某鐵路站房大跨樓蓋結(jié)構(gòu)分析設(shè)計

尹衛(wèi)軍，余華彬，張志剛

（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430014）

1 工程概況

某鐵路站房平面呈長方形，長178 m，寬42 m，最大高度27.60 m，主要部分2 層。柱網(wǎng)為9 m×9 m、15 m×24 m 和24 m×24 m。主要功能為候車廳，售票廳和辦公室。圖1 為站房效果圖。

圖1 某鐵路站房效果圖

抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第二組。站房結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防分類為丙類，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+鋼網(wǎng)架屋面，框架的抗震等級為三級，大跨框架抗震等級為二級。

二層候車廳中間部分雙向柱距均為24 m。圖2 為候車廳部分結(jié)構(gòu)三維圖。此大跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是本工程設(shè)計的重難點(diǎn)，本文主要討論此雙向24 m 跨樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖2 候車廳結(jié)構(gòu)三維圖

2 大跨度樓蓋的結(jié)構(gòu)方案分析

2.1 結(jié)構(gòu)布置與控制條件

按照柱網(wǎng)布置，第2 層樓蓋中的大跨度部分結(jié)構(gòu)可以采用圖3 所示的2 種方案。

圖3 大跨樓蓋結(jié)構(gòu)布置方案

方案一以橫向框架梁受力為主（橫向與站房短邊平行），次梁采用井字梁結(jié)構(gòu)形式。按照與建筑專業(yè)協(xié)商的結(jié)構(gòu)構(gòu)件控制尺寸，框架柱截面1.4 m×1.4 m；因?yàn)榻ㄖI(yè)對層高和凈空高度的要求，橫向梁高超過1.6 m時梁內(nèi)需留孔布置風(fēng)管，且梁高不應(yīng)超過1.8 m，橫向主要受力框架梁的高度采用許可的最大高度，截面取1.3 m×1.8 m；井字梁雙向截面分別為0.40 m×1.2 m、0.45 m×1.4 m；樓板厚度130 mm。

方案二以縱向框架梁受力為主（縱向與站房長邊平行），采用單向次梁結(jié)構(gòu)，框架柱截面1.4 m×1.4 m，縱向框架梁截面1.0 m×2.0 m，24 m 跨次梁截面0.6 m×1.6 m，樓板厚度140 mm。

候車廳樓板裝修面層及吊頂荷載取3.3 kN/m2，活荷載取4.0 kN/m2，結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。混凝土C40，普通鋼筋HRB400，預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度fptk=1860 N/mm2。

擱置次梁的預(yù)應(yīng)力框架主梁因其重要性，將裂縫控制等級確定為二級，即一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。

按照非預(yù)應(yīng)力梁對2 個結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計算分析，采用PKPM2010 系列PREC 和SATWE 程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，采用Midas Gen 2015 程序校核。

2.2 結(jié)構(gòu)布置方案一

方案一將24 m 跨度的橫向主要受力框架梁和縱向框架梁設(shè)計為預(yù)應(yīng)力梁，井字梁采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井字梁中可以不布置預(yù)應(yīng)力筋，降低工程施工難度。此方案可否采用取決于橫向主要受力框架梁的受荷能力。

主要受力框架梁跨度24 m，截面1.3 m×1.8 m。從SATWE計算文件中查出該框架梁的非地震標(biāo)準(zhǔn)組合的跨中彎矩值Mk=13 227 kN·m，主要考察主梁中部底邊裂縫驗(yàn)算能否滿足二級裂縫控制要求，預(yù)應(yīng)力對梁的影響在方案選型階段近似忽略次彎矩，以主彎矩代替綜合彎矩。

參考JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.3.3 條，梁端最大配筋率不應(yīng)超過2.75%[1]，主梁1 300 mm×1 800 mm 梁底可配置：2.75%bho=60 775 mm2的HRB400 普通鋼筋底筋（b 為截面寬度；h0為截面有效高度）；

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）附錄C第C.0.7 條，規(guī)定了預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的混合配筋方式，且二者的強(qiáng)度比不宜大于0.75[2]。

將梁底筋不超過75%普通鋼筋按等設(shè)計強(qiáng)度換算為預(yù)應(yīng)力筋，布置8-10φS15.2（Ap=11 120 mm2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

考慮現(xiàn)澆板作為梁翼緣的梁截面參數(shù)如圖4 所示。

圖4 方案一主梁參數(shù)

預(yù)應(yīng)力控制應(yīng)力σcon取0.75 fptk，預(yù)應(yīng)力損失按照0.3σcon估算：

框架梁上有效預(yù)壓力Npe=0.7×0.75fptk×Ap=10 858 kN；

預(yù)應(yīng)力主彎矩Mpe=Npe×e=7242 kN·m；

計算梁底的應(yīng)力：

C40 混凝土抗拉強(qiáng)度ftk=2.39 N/mm2，σck>ftk。

考察的框架主梁不能達(dá)到二級裂縫的控制標(biāo)準(zhǔn)[3]，需要增大梁截面面積。對比柱寬1.4 m 和柱內(nèi)鋼筋的布置空間，梁寬1.3 m 已經(jīng)是適宜的最大梁寬。如前述，梁高1.8 m 是許可的最大梁高。因此，方案一主要受力的主梁截面受限，抗裂不能滿足要求。

2.3 結(jié)構(gòu)布置方案二

方案二中，24 m 跨次梁擱置在縱向24 m 跨框架主梁上，縱向框架梁成為主要受力構(gòu)件。由于縱向梁下不走管道，梁高對候車廳凈空高度影響較小，梁高可以取結(jié)構(gòu)需要的高度，縱向主要受力框架梁截面取1.0 m×2.0 m，梁的抗裂較容易滿足二級裂縫控制要求。橫向24 m 跨次梁的梁高取1.6 m，可以避免橫向大跨梁內(nèi)留孔的復(fù)雜設(shè)計和施工。設(shè)計擬采用方案二實(shí)施。

但此結(jié)構(gòu)方案，24 m 跨次梁擱置在縱向框架主梁上，次梁梁端的彎矩對主梁形成扭矩，大跨次梁撓度較大，在主梁上會產(chǎn)生很大的扭矩。在主要受力的縱向框架梁滿足受彎承載力、裂縫控制要求后，分析和處理次梁對主梁形成的扭矩，就成為此方案設(shè)計中的關(guān)鍵。若主梁抗扭不滿足，結(jié)構(gòu)就存在極大的安全隱患。后文對此主梁進(jìn)一步分析。

3 主梁不滿足截面條件

一般現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體計算時，若采用剛性樓板假定，可以考慮樓板對梁抗扭的作用而對梁的扭矩進(jìn)行折減，一般折減系數(shù)取為0.4～1.0。

本工程縱向框架主梁截面1.0 m×2.0 m 較大，其抗扭剛度也較大，矩形截面受扭塑性抵抗矩為Wt1=0.83×109mm3，考慮樓板作為翼緣后其T 形截面（板厚140 mm，翼緣每邊寬度6×140 mm=840 mm）受扭塑性抵抗矩為Wt2=0.853×109mm3，則Wt1/Wt2=0.973。因此，現(xiàn)澆樓板對主梁的扭轉(zhuǎn)約束較小，本工程從偏安全的角度將縱向框架主梁的扭矩折減系數(shù)取為1.0，即不對框架主梁的扭矩作折減。

按方案二的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行計算，主梁在⑧軸支座位置的非地震基本組合內(nèi)力為彎矩M=11 565 kN·m，剪力V=3 622 kN，扭矩T=2 357 kN·m。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）第6.4.1 條[3]驗(yàn)算彎剪扭共同作用下的截面條件：

式中，βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；fc為混凝土抗壓設(shè)計值；Wt為截面抵抗矩。

計算表明，主梁不能滿足截面條件，需要減小主梁的扭矩。

4 設(shè)計大跨次梁減小主梁扭矩

4.1 次梁布置預(yù)應(yīng)力減小主梁扭矩

次梁設(shè)計除了要滿足自身承載力外，還必須減小因次梁梁端彎矩對主梁形成的扭矩。因次梁撓度和主梁對次梁約束是次梁梁端彎矩產(chǎn)生的原因，所以設(shè)計擬在次梁中布置預(yù)應(yīng)力減小次梁撓度。

24 m 跨次梁截面尺寸為0.6 m×1.6 m，設(shè)計在次梁中布置曲線形預(yù)應(yīng)力筋，拋物線形預(yù)應(yīng)力筋可以產(chǎn)生等效荷載平衡部分次梁豎向荷載，減少次梁撓度和主梁扭矩。

4.2 控制次梁梁端預(yù)壓力彎矩

梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線的線形一般采用3 段拋物線首尾相連的形式，為充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力作用，常將拋物線矢高做大。如此，則預(yù)壓力在梁端形成較大偏心彎矩，在主梁上轉(zhuǎn)化為扭矩，對主梁受力不利，如圖5 所示。

圖5 預(yù)壓力在梁端產(chǎn)生偏心彎矩

本工程設(shè)計采用曲線筋和直線筋混合使用的方式，除了布置拋物線筋，還在混凝土梁底布置直線筋，使次梁梁端的預(yù)壓力偏心彎矩基本自平衡，減小對主梁形成扭矩，如圖6 所示。

圖6 預(yù)壓力在梁端偏心彎矩相互抵消

次梁上布置拋物線筋+直線筋，次梁預(yù)應(yīng)力等效荷載如圖7 所示。梁端等效彎矩計算考慮了不同線形鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失差異。

圖7 次梁預(yù)應(yīng)力等效荷載

為準(zhǔn)確計算次梁預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)影響，將次梁的預(yù)應(yīng)力等效荷載考慮分項系數(shù)處理后，作為恒載直接輸入電算程序。

4.3 主梁驗(yàn)算滿足截面條件

增加次梁預(yù)應(yīng)力等效荷載的結(jié)構(gòu)計算，主梁扭矩折減系數(shù)仍取1.0[4]。主梁在⑧軸支座位置的非地震基本組合內(nèi)力變?yōu)镸=11 097 kN·m，V=3 556 kN，T=1 359 kN·m，主梁梁端扭矩明顯減小。

再次驗(yàn)算主梁的截面條件：

主梁在不考慮地震作用的組合下滿足截面條件，程序計算的結(jié)果也顯示該梁在其他荷載組合下均不再出現(xiàn)超筋信息，能夠滿足截面條件。

初步計算中次梁按配置拋物線鋼絞線20φS15.2 mm 和直線型鋼絞線10φS15.2 mm，次梁設(shè)計不僅滿足了自身承載能力要求，還解決了作為次梁支座的框架主梁的受扭問題。

至此，候車廳大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點(diǎn)問題得到解決，結(jié)構(gòu)設(shè)計時大跨樓蓋按單向次梁方案實(shí)施。然后梁、板結(jié)構(gòu)均按相關(guān)要求計算和配置其他鋼筋。

5 結(jié)語

1）大跨度樓蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要結(jié)合建筑限制條件選擇合適的方案。如本工程采用方案二，在建筑功能許可的位置采用較大梁高，解決結(jié)構(gòu)問題的同時滿足建筑功能要求。

2）本工程對雙向大跨混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，大跨次梁設(shè)計中運(yùn)用預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力等效荷載平衡部分豎向荷載，并控制梁端預(yù)壓力彎矩，減少主梁扭矩，在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中不能實(shí)現(xiàn)的主梁承托大跨度次梁方案得以實(shí)現(xiàn)。

3）在梁截面較大的工程中扭矩折減系數(shù)要慎重取值，不能盲目地按通常工程采用，必要時不折減梁扭矩，保證結(jié)構(gòu)安全。

本項目已經(jīng)竣工并投入使用，運(yùn)營效果良好。工程做法可供同行參考。