個(gè)問題:1)由于該節(jié)點(diǎn)位于室內(nèi)外交界處,室內(nèi)外高差為200mm,位于室外的環(huán)梁會(huì)高于室外樓面,影響室外的使用功能和外觀;2)與鋼管柱相連的預(yù)應(yīng)力梁的梁寬≥1000mm,鋼管柱直徑為1600mm,按照環(huán)梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造要求,環(huán)梁的直徑不小于3600mm,尺寸太大,不經(jīng)濟(jì)也不美觀。根據(jù)該類節(jié)點(diǎn)受力特性,工程中梁柱節(jié)點(diǎn)做法如下:預(yù)應(yīng)力混凝土梁梁端截面加寬并在梁內(nèi)設(shè)置H形鋼牛腿,在鋼管混凝土柱內(nèi)對(duì)應(yīng)于鋼牛腿翼緣板處設(shè)置橫隔板;梁中全部預(yù)應(yīng)力筋穿過鋼管柱或繞過鋼管柱,梁中部分普通鋼筋也穿過或繞過鋼管柱,其余普通鋼筋與鋼牛腿的翼緣板焊接連接;為了補(bǔ)強(qiáng)因開洞而削弱的鋼管柱,在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域,將鋼管柱的壁厚加厚,避免在洞口補(bǔ)強(qiáng)板焊接,并進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)承載力。該節(jié)點(diǎn)梁端彎矩在節(jié)點(diǎn)區(qū)域傳遞直接,梁端剪力傳遞途徑:1)鋼牛腿腹板傳遞部分梁端剪力至柱壁和柱內(nèi)混凝土上;2)在梁截面下部區(qū)域,將鋼筋水平焊在鋼管混凝土柱的鋼管上,將梁中混凝土所受剪力傳至柱上,預(yù)應(yīng)力梁中的壓應(yīng)力也有利于將梁端混凝土剪力傳至柱上,并防止梁柱結(jié)合面開裂;3)沿柱內(nèi)壁焊水平鋼筋作為抗剪筋,確保柱內(nèi)混凝土與柱壁之間剪力的傳遞,典型節(jié)點(diǎn)見圖4。該節(jié)點(diǎn)尺寸小、剛度大,具有良好的抗震性能。2.3高層建筑2.3.1順軌向柱間距高架層為旅客候車層,其最大平面尺寸為463.45m(垂直于軌道方向)和143.6m(順軌方向)。柱網(wǎng)尺寸,順軌向?yàn)?16+21.7×2+24.8+21.7×2+16(m);垂直于軌道方向?yàn)?27+25.55+21.5×2+43.06+21.5×4+43.06+21.5×2+46.55+32.22+31.26+22.75(m)。順軌向柱間距較均勻且均≤25m;垂直于軌道方向柱距變化大且大、小跨間隔布置。2.3.2鋼桁架樓蓋結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較(包括施工工期和設(shè)備布置要求),并經(jīng)專家論證,整個(gè)樓蓋結(jié)構(gòu)均采用鋼管混凝土柱+鋼桁架+鋼次梁+鋼筋混凝土板(壓型鋼板為模板)的結(jié)構(gòu)體系,鋼桁架上下弦桿的中心距為2.8m。弦桿采用箱形截面或倒置放置的H形截面,腹桿一般采用H形截面或箱形截面,在受力較小部位的腹桿采用圓鋼管以降低用鋼量。弦桿的寬度與腹桿截面高度相同,弦桿與腹桿之間采用焊接連接,以減小節(jié)點(diǎn)用鋼量。桁架上下弦桿高均為400mm,鋼桁架的凈空高度為2.4m,在桁架下弦平面內(nèi)布置高架層的設(shè)備用房及相應(yīng)的檢修馬道,桁架凈空滿足設(shè)備布置的要求。除樓梯間區(qū)域外,次桁架基本沿長跨方向單向布置(即沿垂直于軌道方向),間距約為5.1~7.3m。鋼桁架樓蓋結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):1)樓蓋自重較輕,地震作用較小,降低基礎(chǔ)造價(jià);2)鋼桁架結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)可以布置設(shè)備用房及檢修馬道,節(jié)約設(shè)備所占高架層樓面建筑面積;設(shè)備管道穿越方便、簡(jiǎn)單;3)梁柱連接節(jié)點(diǎn)受力直接、簡(jiǎn)單,抗震性能好;4)杭州東站在施工過程中存在既有鐵路線的運(yùn)營問題,包括既有線兩次轉(zhuǎn)場(chǎng)。采用鋼結(jié)構(gòu)施工工期短,對(duì)線路運(yùn)營影響小。框架柱采用圓鋼管混凝土柱以方便與高架層鋼桁架及下部站場(chǎng)層橋梁結(jié)構(gòu)鋼管混凝土柱的連接,同時(shí)鋼管混凝土柱承載力高、施工方便,局部平面布置見圖5。樓蓋鋼結(jié)構(gòu)材料基本采用Q345C或Q345GJC。2.3.3下有效段防縫分由于平面尺寸較大,為減小溫度作用所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,設(shè)置防震縫以減小結(jié)構(gòu)的單元平面尺寸。在順軌向:兩側(cè)的高架車道與候車廳之間設(shè)防震縫分開;在垂直于軌道方向,沿軸?和○N各設(shè)一道縫,縫設(shè)置于高架層樓面的柱軸線處,在柱頂縫兩側(cè)主桁架底分別設(shè)置滑動(dòng)支座,支座受力明確、經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)縫后,垂直于軌道方向的無縫結(jié)構(gòu)平面尺寸均小于160m,溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力得到較大幅度的降低。2.3.4桁架與柱的連接高架層以上屋蓋和商業(yè)夾層的柱均為斜倒錐形橢圓柱,柱在高架層樓面標(biāo)高處的典型柱截面如圖6所示。高架層下部基本為ue7881450的鋼管混凝土圓柱,上下柱截面相差較大,柱連接部位在高架層樓蓋上,桁架弦桿與柱剛接連接,連接節(jié)點(diǎn)較復(fù)雜。為了方便節(jié)點(diǎn)施工,確保節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量,在桁架與柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施:(1)在桁架高度范圍內(nèi)將柱由圓形變?yōu)闄E圓形,并在上弦桿上翼緣板處進(jìn)行上、下柱的對(duì)接,使柱對(duì)接處的連接板與桁架上弦桿上翼緣板直接連接,方便傳力并與弦桿其他部位的焊縫錯(cuò)開,見圖7。(2)將圖6中橢圓管的加勁板(實(shí)際為受力板)伸至桁架下弦桿底部,調(diào)整與柱連接桁架的弦桿和腹桿水平方向的寬度,使桁架的豎向節(jié)點(diǎn)板與上節(jié)柱加勁板在水平方向同寬,方便連接。(3)鑒于柱截面上大下小,且上節(jié)柱的柱底彎矩大,適當(dāng)加大桁架與柱節(jié)點(diǎn)板的水平長度,滿足框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱桿件”的抗震要求,見圖7。2.3.5框架桁架與鋼管混凝土柱連接部位設(shè)計(jì)在高架層樓蓋結(jié)構(gòu)中,最大柱距為46.55m,桁架上下弦中心距為2.8m;而在站房東、西區(qū)域設(shè)有消防車道,此處桁架跨度為27m左右,桁架上下弦中心距為2.65m。在跨度為43.06,46.55m的大跨度框架桁架以及消防通道的框架桁架與鋼管混凝土柱連接部位,采用實(shí)腹截面,見圖8剖面中的陰影部分,以提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪承載力以及樓蓋豎向剛度和豎向舒適度。實(shí)腹桁架的腹板穿越鋼管柱并與鋼管柱全熔透焊接連接,以確保節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。2.3.6柱、柱、下柱、面高架層樓蓋用鋼量為218kg/m2(含節(jié)點(diǎn)用量),鑒于垂直于軌道方向跨度>30m的柱距較多,而且站房東、西側(cè)均設(shè)有消防車道,荷載大,樓蓋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍為良好。2.4內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)2.4.1順軌向和底部夾層柱距商業(yè)夾層位于站房東西兩側(cè),平面呈U形,兩個(gè)平面尺寸接近,約為152.24m(順軌向)×114.2m(垂直于軌道方向)。柱距尺寸也接近,東側(cè)夾層的柱距:順軌向:38.262+21.7+24.8+21.7+38.262(m);垂直于軌道方向:46.55+32.22+31.26(m)。2.4.2夾層結(jié)構(gòu)選型樓面標(biāo)高為18.3m,與高架層樓面之間高差(即商業(yè)夾層層高)為8.3m。根據(jù)建筑造型要求,高架層以上的柱均為斜柱,往南北兩個(gè)方向分別傾斜約19°,商業(yè)夾層樓蓋結(jié)構(gòu)與斜柱相連。從柱網(wǎng)尺寸及樓蓋經(jīng)濟(jì)性考慮,樓蓋采用鋼桁架+鋼次梁+混凝土樓板結(jié)構(gòu)較經(jīng)濟(jì)合理。在初步設(shè)計(jì)階段采用此方案進(jìn)行設(shè)計(jì),樓蓋結(jié)構(gòu)用鋼量大約為230kg/m2,比較經(jīng)濟(jì),但結(jié)構(gòu)高度為4.3m左右,對(duì)高架層室內(nèi)效果影響較大。經(jīng)協(xié)商,最終樓蓋結(jié)構(gòu)高度如下:U形平面周邊梁高2.5m,夾層下吊頂平周邊梁底,其余梁的結(jié)構(gòu)高度為1.85m,梁上混凝土樓板厚100mm。根據(jù)梁高和柱距,樓蓋結(jié)構(gòu)采用實(shí)腹鋼梁(次梁為蜂窩梁)+鋼管柱結(jié)構(gòu),空調(diào)管道布置在1.85m高的梁下,并在2.5m高的周邊框架梁腹板上設(shè)孔穿過。樓蓋結(jié)構(gòu)選型和布置的難點(diǎn)是使樓蓋結(jié)構(gòu)具有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和控制樓蓋豎向舒適度。柱網(wǎng)尺寸為46.55m×38.262m區(qū)域樓蓋結(jié)構(gòu)最具代表性,該區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹如下:經(jīng)過多次分析比較,該區(qū)域內(nèi)框架梁采用翼緣板外挑的箱形截面,材料采用Q420GJC,次梁采用雙向井字梁布置方式,次梁截面為H1850×300×14×(20~30),為蜂窩梁,材料為Q345C,井字次梁雙向間距為3~5m,次梁相交處為剛接,次梁與箱形框架梁同樣剛接連接,以提高樓蓋的豎向剛度,樓板采用100mm厚的鋼筋混凝土平板以減小樓蓋結(jié)構(gòu)高度,采用閉合形壓型鋼板作模板。樓蓋的局部結(jié)構(gòu)布置見圖9。夾層樓蓋結(jié)構(gòu)施工圖檢算用鋼量為296kg/m2(含節(jié)點(diǎn)用量)。實(shí)腹鋼梁截面較高,為了減少結(jié)構(gòu)用鋼量,腹板壁厚較薄,為保證腹板的局部穩(wěn)定性,梁高為1850mm的次梁和2500mm的框架梁均設(shè)置兩道縱向加勁肋,加勁肋設(shè)置于靠近梁翼緣的區(qū)域(腹板在該高度范圍內(nèi)受壓)并在與其他梁相連處設(shè)置橫隔板(兼作連接板),梁高為1850mm的框架梁,由于腹板較厚,僅設(shè)置一道縱向加勁肋,見圖9。所有加勁肋的剛度均滿足文的要求。在夾層結(jié)構(gòu)選型時(shí),由于商業(yè)夾層與高架層柱距相同,且下部高架層鋼桁架的中心距為2.8m,高跨比為1/16.6,豎向剛度也較弱。分析表明,若采用在下部高架層鋼桁架上設(shè)置梁上柱減小商業(yè)夾層梁跨度的結(jié)構(gòu)布置方案,則該區(qū)域高架層的承載力和豎向剛度均難以滿足設(shè)計(jì)要求且經(jīng)濟(jì)性較差。由于梁高跨比較小,雖然采用井字梁樓蓋,樓蓋豎向剛度仍偏小,分析表明,夾層樓蓋的最小豎向振動(dòng)頻率為2.0Hz,難以靠結(jié)構(gòu)消能減振等較經(jīng)濟(jì)的方法解決樓蓋豎向舒適度問題。為此,在夾層結(jié)構(gòu)施工完成后,夾層大跨度樓蓋區(qū)域在高架層設(shè)有墻體的適當(dāng)部位設(shè)置小截面鋼柱,將夾層與下部高架層樓蓋連接起來,通過借助高架層的剛度來提高夾層的自振頻率,鋼柱與夾層及高架層鉸接連接。采用該方法后,夾層樓蓋最小豎向振動(dòng)頻率2.44Hz,可以通過采用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(簡(jiǎn)稱TMD)進(jìn)行結(jié)構(gòu)消能減振,使樓蓋的豎向舒適度滿足設(shè)計(jì)要求。阻尼器的設(shè)置將在夾層結(jié)構(gòu)施工完成并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)后進(jìn)行。2.5屋頂結(jié)構(gòu)2.5.1下兩種軌道方向柱距:順軌方向:35~84~111m;垂直于軌道方向:25.55~43~68.55m;屋蓋平面尺寸:285m(順軌向)×516m(垂直于軌道方向)。2.5.2光照頂及屋頂結(jié)構(gòu)(1)屋蓋結(jié)構(gòu)的柱均為傾斜度不一的鋼管柱或鋼管格構(gòu)柱。柱截面均為上大下小且形狀復(fù)雜,柱無支長度長。屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大,柱受力較復(fù)雜。(2)屋蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸和柱距均較大,并在東、西兩側(cè)柱距最大部位設(shè)置橢圓形的采光頂,其長、短軸尺寸分別為52.5,18.55m。根據(jù)采光要求,采光頂結(jié)構(gòu)不同于屋蓋結(jié)構(gòu),屋蓋結(jié)構(gòu)在采光頂處傳力連續(xù)性較差;另外,采光頂為下凹區(qū)域,需要考慮3kN/m2的積水荷載,活載較大。在南、北側(cè),每側(cè)有8個(gè)直徑為7.1m的小采光頂,采光頂及周邊區(qū)域?yàn)楫愋蜗掳紖^(qū),其最大平面尺寸為28m×42.9m,該區(qū)域結(jié)構(gòu)布置和傳力也較復(fù)雜。(3)在屋蓋高度方向,建筑造型極其復(fù)雜,尤其是屋蓋吊頂,均為不規(guī)則曲面。(4)屋蓋荷載較大。恒載:除屋面板外,屋蓋上布置有大量的太陽能板,太陽能板(包括支撐支架)的自重為18kg/m2;活載:采光頂下凹區(qū)需考慮積水荷載或積雪荷載,室外屋蓋風(fēng)載也較大。(5)溫度作用大,平面尺寸很大的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,溫度作用為主要作用之一。(6)異形鋼管柱和鋼管格構(gòu)柱形狀復(fù)雜,找形困難。鋼管柱用分段變截面橢圓鋼管擬合;鋼管格構(gòu)柱所有節(jié)點(diǎn)采用三維坐標(biāo)定位,柱的結(jié)構(gòu)外形與建筑外形基本吻合,使建筑外表皮易實(shí)施,確保建筑外形與設(shè)計(jì)完全吻合和提高建筑的耐久性。2.5.3柱、柱與鋼桁架節(jié)點(diǎn)的連接根據(jù)上述特點(diǎn),為保證結(jié)構(gòu)具有良好的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性和施工可行性,結(jié)合屋蓋外形、斜柱、屋蓋采光和室內(nèi)裝飾等要求,屋蓋結(jié)構(gòu)選用斜鋼管柱(或斜鋼管格構(gòu)柱)+雙向鋼管桁架框架結(jié)構(gòu),框架鋼管桁架為矩形截面空間桁架,次桁架則一般為平面鋼管桁架,鋼管桁架腹桿與弦桿采用相貫焊。(1)屋蓋柱平面布置沿順軌方向:站房東、西側(cè)均設(shè)置4根巨大的斜鋼管格構(gòu)柱,格構(gòu)柱與鋼管桁架剛接連接;其余部位沿軸線(順軌向)每榀框架均設(shè)有6根橢圓形的實(shí)腹鋼管柱,其中中間部位4根柱與高架層樓面(有的還與商業(yè)夾層樓面)結(jié)構(gòu)相連;而端部2根柱直接與軌道下的基礎(chǔ)相連。(2)屋蓋柱截面柱截面沿柱高變化與建筑外形基本吻合。無論是實(shí)腹鋼管柱還是鋼管格構(gòu)柱,截面均為異形且上大下小。屋蓋柱的相關(guān)參數(shù)見表1。典型柱如圖10所示。GKZ1和GKZ2在高架層樓面與高架層柱剛接連接,見圖7,在柱底和柱頂之間柱截面尺寸有變化但不大;GKZ3~5截面變化很大,其中GKZ3的柱底位于站臺(tái)層股道間的基礎(chǔ)面,柱頂與屋蓋相連,該斜柱傾斜度和無支長度大,再加上軌間尺寸限制,柱底段必須采用實(shí)腹構(gòu)件;在鐵路界限外的柱上部區(qū)域,柱截面大,采用格構(gòu)柱可以節(jié)約用鋼量(在初步設(shè)計(jì)階段曾用此方案),但由于柱截面不規(guī)則、變化又劇烈,斜柱受力復(fù)雜,格構(gòu)柱與實(shí)腹柱連接處傳力和構(gòu)造均很復(fù)雜,裝飾難以滿足建筑外形的要求。綜合考慮上述因素,GKZ3全高采用實(shí)腹柱。GKZ4和GKZ5則采用鋼管格構(gòu)柱。(3)屋蓋結(jié)構(gòu)布置沿順軌方向:屋蓋結(jié)構(gòu)高度為4.5~7m變化。東西兩側(cè)最大跨度為111m,且屋蓋結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化,活載又較大。為此,充分利用格構(gòu)柱截面尺寸大和柱頂建筑形態(tài),加大柱頂與屋蓋桁架連接范圍,使柱頂與屋蓋結(jié)構(gòu)連接部位形成較好的空間作用,減小屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度,提高其安全性和經(jīng)濟(jì)性,見圖11。在其余部位,實(shí)腹鋼管柱與鋼桁架剛接連接。次桁架基本平行于該方向布置,在桁架平面外設(shè)置水平支撐相互連接。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)高度從跨中區(qū)域的3.5~4.4m逐漸變?yōu)閮蓚?cè)端部的7m左右。沿垂直軌道方向:在柱頂處設(shè)置框架桁架,并支承順軌向的次桁架,屋蓋結(jié)構(gòu)整體為雙向框架桁架結(jié)構(gòu)。屋蓋平面東、西側(cè)大采光頂:采用弧形單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu);在南北兩側(cè)小采光頂,采用桁架變高度形成建筑所需的下凹區(qū)域。圖12為屋蓋結(jié)構(gòu)空間線框圖。由于柱的剛度遠(yuǎn)大于與之相連的鋼管桁架,且為斜柱,根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和剛度要求,柱底與基礎(chǔ)或樓蓋柱剛接連接。2.5.4空間桁架的設(shè)置(1)結(jié)構(gòu)體系明確,同時(shí)與建筑外形合理擬合。利用屋蓋結(jié)構(gòu)的高度和空間作用,使屋蓋結(jié)構(gòu)受力合理、傳力直接、明確,具有良好的經(jīng)濟(jì)性;屋蓋結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜,且平面尺寸大,采用結(jié)構(gòu)擬合方法,使裝飾構(gòu)件數(shù)量和尺寸均較小,方便施工,達(dá)到所需建筑形態(tài)和效果;提高裝飾構(gòu)件的安全性和經(jīng)濟(jì)性。(2)在軸?和○P處設(shè)置平行于順軌向的防震縫,將大屋蓋分成3個(gè)獨(dú)立的單元,以降低溫度作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力并有利于結(jié)構(gòu)抗震。屋蓋單元的平面投影尺寸分別為284.7m(順軌向)×(174,172,168)m(垂直于軌道向)。縫均位于屋蓋柱頂處,能減小縫兩側(cè)的豎向變形和差異變形,縫設(shè)置簡(jiǎn)單并有利于降低屋蓋滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。(3)雙向框架鋼管桁架為兩榀間距為5m左右的平面鋼管桁架通過支撐連接形成箱形截面格構(gòu)式空間桁架,雙向桁架與橢圓形柱剛接連接,見圖13。由于柱位于雙向空間桁架的中間,為確保桁架與柱之間的剛接作用,柱頂設(shè)置斜向支承桁架與雙向空間桁架相連。斜向支承桁架按空腹桁架(即無斜腹桿)分析計(jì)算,確定支承桁架的上下弦桿截面,上下弦桿穿越柱截面并與柱焊接連接。為進(jìn)一步增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力,另增設(shè)斜腹桿并通過計(jì)算確定斜腹桿截面尺寸。(4)屋蓋雙向桁架相貫節(jié)點(diǎn)和格構(gòu)柱多平面鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的承載力通過參照歐洲規(guī)范、進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力分析,根據(jù)分析結(jié)果,在節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用加厚管壁、設(shè)置橫隔板或插板等措施對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)。2.5.5構(gòu)、檢修馬道、屋蓋柱及柱腳根據(jù)施工圖檢算,屋蓋用鋼量(包括屋蓋結(jié)構(gòu)、檢修馬道、屋蓋主檁和吊頂檁條)及節(jié)點(diǎn)用鋼量為100.5kg/m2,屋蓋柱(含柱節(jié)點(diǎn)和柱腳)為49.5kg/m2。3結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的分析和計(jì)算3.1分析計(jì)算程序整體結(jié)構(gòu)采用SAP2000(version11)程序及MIDAS/Gen(version7.12)和MIDAS/Civil2006V7.41程序進(jìn)行分析計(jì)算,其中MIDAS/Civil2006V7.41主要用于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算結(jié)果,站臺(tái)層以上站房結(jié)構(gòu)基本嵌固于站臺(tái)層,雖然工程位于抗震設(shè)防烈度為6度的地區(qū),屬于低烈度區(qū),由于屋蓋結(jié)構(gòu)形式新穎復(fù)雜,采用ANSYS軟件對(duì)站臺(tái)層以上站房結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,以進(jìn)一步了解整體結(jié)構(gòu)、尤其是屋蓋結(jié)構(gòu)的抗震性能。3.2地下主導(dǎo)地位模型SAP2000整體三維視圖見圖14。為考慮承臺(tái)(包括地下墻體)基樁協(xié)同工作和土的彈性抗力作用,模型將地下墻體、樁及承臺(tái)(包括地鐵結(jié)構(gòu))一并進(jìn)行整體建模分析計(jì)算,以真實(shí)地反映整體結(jié)構(gòu)受力。建模由中南建筑設(shè)計(jì)院與鐵四院共同完成。3.3主要風(fēng)壓、雪壓、溫度作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限(耐久性)為100年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。主站房建筑抗震設(shè)防類別為乙類建筑,按設(shè)防烈度6度進(jìn)行抗震計(jì)算,按設(shè)防烈度7度采取抗震措施。(1)垂直活載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)(2006年版)確定。(2)基本風(fēng)壓:0.50kN/m2(按100年一遇);地面粗糙度為B類,風(fēng)載根據(jù)浙江大學(xué)提供的風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告確定。(3)基本雪壓:0.45kN/m2(按100年一遇)。(4)抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。(5)溫度作用:根據(jù)杭州市的氣候狀況,考慮結(jié)構(gòu)合攏環(huán)境溫度為15~25℃,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溫度作用取值如下:1)主站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和站臺(tái)雨棚:正溫度差ΔT=30℃,負(fù)溫度差ΔT=-30℃;2)主站房高架層鋼結(jié)構(gòu):正溫度差ΔT=25℃,負(fù)溫度差ΔT=-30℃;3)主站房高架層混凝土樓板:正溫度差ΔT=15℃,負(fù)溫度差ΔT=-15℃;4)站臺(tái)層混凝土結(jié)構(gòu):室內(nèi):正溫度差ΔT=10℃,負(fù)溫度差ΔT=-10℃,室外:ΔT=±15℃。3.4載荷組合站房荷載和組合按建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范執(zhí)行;站場(chǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的荷載與組合則按鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范和規(guī)定進(jìn)行。3.5各市房計(jì)算結(jié)果結(jié)構(gòu)分縫后,主站房在結(jié)構(gòu)上可分為3部分:東站房、中間站房和西站房,東、西站房基本相同,各部分計(jì)算結(jié)果如表2~4所示,表中計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范的要求,X向和Y向分別表示順軌向和垂直于軌道方向。3.6結(jié)構(gòu)特殊分析3.6.1風(fēng)洞試驗(yàn)成果浙江大學(xué)對(duì)杭州東站站房和站臺(tái)雨棚整體模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)致振動(dòng)力響應(yīng)分析。風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù):地貌粗糙度系數(shù)為0.16,模型縮尺比例為1∶250,鑒于主站房屋蓋和站臺(tái)雨棚平面尺寸大,利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,在主站房四分之一屋蓋、單個(gè)站臺(tái)雨棚屋面和二分之一幕墻密布風(fēng)壓測(cè)點(diǎn),其余區(qū)域在關(guān)鍵部位布置測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)數(shù)量:主站房屋蓋為675個(gè);站臺(tái)雨棚屋蓋386個(gè);幕墻58個(gè)。風(fēng)向角為24個(gè),其中0°風(fēng)向角從西指向東,沿逆時(shí)針方向每隔15°取一個(gè)風(fēng)向角。風(fēng)洞試驗(yàn)主要結(jié)論如下:(1)具有99.7%的保證率、不考慮風(fēng)振系數(shù)的屋蓋極值風(fēng)壓在全風(fēng)向角下的分布規(guī)律如下:(1)屋蓋區(qū)域均受正風(fēng)壓(風(fēng)壓)和負(fù)風(fēng)壓(風(fēng)吸)的風(fēng)載作用。(2)極值正壓(風(fēng)壓)分布特點(diǎn):位于站房中間區(qū)域高架層幕墻圍合區(qū)域內(nèi)屋蓋的風(fēng)壓值為0~0.11kN/m2;而周邊開敞的屋蓋的風(fēng)壓值為0.12~0.88kN/m2不等,最大風(fēng)壓位于屋蓋角部、邊部和南北方向采光天窗內(nèi)(角部最大為0.57kN/m2;南北方向采光天窗區(qū)域?yàn)?.50~0.88kN/m2)。(3)極值負(fù)壓(風(fēng)吸)分布特點(diǎn):站房中間區(qū)域位于高架層幕墻圍合區(qū)域內(nèi)的屋蓋的風(fēng)吸為-0.43~-0.74kN/m2,比較均勻;而周邊開敞的屋蓋的風(fēng)吸值為-0.49~-2.34kN/m2不等,最大風(fēng)壓位于邊部。邊(角)部風(fēng)吸均較大,其絕對(duì)值大部分大于1.0kN/m2;南北方向采光天窗內(nèi)大部分為-0.76~-1.91kN/m2,相對(duì)較大。(4)屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)吸大于風(fēng)壓,大部分區(qū)域風(fēng)吸為風(fēng)壓的數(shù)倍。(2)站房整體屋蓋風(fēng)振系數(shù)在1.4~1.8之間。(3)考慮風(fēng)振系數(shù)后屋蓋風(fēng)荷載特點(diǎn):在0°和180°風(fēng)向角下雖然風(fēng)荷載較小,但不同部位風(fēng)載正負(fù)反向較多;在90°和270°風(fēng)向角下風(fēng)載普遍較大。3.6.2跨樓蓋豎向剛度難以滿足豎向舒適性的要求根據(jù)計(jì)算結(jié)果,跨度為46.55m的高架層樓蓋和商業(yè)夾層樓蓋的最低豎向振動(dòng)頻率分別為2.35,2.44Hz,根據(jù)長沙南站49m跨樓蓋(其最低豎向振動(dòng)頻率為2.24Hz)舒適度分析和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,可以推斷杭州東站該跨樓蓋豎向剛度難以滿足豎向舒適度的要求。擬在樓蓋結(jié)構(gòu)施工完成后,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)檢測(cè),并采用TMD減振,使樓蓋舒適度滿足設(shè)計(jì)要求。3.6.3柱內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算(1)與高架層相連的GKZ1和GKZ2,截面沿高度方向?yàn)橄滦∩洗?變化較均勻,見表1。整體結(jié)構(gòu)建模時(shí)考慮柱截面的變化,按等剛度的原則將橢圓形模擬為變截面圓鋼管柱,并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修正。與大跨度商業(yè)夾層相連的GKZ2在高架層與商業(yè)夾層高度范圍內(nèi)的柱內(nèi)力為其設(shè)計(jì)的控制內(nèi)力,由于柱為變截面,參照文進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算,有效截面取全截面,計(jì)算長度系數(shù)則分別按文有側(cè)移框架的層剛度法和文中附錄確定,并取大者。采用層剛度法可以考慮柱截面變化對(duì)柱計(jì)算長度的影響。柱內(nèi)力為N=25260kN,Mx=21374kN·m,My=33850kN·m由于柱內(nèi)彎矩很大,柱整體穩(wěn)定計(jì)算主要由雙向彎矩控制,軸力只占20%多,因此,柱計(jì)算長度系數(shù)對(duì)柱整體穩(wěn)定影響較小。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為255MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。柱局部穩(wěn)定:現(xiàn)行規(guī)范無橢圓形柱的柱壁板局部穩(wěn)定的計(jì)算和構(gòu)造要求,柱具有截面尺寸大處受力較小,而截面尺寸小處受力大的特點(diǎn),截面受力不均勻,考慮加勁肋的作用和加勁肋內(nèi)柱板以縱向應(yīng)力為主的特點(diǎn)(柱內(nèi)剪應(yīng)力很小),柱板局部穩(wěn)定以四邊簡(jiǎn)支單向受壓模型進(jìn)行計(jì)算(偏于安全)。受力較小商業(yè)夾層樓蓋標(biāo)高以上的柱截面,其壁厚為40mm,在柱截面內(nèi)設(shè)置4塊30×400(寬)的縱向加勁肋,沿柱高按2664~3600mm的間距設(shè)置30×400(寬)的橫向加勁肋,縱橫加勁肋在相交處焊接連接,加勁肋間最大柱板最大尺寸位于柱與屋蓋連接處,其展開尺寸為2250×3600,柱最大應(yīng)力為80MPa(軸壓),四邊簡(jiǎn)支板單向受壓的臨界應(yīng)力,遠(yuǎn)大于柱中應(yīng)力,柱板件局部穩(wěn)定性滿足要求。商業(yè)夾層以下,t=50mm,b≤2500mm,按2500mm計(jì),σcr=296MPa,穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為255MPa,局部穩(wěn)定同樣滿足要求。(2)GKZ3為由軌間基礎(chǔ)直接與屋蓋相連的橢圓形變截面斜柱,該柱特點(diǎn)如下:柱頂和柱底截面變化較大;柱傾斜度為30°;與樓蓋結(jié)構(gòu)無連接,柱無支長度為32.67m;柱身壁厚由底部的40mm逐漸變?yōu)橹敳康?5mm,見表1。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)等效剛度的原則確定等效截面,柱底為剛接,根據(jù)計(jì)算荷載工況作用下柱頂位移確定柱頂水平兩個(gè)方向的彈簧剛度,用彈簧作為柱頂約束。對(duì)柱進(jìn)行特征值屈曲分析,求得柱X和Y方向計(jì)算長度系數(shù),再進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算,整體穩(wěn)定計(jì)算最大值為278.64MPa<360MPa,滿足要求。柱局部穩(wěn)定:柱上部同樣設(shè)置縱橫隔板,縱向加勁肋為400×30(20)(共10塊),橫向加勁肋為600×30,間距為4000~4500mm。屋頂處柱壁厚為25mm,b=2000mm,σcr=116MPa,而柱穩(wěn)定驗(yàn)算為49.36MPa,滿足局部穩(wěn)定的要求。3.6.4節(jié)點(diǎn)區(qū)域變形(1)鋼管格構(gòu)柱GKZ4和GKZ5中節(jié)點(diǎn)具有桿件數(shù)量多,節(jié)點(diǎn)桿件內(nèi)力大等特點(diǎn),比較有代表性的節(jié)點(diǎn)為GKZ4中的空間KT形的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)處弦桿為折線形,見圖15),該節(jié)點(diǎn)受力大而復(fù)雜,國內(nèi)外規(guī)范和規(guī)程中沒有相關(guān)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法,請(qǐng)有關(guān)單位采用ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體模型的有限元應(yīng)力分析。主弦桿為ue788700×35的鋼管,在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置3塊厚25mm的橫向加勁板作為節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)措施。從圖15中可以看出,節(jié)點(diǎn)局部區(qū)域屈服,但面積很小,其余區(qū)域最大應(yīng)力在300MPa以內(nèi),節(jié)點(diǎn)整體處于彈性受力范圍;3塊節(jié)點(diǎn)加勁肋起到了節(jié)點(diǎn)處支管支座的作用,提高了主管在節(jié)點(diǎn)區(qū)域的剛度,增加了節(jié)點(diǎn)傳力的均勻性,從而提高了節(jié)點(diǎn)承載力,節(jié)點(diǎn)承載力完全滿足設(shè)計(jì)要求。(