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来源 网络 作者:田承昊 董城 刘明 郑健 史月珍 发布于 2012/12/31 16:57:56 评论(0) 有3169人阅读

1 工程概况 


北京铁路南站是按照世界一流标准设计和建设的大型现代化客运车站[1],见图1。根据建筑布局和功能需求,中央站房从上至下共分为3部分:站厅层及其上部大跨度钢屋盖、轨道层结构及地下结构。屋盖平面呈椭圆形,椭圆长轴350m、短轴190m,屋面结构最高高度为30m;基本柱网横向为3跨,最大跨度为40.5m+67.5m+40.50m,两侧各悬挑19m;纵向柱距为20.6m,共17榀横向刚架。地上1层的站厅结构采用框架结构,框架柱为矩形钢管混凝土柱,框架梁为H 型钢梁及钢箱梁,其最大跨度为40.5m。结构沿长轴方向设置两道变形缝,3部分结构的中间部分平面呈鼓形,两侧部分呈半圆形。地上2层的屋盖结构为空间钢结构体系,其平面呈椭圆形,主受力刚架采用两边跨的钢管桁架与中间跨的实腹式箱梁相结合的构成方式;屋盖结构由双肢缀条格构柱支承,分肢采用焊接组合H型钢构件,缀条采用等边角钢,与地上1层结构对应,屋盖钢结构通过设变形缝分割为相互独立的3个区域,即1、2、3区。站房屋盖为双曲面,纵向柱顶及刚架跨中位置设置次桁架梁及实腹箱梁,作为纵向联系,悬挑桁架端部设置封边次桁架梁及实腹箱梁。




建筑形态、结构性质、荷载性质、功能特殊要求是北京南站中央站房需要解决的技术难题,具体表现在两方面:大跨度屋盖结构体系选型;站厅结构多振源振动控制与舒适度评价。


2 屋盖结构体系选型 


受地域文化和周边建设条件的影响,车站造型设计的整体构思起源于椭圆形态的保留和天坛概念的引申。天坛采用三重檐的圆形平面建筑形式,北京南站的屋面造型,承载着整个建筑设计的理念。因此,屋盖结构形式的选取至关重要,不仅要便于实现建筑造型,更要保证结构的安全性。由于建筑采光要求,屋盖顶部沿长轴为采光带,且必须满足简洁的建筑要求。用来解决大跨度结构的张弦结构体系、网壳、索穹顶等都无法较好满足屋盖的建筑造型与功能的要求。通过比选多个方案,最终确定采用实腹梁与桁架结合的屋盖形式(图2)。




2.1 实腹拱梁方案
屋面结构采用实腹式钢箱梁,下承实腹式柱,能较好地实现建筑对屋盖简洁、透光性好的要求。按照此方案设计,支座处梁截面高度2.5m,跨中梁截面高度2.0m;中柱列柱截面宽度0.8m、高度0.8~1.0m,边柱列柱截面宽度0.6m、高度0.8~1.0m。经计算,结构用钢量为140kg/m,用钢量较大,经济性不佳。
2.2 桁架式方案
屋面结构及其下部柱采用格构柱与桁架梁组成,桁架主梁宽2.0m;支座处桁架梁截面最大高度4.8m,跨中桁架梁截面最大高度3.3m,中列格构柱宽1.8m、高度1.5~4.0m,边列格构柱宽1.6m、高度为1.0~2.4m。经计算,结构用钢量为90kg/m,较为经济,但因桁架较宽,影响了透光面积。
2.3 实腹梁与桁架结合方案
北京南站的高架站厅内部呈大空间,屋盖向南北两侧延伸并覆盖环行车道。建筑功能需要南北两侧屋盖处主梁高度以不超过2.0m 为最优。采用桁架方案时,跨中梁截面高度为3.5m 左右;采用实腹箱梁时,跨中梁截面高度为2.0m 左右。后者能够很好地实现建筑效果。因此,为满足建筑效果与经济性的双重要求,采用实腹结构与空腹结构相结合的方案(图2),即:在可能影响建筑效果的采光屋面和净空要求较高的位置采用实腹梁结构,其余部分采用正三角形钢管桁架结构,单榀模型见图3;屋盖结构的下承柱采用格构式组合柱(图4),柱脚为铰接柱脚(图5),减小了上部结构对下部结构的影响。 






3 结构分析 


北京南站作为重要的建筑工程项目,其大跨度结构应采用整体计算分析[2~3],主要采用Midas/Gen及SAP2000软件对结构进行抗震分析计算。主要单元有:结构支撑体系、楼面结构的梁柱、屋面结构的弦杆均为梁单元,屋面结构的腹杆为桁架单元,楼面采用板壳单元。除结构自重外,主要荷载与作用依据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》进行取值,风振系数取2.0;体型系数依据同济大学所提供的风洞试验报告[4]取值(图6)。轨道层结构恒、活荷载见文献[1]。依照基于性能的抗震及抗风计算原则及方法,对结构进行了关键节点有限元计算分析、整体静力性能分析、静力弹塑性分析、时程分析计算、多振源振动分析。本文主要给出对设计起控制影响的关键连接节点及列车移动荷载下的振动分析结果。 




3.1 屋面桁架梁、钢格构柱与实腹梁的连接节点
边跨三角形空间钢管桁架梁、双肢格构柱与中跨实腹箱梁三者的连接处理,成为屋盖刚架设计的关键。桁架梁上、下弦杆与钢箱梁三点连接,按铰接设计。格构柱与钢箱梁连接采用刚接,即通过格构柱柱顶外围封边板与钢箱梁焊接连接实现。对该节点采用图7所示的有限元模型进行计算分析,结果显示:节点域内的应力绝大部分区域都处在一个较低的应力范围,表明所设计节点合理,满足要求。 




3.2 列车移动荷载激振下的振动分析
北京南站的显著特点是轨道层为站房结构的一部分,即列车从站房中通过,为“房桥合一”结构体系。标高+9.0m处站厅层支承构件坐落在轨道层上,且站厅结构最大跨度主梁的竖向自振频率较低,约为2.2Hz,列车移动荷载激振下对站房结构及旅客候车环境影响是新型站房结构体系需要考虑的难题之一。利用现有的车辆-桥梁结构动力相互作用的研究成果[5~6]建立列车-站厅结构系统动力分析模型,计算站厅结构在不同速度、不同列数行驶列车作用下的动力响应,以便对结构的动力性能做出分析和评估,确定其在各种状态下的使用可靠性。其中,对于舒适度的评判,采用美国钢结构协会发布的规范评判标准[7]
1)计算模型。对于列车运行所产生的激励采用移动荷载模型进行分析,该模型不考虑列车与结构的耦合作用,只考虑了车辆通过车站的周期性激振作用。
2)车辆参数。根据设计部门提供的资料,在列车运行移动荷载激励的振动分析中以BSP动车组的车辆参数为例进行计算。
3)计算工况。在列车运行移动荷载激励的振动分析中,需要考虑不同铁路线路上可能有不同方向的列车进站、出站或通过,因此应进行不同列车运行组合工况振动分析。列车行驶线路1、线路12分别位于G、N轴,线路2-线路11中每两个位于H-M各轴上。经试算,最不利工况1为:分别在线路4、线路5和线路6上同时有列车减速行驶停靠站台,速度由50km/h减速至0km/h,方向从西南往东北行驶;同时,分别在线路7、线路8和线路9上有列车减速行驶停靠站台,速度由50km/h减速至0km/h,方向从东北往西南行驶。
4)制动力计算。综合各种考虑,参考初步计算评审专家的建议,在本项目计算中最终对列车制动力率取值为0.164,计算作用在车轮下结构上的轨面制动力。
5)轨道不平顺。在考虑轨道高低不平顺的计算中,将轴重简化成质量块,按照移动集中质量考虑,求得每一时刻作用于结构上的力,从而通过时程分析计算得到站厅结构的动力响应。
6)计算结果。图8、图9分别给出了工况1列车运行移动荷载激励下,站厅结构关键点的位移时程曲线及其幅频曲线。




7)结果分析。
a.梁体的最大振幅。有列车经过的线路邻近轴线处的梁体振动幅值较大,达到0.15mm。
b.轨道不平顺对梁体振动的影响。考虑轨道高低不平顺时,站厅层梁体加速度振幅值最大值仅为0.064cm/s,远小于15cm/s 的限值,满足候车旅客对振动舒适度的要求。
c.列车荷载引起梁体振动的频谱分析。由频谱分析可以看出,列车运行移动荷载所引起的梁体振动主频都在0.5~0.7Hz之间,远低于站厅结构第一阶竖向自振频率2.284Hz,因此不会引起站厅结构的共振。
d.标高+9.0m和标高±0.0m处安全性与舒适性综合分析。
表1汇总了各计算工况幅值的最大值。总体来说,在工况1下,标高+9.0m处的40.5m 跨的主梁振幅达到最大值0.104mm,仍小于0.135mm的限值,满足结构的振动安全性要求;振动加速度幅值达到最大值0.136cm/s,远小于15cm/s 的限值,满足候车人群对振动舒适性的要求。标高±0.0m处候车站台板加速度幅值达到最大值0.134cm/s,远小于15cm/s 的限值,满足候车人群对振动舒适性的要求。




4 结 语 


1)对于造型复杂的不规则曲面大跨钢屋盖,应对其深入分析研究,确定合理的结构方案。
2)北京南站轨道层结构有效地将桥梁设计引入到了现代化站房建筑结构中,实现了桥梁结构与建筑结构的统一。
3)结合建筑空间的特点及建筑功能要求,针对不同的部位采用不同结构体系的合理组合,可以有效地降低结构系统的复杂性。
4)应高度重视节点设计,合理的节点设计在烘衬建筑美感的同时,还能顺畅不同体系的传力路径,减小相互间的耦合作用,使传力路径明确、简捷。
5)对高架站厅结构在列车行驶作用下振动效应进行了深入研究,提出其振动控制措施,并建立了大跨度站厅结构舒适度评价体系。
参考文献
[1] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.北京南站建设综合技术[R].天津:2008.
[2] 陈富生,邱国桦,范重.高层建筑钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[3] 蓝天,张毅刚.大跨度屋盖结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4] 顾明.北京南站模型风洞试验和结构风荷载研究[R].上海:同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2008.
[5] Wang T L,Shahswy M.Impact in Highway Prestressed Concrete Bridges[J].Computers &Structures,1992,44(3):523-534.
[6] Yang Y B.Vehicle-Bridge Interaction Analysis by Dynamic Condensation Method[J].Structural Engineering,ASCE,1995,12(11):1637-1643.
[7] American National Standard :Steel Design Guide Series 11-Floor Vibrations Due to Human Activity[S].

说点什么







最新评论
第1楼 undefined 发表于 2012-05-17 13:23
1983年,乔布斯对百事可乐的 CEO John Sculley 说:“Do you want to sell sugar water for the rest of your life, or do you want to change the world?”(你想卖一辈子糖水,还是改变世界?)就这样,一段传奇的合作开始了。

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