傅慧敏， 郭青驊， 卜龍瑰， 王 永， 劉發(fā)軍， 郭振勇， 馬瑜杰， 李喜慶

(1 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

新建京張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。

圖1 清河站鳥瞰圖

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)，地上部分采用鋼結(jié)構(gòu)。以①，⑧軸為界在地下一層頂板及以上設(shè)兩道150mm寬防震縫。結(jié)構(gòu)分為三個單元：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)。

圖2 各層建筑平面示意圖及建成后建筑南立面

圖3 結(jié)構(gòu)單元劃分示意圖

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 結(jié)構(gòu)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)防烈度為8度；基本地震加速度值為0.20g；設(shè)計(jì)地震分組為第二組；建筑場地類別為Ⅲ類；場地特征周期為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)為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》(DB 11/995—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。

注：圖中未說明數(shù)值為鉆孔深度，m。圖4 典型地質(zhì)剖面

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。

各結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 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。

結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo) 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，順軌向桁架跨度為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。

圖5 A區(qū)主站房剖面

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，地上為多個獨(dú)立結(jié)構(gòu)，B1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，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。

圖6 B區(qū)高架落客平臺處剖面

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，18m(順軌向)×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。

圖7 C區(qū)站臺雨棚剖面

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MIDAS Gen(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進(jìn)行建橋合一結(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》(TB 10621—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》(GB 50007—2011)相關(guān)要求，按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—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細(xì)砂層存在中等液化，地下一層基礎(chǔ)底板位于③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，地下一層樁長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》(JGJ 94—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》(GB 50909—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?？紤]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：

圖8 結(jié)構(gòu)+基礎(chǔ)+地基整體模型圖

(1)地下結(jié)構(gòu)在E3(重現(xiàn)周期為2450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，且損傷程度較小，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，地下二層為660m×(80～140)m，地下一層南北兩側(cè)兩塊均約為240m×(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MIDAS Gen(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。

華為公司的名字來自于“心系中華，有所作為”。雖然是任正非先生隨便選取的名字，但是正是名字來源于這句話，給華為塑造了一個愛國的形象，吸引了越來越多的消費(fèi)群體。品牌命名若是加入情感，也會帶來意想不到的結(jié)果。1993年7月建立的潤之酒家取名就充滿命名的藝術(shù)性，采用我們開國領(lǐng)袖毛澤東的字，使得這家店一開張就得到意想不到的關(guān)注。單看酒店名字便會讓人覺得這個品牌充滿感情，也會在潛意識里認(rèn)為這個酒店用這個名字命名，定是個值得信任的酒店。潤之酒店的命名體現(xiàn)了民族名義。就像消費(fèi)者會對華為公司，娃哈哈有一定信任的原因，在遇到選擇時會偏向于這些更富有情感的品牌。這說明企業(yè)品牌的命名應(yīng)該考慮情感因素。

(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-9.6m以下,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，地下二層的合攏時間為3月，合攏溫度取5～10℃；地下一層的合攏時間為4月，合攏溫度取10～15℃。

3)混凝土收縮當(dāng)量溫差

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℃；地下一層為-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。

圖9 B區(qū)地下二層頂板的應(yīng)力云圖/MPa

5.3 A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，建立三維整體模型，如圖10所示，通過大震動力彈塑性時程分析，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。

圖10 三維模型圖

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：

圖11 模型基礎(chǔ)約束圖

(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?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?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?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。

圖12 直柱與橋墩柱交接處加強(qiáng)措施

(4)?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

車致振動舒適度采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070-88)[8]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?？紤]到辦公及商業(yè)在夜間時段(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)的激勵時程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力時程分析[9]。采用ANSYS軟件分析計(jì)算。計(jì)算包括三個工況：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，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，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)橫軌向次梁高度從550mm加高至600mm，樓板厚度從150mm增加至180mm。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)。

5.4 B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)以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)以滿足地下一層車庫布柱要求。轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖13所示。

圖13 鋼管混凝土柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

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》(JGJ 3—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，可采用拆除構(gòu)件方法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)?！?/p>

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柱兩肢同時破壞、邊跨中部Y柱兩肢同時破壞、邊跨后部直柱破壞、中間跨前部A柱兩肢同時破壞、中間跨中部Y柱兩肢同時破壞、中間跨后部直柱破壞。分析擬選損傷關(guān)鍵構(gòu)件示意見圖14。

圖14 分析擬選損傷關(guān)鍵構(gòu)件示意圖

通過計(jì)算豎向荷載(1.0恒荷載+0.5活荷載+0.2風(fēng)荷載)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，刪除欲拆除的構(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。

圖15 拆除邊跨A柱的變形云圖/dm

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的幾何縮尺比例建立剛性模型(圖16)并對其進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)[11]，測點(diǎn)數(shù)量為1 142個，其中雙面測點(diǎn)406個；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)。

圖16 清河站房1∶200縮尺模型

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)荷載作用，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)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)、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Solid 95,截面采用Mpc 184單元進(jìn)行截面耦合從而施加荷載。

5.6.1 Y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)度為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=206 000N/mm2，EC=687N/mm2，泊松比ν=0.3。從整體計(jì)算模型中提取各個桿件對應(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。

圖17 Y柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖/(N/mm2)

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。

圖18 轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖/(N/mm2)

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)。因高鐵線路限界要求，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸受限，采用鋼筋混凝土框架結(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)用鋼量少的明顯優(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)的鋼結(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)的地下室外墻、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。A區(qū)主站房典型監(jiān)測元件布置見圖19。

圖19 A區(qū)主站房監(jiān)測元件布置示意圖

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

通過對京張高鐵清河站開展的各項(xiàng)研究，對樞紐型站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)如下：

(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)對于非規(guī)則型斷面的地下結(jié)構(gòu)，應(yīng)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)行全過程時程分析，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，做到對結(jié)構(gòu)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。

致謝：在設(shè)計(jì)過程中，中國建筑科學(xué)研究院有限公司建研科技股份有限公司及其建筑抗風(fēng)研究所承擔(dān)了部分專項(xiàng)分析及風(fēng)洞試驗(yàn)，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院承擔(dān)了設(shè)計(jì)咨詢工作，在此表示衷心感謝！