南京火车站主站房围护结构和屋盖钢结构设计.pdf

第 “卷 第期建筑结构 “年月 南京火车站主站房围护结构和屋盖钢结构设计 赵鹏飞 1 * .8 1 . / 结构设计中的几个关键问题 W 平面结构体系的选择 从建筑专业的意图来看， 主体结构应沿横向布置。 每一榀横向结构主要包括屋盖横梁、 塔柱、 四根斜拉索 等构件。选择平面结构体系的主要问题是如何实现建 筑要求的南、 北立面型式。南立面玻璃幕墙与铅垂面 夹角为 X， 而且在每榀结构的南立面上还设有一根竖 直的柱子， 用以支承遮阳板； 北立面较简单， 是一面铅 垂的玻璃幕墙。按照建筑的要求，南北立面的结构应 图南京站主站房建筑效果图 越简洁越好。设计曾进行过两种方案的论证。 （） 垂直索方案方案的主要特点是将南立面与 北立面的铅垂构件均用索 （垂直索） 代替 （图（*） ） ； 南 立面倾斜的玻璃幕墙支承体系另外设置， 不承受主体 结构的荷载； 塔柱采用钢管混凝土柱。由于索的截面 积很小， 此方案可以较好地满足建筑专业的要求。方 案的不足之处在于， 侧向刚度很弱， 水平力仅靠塔柱柱 底受剪承载力来抵抗， 不符合结构应有多道设防体系 的要求。在南风作用下， 塔柱与混凝土楼层交接处将 产生很大的弯矩。由于索力， 屋盖横梁将承受较大的 轴压力。从施工角度考虑， 南北立面垂直索在张拉及 锚具设置上都会有很大的困难。 （） 刚架方案方案的主要特点是将垂直索方案 中的垂直索全部改为钢柱， 另外在南立面倾斜幕墙处 再设置一钢柱既作为主体结构的一个重要构件， 也是 南立面幕墙支承体系的重要构件， 用以提高侧向刚度 （图（“） ） 。此三根钢柱分别与屋盖横梁及下部混凝 土结构铰接。经过多次专家论证， 最后确定这个刚架 方案为实施方案。 图主体结构方案 斜拉索的作用 按照上述选定的刚架方案， 南、 北两侧最外一根斜 拉索直接连接在南立柱与北立柱上。仅从承受荷载的 角度讲， 这两根索的意义并不大， 可以退化为装饰构 件。为了充分发挥它们的作用， 作如下考虑 按照建筑 专业的要求， 南立柱与北立柱的截面越小越好， 而如果 不考虑索的作用， 在大部分工况下， 二者均属压弯构 件， 受到较为严格的长细比限制。由于南立柱较高 （最 大高度 ） ， 其截面不会太小， 如果将其变为拉弯构 件， 则按构造要求其截面会小很多。 在工程设计中加大南号索和北号索的预张 力， 使南立柱在任何工况下都保持受拉状态 （当然， 与 此同时塔柱柱顶也不应出现过大的偏移） ， 使其截面减 小并提高刚度； 更重要的是， 所有斜拉索都参与工作。 ’各榀横向结构间的纵向连接 建筑沿纵向也是很不规则的 ） 各榀横向结构中 的塔柱沿纵向排列在一条弧线上； ） 在立面上， 檐口连 线为一条曲线； ’） 屋面采光窗沿建筑纵向是变化的， 建 筑中部处最大， 向东、 西两方向逐步变小， 直至消失； ） 下部混凝土结构的布置很不规则， 相邻两榀横向结构 的塔柱与混凝土结构交接点的标高有可能产生突变， 这一点对结构最为不利。设计通过以下几个方面加强 了各榀横向结构间的联系。 （） 屋脊梁它是整个结构中最为直接的一个纵 向连接构件， 与各榀横向结构中的塔柱刚接。为了保 证其能充分地发挥作用， 屋脊梁为 * * 的型梁。建筑完成后， 屋脊梁的一半高度将暴露 在室外， 这也恰好满足建筑强化屋脊线的要求。屋脊 梁的立面和平面位置见图’。 （） 格构式纵向构件按照专家论证会的意见， 在 各榀横向结构的塔柱间仅设置一道纵向连接构件是不 够的。但是如果再设置一道类似于屋脊梁的纵向构 件， 势必对室内的使用空间和建筑效果产生不利影响。 经与各专业协商并参考国内外资料， 在建筑室内 沿结构纵向设置一个空间格构式纵向构件。这个格构 式纵向构件的 “弦杆” 由屋脊梁、 采光窗下弦杆、 南北采 光窗纵梁组成； 而其 “腹杆” 由采光窗交叉撑及采光窗 下交叉撑组成。其中， 采光窗下弦杆基本沿纵向通长 布置， 且是直径仅为’ , 的圆钢管， 完全满足了室 内空间的要求。 图’（-） 是一个结构单元的纵剖面， 显示了这个纵 向连接构件的布置 （采光窗交叉撑略去） 。这个格构式 构件的截面基本上呈菱形， 大小随采光窗沿纵向也是 变化的。计算表明， 它对于提高结构的纵向刚度有很 重要的意义。采光窗纵梁的平面位置见图’（“） 。 （’） 柱间支撑与屋面支撑柱间支撑与屋面支撑 是加强结构纵向联系的两种有效且必要的构件。在每 个结构单元两端的南北立面上分别设置了柱间支撑； （-） 结构的纵剖面 （局部） （“） 屋面平面布置图 图’结构单元立面和平面图 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 在屋面的相应位置设置了横向屋面支撑。另外， 在屋 面的南北两侧， 分别设置了纵向屋面支撑 （图（“） ） 。 屋面支撑采用宽 ， 厚 的钢带； 柱间支撑 采用张紧的 圆钢 （图’） 。 图’南立面结构布置图 （局部） ’温度缝的设置 南京站的建筑长度为 * 。按照 钢结构设计规 范（ , - . .） 的规定， 当建筑物长度大于 时， 宜设置温度缝。计算也表明， 若不设温度缝， 结构沿纵 向将产生很大的变形。综合各因素， 共设二道温度缝， 将结构分为三个温度单元。这二条缝均从基础开始， 直至屋面， 并兼作抗震缝和混凝土结构的伸缩缝。为 此， 三个结构单元是完全独立的， 它们的长度分别为 ， /和 。为确保三个结构单元各自独立工 作， 在温度缝一侧设置了一个副轴线， 与另一侧的主轴 线间距 。副轴线位于中间结构单元的东西两 侧。在副轴线上仍设置有一榀横向结构， 与主轴线上 横向结构不同的是， 其塔柱截面略小且不伸出屋面， 另 外也不设置斜拉索。 /幕墙支承结构与主体结构的关系 南京站建筑立面的一大特点是采用大面积玻璃幕 墙。为了尽可能地达到通透的效果， 玻璃幕墙的型式 为钢拉索式点支幕墙。 通过设置幕墙桁架， 幕墙自重可直接传递给下部 结构， 而幕墙风载也可传递给主体结构。南京站主体 结构的柱距为 / ， 为0块玻璃的宽度， 建筑不允许为 每块玻璃都设一榀幕墙桁架， 只能每块玻璃设置一 榀。这样， 在两榀幕墙桁架之间必须设置一道竖直索 用于承受幕墙的自重。为此， 需要在上部结构上设置 一道梁用于吊挂这根竖直索。 由于屋盖结构本身很柔， 为了将幕墙自重直接通 过设在立面上的钢柱和幕墙桁架直接传给下部结构， 用于吊挂竖直索的梁必须设置在立面上的钢柱及幕墙 桁架之间 （图’） 。 如果要求幕墙风荷载也通过这根梁传递给屋盖结 构， 它的受力状态就为双向受弯。为此， 其截面应为矩 形， 这种矩形截面的格构式梁， 既难以和钢柱 （圆形） 及 幕墙桁架连接， 也占用室内空间。 工程采用的解决方法是， 将一根构件完成的工作 改为由两根构件完成 立面上的纵向桁架梁只用于支 承竖直索 （幕墙自重） ， 为一格构式梁； 在屋面上另设一 水平桁架梁 （图’） ， 用于将幕墙桁架传递来的水平荷 载传递给屋盖结构。此水平桁架梁的 “弦杆” 为相邻的 两根檩条， 而幕墙桁架利用一水平铰接杆与其连接， 确 保二者间只传递水平荷载。 结构的计算 计算分析对象是上部钢结构与下部混凝土结构的 整体模型。计算软件采用中国建筑科学研究院开发的 “空间网格结构分析设计程序1 2 2” 以及大型通用计 算软件3 4 2 5 2。 计算模型 对于每个温度区段， 分别建立计算模型。上部钢 结构计算模型的要点为 ） 有采光窗时， 屋盖横梁与钢 管混凝土柱铰接， 无采光窗时， 屋盖横梁与钢管混凝土 柱刚接； ） 南立柱、 北立柱、 南斜柱的上、 下端分别与屋 盖横梁及下部混凝土结构铰接； ） 钢管混凝土柱与相 关的混凝土结构刚接； ’） 下斜撑分别铰接于钢管混凝 土柱与屋盖横梁上； /） 斜拉索采用索单元， 屋盖支撑、 采光窗交叉撑、 采光窗下交叉撑、 柱间支撑采用杆单 元， 其它构件采用梁单元。图/是一个结构单元的计 算模型图。 图/一个结构单元的计算模型 荷载与工况 结构设计基准期为/ 年， 结构安全等级为二级； 抗震设防烈度为度 （第一组） ，类场地， 乙类建筑。 荷载主要有恒载、 活载、 风载及地震作用等， 其相互组 合形成了.种工况。由于建筑体型比较新颖， 而初步 计算又表明结构对风载很敏感， 为慎重起见， 在设计工 作之初进行了风洞试验和风振效应计算。 图0是根据风洞试验结果确定的结构在北风和南 风作用时的体型系数， 地面粗糙度类别取,类。从图 / 中可以看出， 屋盖承受的负风压很大。根据风振计算 结果， 风振系数 取“ 。 图结构在北风 （南风） 下风载体型系数 抗震计算仅考虑沿结构横向和纵向两个方向上的 水平地震作用， 采用振型分解反应谱法 （取前 个振 型） 。抗震计算所用参数除符合现行规范要求外， 还符 合场地的 “地震安全性评价工作报告” 。 ’ ’屋盖钢结构的受力特性 对于上部结构， 竖向荷载的典型传力路径为 檩条 屋盖横梁斜拉索 （塔柱， 南北立柱， 南斜柱） 。横向 水平风荷载的典型传力路径为 幕墙幕墙支承结构 （幕墙桁架， 幕墙水平索等构件）南斜柱， 北立柱， 水 平桁架梁屋盖结构。纵向水平风荷载的典型传力路 径为 幕墙幕墙支承结构 （幕墙桁架， 幕墙水平索等 构件） 东 （西） 立柱檩条及屋盖支撑屋盖结构。 所有荷载最终都由下部混凝土结构传递至基础。分析 计算结果， 屋盖结构的受力特性主要有以下几点。 （） 屋盖结构具有明显的单向受力特征， 主要表现 在 在各静力工况下， 结构主要表现为横向及竖向位 移， 纵向位移不显著； 主梁及塔柱的平面外弯矩比较小。 （“） 大量纵向构件的存在， 又使整体结构表现出空 间受力性态。主要表现在， 由于各榀横向结构刚度的 不同， 水平荷载在各榀横向结构间存在重分配现象。 （’） 一般地， 屋盖横梁内力的最大值出现在恒载及 雪载组合的工况； 而恒载与施工阶段负风压组合的工 况， 使屋盖横梁下翼缘受压的弯矩达到最大值。 （） 斜拉索的索力在恒载及雪载组合的工况达到 最大， 在恒载与施工阶段负风压组合的工况下最小。 （） 斜置的塔柱承受较大的轴力与弯矩， 其弯矩在 南风作用下达到极值。在同一个温度区段， 下部混凝 土结构布置不规则， 有时塔柱与混凝土结构交接面的 标高相差过大， 导致明显的水平荷载分配不均匀现象。 （） 三个计算单元的自振特性有一定的区别， 周期 与振型都不尽相同。由于结构处于*度设防区， 而屋盖 结构质量又不大， 所以抗震计算对上部钢结构不起控制 作用。事实上， 对结构所受的水平荷载来说， 风载比地 震荷载更有意义。三个结构单元的第一阶自振周期分 别为 ’， * ， , -。主要构件的截面类型列于表 中。钢材选用. “ ’ /。主要构件的控制参数见表“。 塔柱采用钢管混凝土结构， 其最大轴力仅为设计 强度的’ 0； 柱顶最大水平位移 “ 1 1， 与长度之比为 ／ * * 。构件间的连接方法主要是焊接和摩擦型高强 螺栓连接。在施工图设计中及完成后， 还进行了斜拉 索的锚固节点试验及振动台试验。试验证明， 结构设 计是安全可靠的。图*是其中一根斜拉索的上锚固节 点和下锚固节点的施工图。 主要构件材料表表 构件截面构件截面 屋盖横梁 2 （ “ ）3 3 3 “ 屋脊梁 2 “ 3 3 3 “ 塔柱钢管混凝土柱 （“ “ 3 ’ ）柱间支撑圆钢“ 南斜 （立） 柱 钢管“ “ 3 （“ “ 3 ） 采光窗纵梁2 * 3 3 3 “ 斜拉索 半平行高强钢丝束 （“ 3 , 4 3 ） 檩条 2 3 3 3 主要构件的控制参数表“ 构件 最大应力 （5 6 7） 最大应力 设计强度 最大变形 （1 1） 最大变形 长度 （跨度） 屋盖横梁 * * ／ 南斜柱 “ ,’ ／ 斜拉索 * ’ , 屋脊梁 “ ／ * 采光窗纵梁 “ “ ／* “ ’ 注 最大应力综合考虑了强度和稳定。 （7） 上锚固节点 （8） 下锚固节点 图*斜拉索锚固节点 结论 （） 作为国内第一次在火车站站房上应用的斜拉 索结构， 结构型式经多次论证、 计算分析、 模型试验等， 证明是成功的。 （“） 幕墙支承结构与主体结构的连系， 可以通过设 （下转第页） 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 焊接， 以增强圆钢管的自身刚度， 避免产生局部屈曲。 同时为了保证所加设水平加劲隔板的局部稳定， 其径 厚比 ［］ “ “ ““ “ ’ “ * , 对于环梁与径向脊梁的连接节点， 为了方便安装， 在通长的径向脊梁上环梁的位置处加设两只 “耳朵” ， 然后， 环梁通过两只 “耳朵” 与径向脊梁相连接。该连 接节点如图所示。 支座节点设计 根据前述的力学计算模型， 钢结构屋盖点支承于 钢筋混凝土边梁上， 并且仅有竖向约束， 水平约束释 放。支座节点的设计必须和计算模型保持一致， 才能 保证实际结构的受力与计算模型相一致 ［,］ 。 图径向脊梁相交顶节点 图环梁与径向脊梁的连接节点 由静力分析的结果， 支座有受压支座和受拉支座。 对于受压支座， 采用单面弧形压力垫块， 同时为了释放 沿边界法向的转角， 在螺栓垫板上设置弹簧盒， 根据构 造要求， 采用圆柱形螺旋压缩弹簧， 弹簧由直径, - - 的碳素钢丝做成， 圆柱形弹簧的柱体直径为 - -， 高 度为’ , - -， 弹簧钢丝的圈数为.圈。弹簧安装完成 之后， 嵌入黄油并用铁皮盒子加以保护。压力支座将 结构传来的压力通过单面弧形垫块传递给边梁。对于 拉力支座， 结构传来的拉力通过锚栓传递给钢筋混凝 土边梁。为了保证支座节点能自由转动， 同样， 在转角 较大的方向设置单面弧形垫块， 同时在钢梁下翼缘上 开设长孔， 以释放节点的转动。压力支座和拉力支座 的设计如图,所示。 图,支座连接节点图 结语 /型钢截面大跨度肋环形、 扁五角锥折板网壳推 力自抗结构， 与传统的双层网壳和立体桁架结构相比， 具有节省建筑净空、 制作加工简便， 同时结构传力路线 明确、 推力自平衡、 支承结构负担小等优点。 在大跨度屋盖结构中， 根据杆件的受力情况， 采用 /型钢截面的构件， 其节点的刚性连接采用传统的翼 缘对接承担弯矩、 腹板通过连接板用高强螺栓连接承 担剪力的形式， 避免了对钢结构制作、 加工厂家的加 工、 生产能力的要求。 参考文献 ’ 张 丽， 徐国彬0某自平衡钢屋盖结构的设计分析0钢结构， ， （）0 建筑结构抗震设计规范 （1 2 ’ ’ ’）0 钢结构设计规范 （1 2 ’ * ）0 李和华0钢结构连接节点设计手册0中国建筑工业出版社，’ . . . 0 网壳结构技术规程 （3 1 3 , ’ ）0 , 网架结构设计与施工规程编制组0网架结构设计与施工 规 程应用指南0中国建筑工业出版社， ’ . . 0 （上接第,页） 置附属构件 （如本结构中的水平桁架） ， 做到既传力明 确， 又满足建筑对立面及使用空间的要求。 （） 对于这种单向受力明显的结构型式， 加强纵向 连接是完全必要的。设计中在采光窗上作文章， 较好 地解决了这个问题。 （） 设计中， 将两根本无意义的斜拉索 “起死回 生” ， 又兼顾了其它工种的要求。此作法可供参考。 参考文献 ’ 赵鹏飞， 郝成新等0浙江省黄龙体育中心主体育场挑篷结构模型 试验研究0建筑结构学报， ’ . . .， （）0 蓝 天， 张毅刚0大跨度屋盖结构抗震设计0中国建筑工业出版 社， 0 钢结构设计规范 （1 2 3 ’ * ）0 .