北京朝陽站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支撐斜柱設(shè)計方案比選分析

金振山

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司地下直徑線工程項目管理部，北京 100045）

1 工程概況

作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動脈，鐵路是國家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，是資源型和環(huán)境友好型的運輸方式，尤其是近年來迅速發(fā)展的高速鐵路，縮短了城市與城市間的距離，帶動了周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為我國綜合交通體系中的骨干，不僅推動交通運輸增長方式的轉(zhuǎn)變，而且對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了重大作用和深遠(yuǎn)影響［1-3］。北京朝陽站為京哈高鐵始發(fā)終到站，是“十三五”規(guī)劃的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，也是我國首個運用綜合智慧管控系統(tǒng)的高鐵站房。北京朝陽站總建筑面積18.3 萬m2，其高架候車廳建筑面積3.5 萬m2，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu)體系，由中部屋脊拱起部分與兩側(cè)平屋面部分構(gòu)成。屋脊拱起部分主結(jié)構(gòu)由交錯布置的桁架、鋼主梁及其連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成，基本跨度為18 m（懸挑）+36 m+72 m+36 m+18 m（懸挑），主結(jié)構(gòu)間距22～27 m。鋼主梁由幕墻柱和向室內(nèi)伸出的斜柱支撐，最大跨度72 m。桁架由2 根指向室外的斜柱支撐。斜柱、幕墻柱與主結(jié)構(gòu)均為鉸接連接。北側(cè)幕墻柱與主體結(jié)構(gòu)為鉸接連接，南側(cè)幕墻柱與主體結(jié)構(gòu)為剛接連接。桁架與主梁之間以三角形桁架進(jìn)行連接。屋面主結(jié)構(gòu)上、下弦結(jié)構(gòu)之間以水平連接桿連接，并布置縱橫向交叉撐，以提高屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性。北京朝陽站屋蓋及其支撐結(jié)構(gòu)三維模型及垂軌向、順軌向立面見圖1—圖3。

圖1 屋蓋及其支撐結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 屋蓋及其支撐結(jié)構(gòu)垂軌向立面

圖3 屋蓋及其支撐結(jié)構(gòu)順軌向立面

2 高架候車廳屋蓋支撐斜柱建筑結(jié)構(gòu)選型

2.1 三叉柱選型方案

北京朝陽站初步設(shè)計采用了三叉柱方案（見圖4）。三叉柱作為一種較常見的分散支撐形式，更易解決屋蓋結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力過大的問題，并更易與屋蓋結(jié)構(gòu)形成整體性、穩(wěn)定性更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系。目前三叉柱支撐大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在我國已有成功運用案例，如沈陽中街恒隆廣場項目［4］、蘇州灣文化中心項目［5］等。但作為人流密集的公用建筑，特大型火車站建筑空間效果營造和旅客流線暢通是重要的考慮因素，三叉柱方案的主要缺點是視覺效果不夠簡潔，三柱交匯范圍對鄰近地面建筑空間占用較大，影響旅客通行效率。三叉柱腳平、立面見圖5，其中虛線示意范圍為影響人行范圍，投影面積為7.9 m2（結(jié)構(gòu)實際占地為2.5 m2）。三叉柱選型方案影響通行的問題可通過增加柱腳的方式解決，如在鋼柱腳下增加一定高度的直柱段，抬高柱腳節(jié)點，從而離開旅客活動范圍，而結(jié)構(gòu)的整體受力特性未發(fā)生重大改變（見圖6）。

圖4 三叉柱選型方案效果圖

圖5 三叉柱腳平、立面

圖6 抬高柱腳節(jié)點效果圖

2.2 Y形柱選型方案

為從根本上改善候車廳空間視覺效果，在三叉柱的基礎(chǔ)上減少順軌方向1根柱子，同時按照“底部為獨柱、一定高度后再分叉”的原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計（見圖7）。Y形柱作為承重和抗側(cè)力構(gòu)件在我國工程中已多次應(yīng)用，如上海浦東國際機(jī)場航站樓［6］等。徐超等［7］曾進(jìn)行Y形柱整體穩(wěn)定性能有限元分析研究，主要結(jié)論是支干同時破壞失效時，結(jié)構(gòu)的單位質(zhì)量承載力最大、材料利用率最高，且承載力變化與分支夾角及支干外徑比有關(guān)。在北京朝陽站若應(yīng)用Y形柱支撐，需適當(dāng)增加鋼管截面尺寸，并增加措施補強(qiáng)東西向結(jié)構(gòu)剛度，同時對南北幕墻處立柱增加結(jié)構(gòu)斜撐。Y形柱選型方案中，將Y形柱分叉點提高后（見圖8），室內(nèi)空間更加開闊，旅客通行效率也顯著提升。

圖7 Y形柱選型方案效果圖

2.3 V形柱選型方案

圖8 Y形柱腳平、立面

傳統(tǒng)、經(jīng)典的建筑結(jié)構(gòu)選型思路應(yīng)充分繼承，北京朝陽站工程還研究了V 形支撐柱方案（見圖9、圖10）。V 形柱具有良好的幾何形態(tài)，節(jié)點選擇靈活，受力性能良好，在福州海峽奧體中心體育場［8］等項目中已成功運用。V形柱作為傳力系統(tǒng)不僅可滿足屋面桁架體系承載要求，其自身簡潔明快的視覺表現(xiàn)力也是候車廳空間的一大亮點。相對于三叉柱結(jié)構(gòu)，采用V形柱與Y形柱一樣，也需適當(dāng)增加鋼管截面尺寸，補強(qiáng)東西向結(jié)構(gòu)剛度，同時對南北幕墻處立柱增加結(jié)構(gòu)斜撐。V形柱選型方案柱底采用成品抗拉型球鉸支座連接鋼筋混凝土基礎(chǔ)，并做仿清水混凝土飾面，柱頭與吊頂板交接處采用橢圓形挖切處理，空間視覺效果自然真切且整體感強(qiáng)。

圖9 V形柱選型方案效果圖

3 支撐斜柱選型結(jié)構(gòu)性能對比分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

圖10 V形柱正、側(cè)立面

在經(jīng)過優(yōu)缺點對比后，淘汰三叉柱選型方案，為滿足建筑造型要求，著重對V形柱和Y形柱的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對比分析。根據(jù)旅客候車體驗、結(jié)構(gòu)受力合理性，利用Midas 建立2 種模型：V 形柱支撐在站房高架層立柱上（見圖11）；Y 形柱支撐在站房高架層立柱生出的變截面斜墩上（見圖12）。

3.2 周期及振型

圖11 V形柱結(jié)構(gòu)模型

圖12 Y形柱結(jié)構(gòu)模型

通過采用Midas Gen 進(jìn)行建模分析，屋蓋結(jié)構(gòu)是典型的空間結(jié)構(gòu)，振型密集。分析中共計算了45階振型，質(zhì)量參與系數(shù)均達(dá)到90%以上，滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的規(guī)定。前5 階頻率、周期對比見表1，前3 階振型見圖13—圖15。

表1 前5階頻率、周期對比

圖13 第1階振型

圖14 第2階振型

因中間斜柱的橫向空間作用，2 個結(jié)構(gòu)的1 階振型表現(xiàn)為縱向平動，屬于桁架的面內(nèi)變形，表明結(jié)構(gòu)體系受力較好，面外剛度較大。V形柱桁架的面外變形出現(xiàn)在第3 階振型中，Y 形柱桁架的面外變形出現(xiàn)在第2 階振型，頻率分別為0.855 8 和0.652 2。表明V 形柱的橫向作用更強(qiáng)，剛度更大。

3.3 斜柱內(nèi)力分析

圖15 第3階振型

選取最西側(cè)的1組斜柱進(jìn)行內(nèi)力分析，在恒載、活載及順斜柱分叉方向（Y 向）的地震作用下，下柱（墩）和上柱的軸力見圖16、圖17。

對比分析可知，在恒載、活載作用下，V 形柱和Y形柱的軸力基本相同，表明在豎向荷載作用下，二者剛度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小。在Y向地震作用下，二者上柱的軸力差別不大；因V 形柱墩柱底與結(jié)構(gòu)板下支撐柱剛接，Y形柱下柱與結(jié)構(gòu)板上支撐柱柱頂鉸接，所以V形柱墩的地震軸力較Y形柱下柱內(nèi)力增大較多。

圖16 V形柱內(nèi)力

圖17 Y形柱內(nèi)力

4 結(jié)論與建議

北京朝陽站是在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司倡導(dǎo)建設(shè)新時代精品智能客站、貫徹落實“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟(jì)藝術(shù)、智能便捷”客站建設(shè)新理念背景下建設(shè)的特大型鐵路站房。高架候車廳作為最能體現(xiàn)站房建筑品質(zhì)的空間，其細(xì)部建筑結(jié)構(gòu)選型更應(yīng)秉承建筑結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理念，綜合考慮結(jié)構(gòu)性能、空間效果和旅客體驗，持續(xù)進(jìn)行方案優(yōu)化。

（1）比選的3個方案都屬于可行方案。但采用V形柱，結(jié)構(gòu)空間作用更強(qiáng)，整體性更好，建筑造型更為美觀。因此，北京朝陽站最終選用了V形柱支撐方案。

（2）屋蓋鋼結(jié)構(gòu)通過邊列柱和中間V形柱支撐，將對下部底板混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大拉力，應(yīng)針對“盡量減少屋蓋自重對混凝土結(jié)構(gòu)的拉力”制定專項施工措施。

（3）V形柱上端與屋蓋桁架采用銷軸節(jié)點連接，下端與高架層結(jié)構(gòu)采用抗拉型球鉸支座連接，二者都屬于安裝精度要求較高的節(jié)點形式，施工過程中應(yīng)強(qiáng)化空間定位，不斷監(jiān)測、調(diào)整，以滿足設(shè)計要求。

（4）屋蓋通過支撐斜柱與候車廳混凝土底板多個溫度分區(qū)相連，應(yīng)采用整體模型和單體模型分別計算，采用最不利組合進(jìn)行設(shè)計控制。