图1 清河站鸟瞰

主站房结构采用建桥合一结构体系，结构与承轨桥梁的柱墩共用结构柱，站台承轨层桥墩之间完全独立，列车轨道梁及站台板结构通过支座在桥墩盖梁顶部连接，高架候车厅钢管混凝土柱下插于桥墩柱，结构从下到上形成“钢筋混凝土框架-承轨层桥墩-钢管混凝土柱钢框架-大跨度钢桁架屋盖”的建桥合一的复杂高层结构。

建筑屋檐高度约为23～43 m，西高东低，屋盖东西方向长度为159 m，南北方向长度为195 m。候车厅基本柱网为25 m(7跨)×21 m(5跨)；屋盖沿东西向基本柱网为两跨，跨度为84.5 m+43 m，结构西侧悬挑长度为18 m，东侧悬挑长度为12.5 m(图2)；沿南北向柱距为7×25 m，南北侧悬挑长度均为10 m(图3)。

图2 结构东西向剖面 m

图3 结构南北向剖面 m

高铁候车层采用钢框架结构，框架柱为椭圆形钢管混凝土柱，框架梁为H型钢梁。屋盖由双向曲线平面桁架构成，东西向主桁架由A柱位置的直线段与站房中心位置的曲线段组成，且直线段与曲线段相切形成向下弯曲的造型，南北向次桁架为鱼腹式桁架。

上部结构的嵌固端为基础顶及地下1层顶板。

2 结构方案确定

2.1

方案初选

根据建筑立面西侧为斜面、屋盖西高东低的造型需求，候车厅需要大空间的功能需求，候车厅顶部桁架结构隐约外露、体现结构美的需求，初步确定了西侧采用A柱(与建筑立面吻合)作为主要支撑的空间钢结构形式，进行了几种柱网布置、不同屋盖结构形式组合的方案比选(竖向荷载作用下)，见表1。

表1 结构方案比选

主要构件选用：柱采用钢管混凝土柱，屋盖结构考虑网架或桁架结构，桁架结构杆件根据建筑要求采用了H型钢；钢材为Q390GJ及Q345B，钢管柱内灌强度等级为C60的混凝土。

试算比选结果：方案1因用钢量太大，被放弃；方案2对候车厅的候车空间影响较大，而方案3在用钢量与方案2相差不大的情况下，优化了候车环境，故确定采用该方案，柱网及屋面结构形式也由此确定。后期由于建筑东侧立面方案调整，将改为直柱，最终采用A柱+东侧Y柱+直柱的结构形式，跨度调整为84.5 m+43 m。

此方案充分利用了建筑造型的特点：1)屋盖结构沿用建筑的曲线采用悬链型曲线，避免二次结构找形带来的造价及施工难度。2)采用A柱，既达到了建筑的立面效果，又为结构提供侧向支撑和竖向支撑，可有效提高整体结构的刚度。

2.2

结构抗侧力体系确定

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》及GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》确定抗侧力体系：沿东西向主要由A柱提供抗侧刚度；沿南北向在A柱内侧柱肢及直柱设置刚性杆交叉支撑，A柱外侧柱肢设置柔性拉杆支撑(降低对建筑外立面效果的影响)，组成抗侧力体系(图4)。屋盖支承结构为A柱+Y柱+直柱，材质均为Q390GJC，内灌强度等级为C60的混凝土，A柱和直柱为椭圆柱，截面尺寸为1200 mm×1800 mm×40 mm，Y柱为(1200～900)mm×40 mm的变截面圆管柱，分叉截面为(800～900)mm×30 mm的变截面圆管。内侧A柱处和直柱处的支撑截面分别为500 mm×25 mm和500 mm×20 mm，材质为Q235B，外侧A柱处支撑截面为φ100，强度标准值为550 MPa。

图4 屋盖支承体系

为满足建筑效果要求，A柱选择椭圆形截面，强轴沿东西向，以提高东西向的抗侧刚度。

2.3

主次桁架截面选择

为配合建筑造型需要，大跨度屋盖采用悬链式(依托建筑造型)钢桁架结构体系，弦杆和腹杆均采用H型钢。主桁架沿东西布置，间距为25 m，主桁架在

轴处高度为4.5 m，在Ⓒ轴处高度为3.534 m，主要节间长度为5.831 m。主桁架在84.5 m跨段上弦杆主要截面为H700×700×50×50，下弦杆主要截面为H500×500×50×50，在与A柱连接节点处(21 m悬挑桁架根部)上下弦杆截面加大到 H700×1000×50×50，在43 m跨段上下弦杆主要截面为H400×400×25×35，材质为Q390GJC/Q390C，腹杆采用了HW200×200×8×12～HW40×400×13×21等规格，材质为Q345B。次桁架沿南北向布置，跨度为25 m，与主桁架连接处的桁架高度随主桁架高度变化，跨中位置的高度为1.5 m，截面主要采用了HW150×150、HW400×400等规格，材质为Q345B。次桁架与主桁架为刚接连接，采用与截面等强连接节点。清河站屋盖结构布置如图5a所示,主桁架的结构布置如图5b所示，次桁架的结构布置如图5c所示。

a—屋盖结构布置；b—主桁架结构布置；c—次桁架结构布置。

图5 屋盖结构及主次桁架结构

2.4

高铁候车厅及商业夹层结构

高铁候车厅的柱网为25 m×21 m，采用钢管混凝土柱，柱锚固于下层承轨梁桥墩柱内，柱截面为(1200～1800)mm×1 200 mm的近似椭圆形钢管柱，壁厚50 mm，Q390GJ钢，内灌C60高强混凝土。楼面采用主次梁结构，梁为H型钢梁，主梁及顺轨向主要次梁截面高度为2100 mm，板件厚度主要为40～55 mm。候车厅下设设备管道(包括真压排污系统)层，设备管道、桥架众多，为实现管道设备层的安装及使用阶段检修功能，需要设置楼板。为此，考虑将候车厅的楼面梁与设备夹层的楼面梁合二为一，既避免结构侵入下部高铁限界，又更大限度发挥站厅层楼面梁的承载能力，在候车层楼面及设备夹层楼面处分别设置次钢梁，候车层布设钢筋桁架组合楼板，设备夹层铺设5 mm厚花纹钢板。同时在主梁及次梁的跨中腹板区域预留了一定数量的结构洞，供管线穿越及人员检修用，以保证设备管线及检修路径的通畅。

根据候车厅建筑功能的布置，候车厅层的主框架柱有2/3的数量不能延伸至商业夹层，为此进行了结构柱转换。转换后柱截面为圆钢管，截面直径为850 mm,壁厚为40 mm，柱底铰接，与转换梁通过球形钢支座连接。楼面结构采用主次梁结构，楼板采用钢筋桁架楼承板。

2.5

西侧幕墙结构

西侧作为站房的主入口，为满足通透简约的建筑效果，幕墙竖向杆件按拉杆设计，悬挂于屋面桁架，可避免杆件受压，有效减小杆件截面。设计中考虑拉杆承担玻璃重量，水平横梁抵抗水平风荷载(图6)，采用单独模型及整体模型包络设计，保证准确的边界假定及一定的安全富裕度。

图6 幕墙结构的整体分析模型

3 结构体系计算分析

3.1

设计基本参数

本工程的结构安全等级为一级，设计基准期为50 a，设计使用年限为50 a，防腐设计寿命20 a，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度8度，基本地震加速度值0.20 g ，场地特征周期0.55 s，结构阻尼比0.04，钢结构屋盖的阻尼比0.02。

3.2

荷载取值

1)恒载。依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，屋面板、保温岩棉、主次檩条及支托产生的上弦恒荷载标准值取1.0 kN/m 2 ，下弦考虑管道、吊顶取0.5 kN/m 2 。天窗荷载按实际施加。

2)活载。依据GB 50009—2012，不上人屋面活荷载标准值取0.50 kN/m 2 ，大于雪荷载0.45 kN/m 2 (100 a重现期)。活荷载起控制作用，不考虑雪荷载与活荷载同时组合。

3)地震作用。依据GB 50011—2010，本工程抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值0.2 g 。建筑场地类别为Ⅲ类。设计地震分组为第二组，特征周期0.55 s。模型阻尼比0.04。

4)风荷载。依据GB 50009—2012，基本风压W0取0.50 kN/m 2 (100 a重现期)，地面粗糙度B类，并依据风洞试验报告结果复核验算。

5)温度作用。屋盖结构依据GB 50009—2012，考虑升温工况+20 ℃，降温工况-20 ℃；主桁架合龙温度控制为10～15 ℃。施工阶段考虑升温40 ℃。

3.3

结构体系的动力特性分析

主站房为建桥合一体系，承轨层以下为混凝土结构，承轨层以上为钢结构，两种结构材料的阻尼比不同，上下两部分抗侧刚度存在突变；主站房区进站大厅上空存在大挑空区，候车层楼板不连续；商业夹层为转换结构，竖向构件不连续；钢结构屋盖最大跨度84 m，屋面最大悬挑18 m，存在多项抗震不利项；依据GB 50011—2010的相关要求，在采取抗震性能化设计的同时，对结构进行了罕遇地震动力弹塑性时程分析。

3.3.1 模型互验

整体模型(图7)采用MIDAS/Gen和BIAD/Paco两种软件进行分析和设计，下部站台层结构采用YJK计算，计算结果见表2。 可知，各软件的计算结果接近，模型真实可靠。同时对A柱的内力进行了比较，内力计算结果基本一致，误差在5%以内。

表2 结构总指标软件分析结果比较

图7 整体结构的分析模型

3.3.2 动力弹塑性分析

通过对结构罕遇地震作用下非线性性能的定量分析，了解整体结构的弹塑性行为，结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况，重点观察A柱、Y柱、直柱、侧向支撑及屋面桁架结构等，并找出结构的薄弱层或薄弱部位。分析得到：1)在-3.200 m标高位置Ⓒ轴角部(直柱所在轴)桥墩柱截面尺寸突减处刚度发生较大变化，构件内力略超极限抗弯承载力。2)Ⓒ轴的两道交叉支撑出现了一定塑性应变(图8)；钢屋面部分斜撑构件出现一定塑性应变(图9)。3)支撑屋面的A柱、Y柱、直柱处于弹性状态，实现了罕遇地震弹性的性能目标。

图8 Y 主方向人工波作用下支撑的塑性应变分布

图9 Y 主方向人工波作用下钢屋面的塑性应变分布

动力弹塑性时程分析结果进一步验证了概念设计及性能化设计目标的合理性，找出了个别不易发现的薄弱部位或构件，为进一步提高结构的抗震性能、优化设计提供了依据。

3.4

结构的振动舒适度分析

3.4.1 振动舒适度分析

本工程采用建桥合一结构体系，当高速列车在承轨层结构上运行时，对站房结构产生动力冲击，从而使结构产生振动，并通过固态介质传递至候车层等人员集中区域，候车层的振动舒适度需要进行相关研究分析，如文献[4]所述。

振动舒适度评判标准采用GB 10070—88《城市区域环境振动标准》。清河站候车层和商业夹层参照混合区、商业中心区取其限值。考虑到办公及商业在夜间时段(22：00—6：00)的人很少，其Z振级容许值可按6:00—22:00时段的75 dB取值。

通过建立车辆-轨道模型得到列车对轨道的振动激励，将激励时程输入轨道—结构—环境土体模型，计算结构动力响应，评价车致振动的舒适度。通过分析得出：高铁列车在到发线进出站时，清河站候车层楼板最大预测Z振级满足规范要求；在正线高速通过时，正线上方相关区域候车层楼板最大预测Z振级超过规范限值，不满足要求。

3.4.2 结构改进措施

由于正线上方相关区域候车层楼板振动局部超过标准限值，将此范围内横轨向次梁从550 mm加高至600 mm，楼板厚度从150 mm增加至180 mm后，楼板振动Z振级最大值为74.4 dB，满足现行规范要求。

3.5

钢屋盖的内力与变形

根据MIDAS/Gen软件的计算结果：在恒荷载和满布活荷载的作用下,A柱与Y柱间主桁架跨中最大挠度为166 mm,西侧悬挑端部向上位移为26 mm。在竖向荷载作用下,A柱与Y柱间主桁架跨中上弦杆的最大内力为-10137 kN,下弦杆的最大内力为9600 kN，主桁架跨中上弦截面采用H700×700×50×50，跨中下弦截面选用H500×600×50×50。屋盖结构在正西方向来风时,主桁架19 m悬挑的风荷载效应最大,悬挑端部的最大向上位移为34 mm,主桁架跨中上弦杆的最大内力为1071 kN,下弦杆的最大内力为-1098 kN。屋盖结构的变形及受力均满足要求。

3.6

A柱的设计

A柱材质采用Q390GJC，内灌强度等级为C60的混凝土，截面尺寸如图10所示。

图10 A型柱截面

1)A柱的软件输入。按照公式 EI = E s I s + E c I c ，及 EA = E s A s + E c A c ，将钢管混凝土柱的折算惯性矩、折算面积输入程序，得出准确的分配内力。

2)A柱的承载力计算。对A柱进行屈曲分析后，根据欧拉公式计算得到A柱的计算长度。依据GB 50936—2014第5章计算式，同时考虑弱轴弯矩，对公式进行了修正。A柱根据框架-支撑结构和框架结构进行包络设计。

3)A柱的内部构造措施。为保证钢管与混凝土的整体性，在钢管内每隔3 m设置一道横向加劲肋，同时设置透气孔。

3.7

钢柱脚设计

3.7.1 A柱柱脚设计

本项目设置柱底为刚接，根据JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》，柱脚可采用埋入式柱脚或外包式柱脚。埋入式柱脚节点的弯矩主要通过混凝土对钢柱翼缘的承压力提供,外包式柱脚主要通过外包钢筋混凝土抗弯。根据JGJ 99—2015中8.6.1-3的规定，埋入式柱脚的混凝土保护层厚度不得小于钢柱受弯方向截面高度的2/3，埋深不小于2.5 D ，外侧A柱的构造措施均满足埋入式柱脚的要求。由于柱脚是抗震设计的重点部分，对外侧A柱柱脚同时按照埋入式柱脚及外包式柱脚的规定包络设计，见图11。

图11 A柱外侧柱脚节点

3.7.2 直柱柱脚的设计

直柱柱脚嵌固于基础，按埋入式柱脚设计。从基础顶到承轨层直柱内置于桥梁墩柱，桥墩柱截面为6500 mm×2800 mm，钢管直柱为椭圆柱，长轴1800 mm，短轴1200 mm，壁厚50 mm，承轨层以上结构柱由混凝土柱变为钢管柱，从材质到截面均发生变化，结构刚度发生突变，这点从动力弹塑性的分析结果可以看到。为此，对直柱与桥梁墩柱交接部位的节点采取了加强措施：1)桥梁墩柱四周增加纵筋配筋率；2)在钢直柱与桥墩柱分界面的影响范围内对钢直柱截面加强。影响范围为钢柱插入桥墩柱1.5 H ( H 为钢直柱截面高度)深度及桥墩柱分界面以上1.0 H 高度范围。钢直柱的壁厚由50 mm增加到60 mm，内侧加劲板厚度由30 mm增加到50 mm。具体见图12。

图12 直柱与桥墩柱交接处加强措施

3.8

关键节点有限元分析

3.8.1 A型柱柱头节点

A型柱柱头是与屋盖相连的重要位置，且与西侧悬挑19 m桁架相连，采用Q390GJC钢材。对该节点进行有限元分析，采用壳单元进行有限元网格划分，典型节点在控制组合下的von Mises应力如图13所示。可知，节点大部分网格最大等效应力均在315 MPa以下(仍在弹性阶段)，仅在两斜柱汇交位置处局部网格应力达到350 MPa。

图13 A柱节点von Mises应力 Pa

经软件分析计算，两斜柱汇交位置处存在局部应力集中。为减小应力集中，提高该位置处的刚度，在斜柱交汇位置处设置加劲肋(图14)。

图14 局部设置加劲肋

3.8.2 Y柱铸钢节点

Y柱分叉位置处采用铸钢节点，铸钢件材质为G20 Mn5QT，铸钢件壁厚为80 mm，Y柱直段截面见图15。该节点的有限元分析结果如图16所示。由图16可知，在最不利荷载组合作用下铸钢件大部分范围的应力都很小，处于弹性状态。最大等效应力发生于铸钢件连接角点处，约为208 MPa，该值小于铸钢件的极限抗拉强度，且呈点状，故可认为该节点是安全的。

图15 Y柱直段截面

图16 Y柱铸钢节点应力云 MPa

3.8.3 中间支撑Y柱与屋面主桁架的连接节点

梁杆材质为Q390，通过有限元模型计算在最不利荷载组合作用下支座大部分范围的应力都超过屈服应力390 MPa，连接角点处最大为516 MPa，大于钢材的极限抗拉强度，故该节点是不安全的。为此，优化施工图设计将主桁架与支座连接的加劲肋板、支座底板厚度，由30 mm改为50 mm来满足强度要求。原节点设计见图17，应力分析结果见图18，经过节点优化设计后，Y柱与屋面主桁架的连接节点的最大连接角点处应力约为327 MPa，节点强度满足要求。

图17 Y柱顶部与主桁架的连接

图18 Y柱顶部与主桁架连接处应力云 MPa

4 结 论

通过对清河站主站房地上部分空间钢结构体系的设计，得出以下结论：

1)结构设计与建筑充分融合，利用建筑造型采取了悬链式钢桁架和A柱的构件形式，充分发挥了构件的受力优势，有效提高了结构整体刚度，节省了用钢量，满足建筑造型要求，同时兼顾安全性和经济性。

2)结构体系复杂，需要通过罕遇地震动力弹塑性分析对体系的抗震性能进行评判，对抗震薄弱部位进行性能化设计。

3)钢结构对高铁通过时产生的振动比较敏感，需要进行振动舒适度的评判，对舒适度不足部位采取措施，即将不足部位处横轨向次梁从550 mm加高至600 mm，楼板厚度从150 mm增加至180 mm。处理后，楼板振动Z振级最大值为74.4 dB，满足GB 10070—88要求。

4)采用埋入式钢柱脚，可保证结构底部的刚接，利用JGJ 99—2015中的柱脚规定进行了柱脚设计,柱脚刚度突变处存在应力集中，钢结构节点交汇处也存在应力集中，应采取提高该位置处构件刚度，如加强柱脚加劲肋的刚度、节点交汇处设置加劲肋等措施。

来源：傅慧敏, 马彬, 卜龙瑰，等. 京张高铁清河站主站房钢结构设计[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(5): 7-15.

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