肯尼亚内罗毕南火车站钢结构设计-水规院-曲军彪

内罗毕南火车站结构设计曲军彪1任振杰1(1.中交水运规划设计院有限公司，北京100101)摘要：介绍了内罗毕南火车站结构设计方案，采用了多种计算软件对火车站结构进行计算分析，计算中考虑了恒载、活载、风载、温度作用、地震作用等，对结构进行了静力分析、反应谱分析、时程分析、动力弹塑性分析、楼板舒适度分析、阶段施工分析和关键节点有限元分析。计算分析结果表明：工程设计符合规范要求，结构安全可靠。关键词：内罗毕南火车站；温度作用；动力弹塑性；舒适度分析文章编号：xxxStructureDesignofNairobiSouthRailwayStationQuJunbiao1RenZhenjie1(1.CCCCWaterTransportationConsultantsCo.Ltd,Beijing100101,China)Abstract:ThestructuredesignschemeofNairobiSouthRailwayStationisintroduced,andavarietyofsoftwareareusedtocalculateandanalysisthestructure.Inthecalculationprogress,deadload,liveload,windloadandtemperatureaction,earthquakeetc.havebeconsidered.Thestaticperformanceanalysis,responsespectrumanalysis,timehistoryanalysis,dynamicelasticplasticanalysis,floorcomfortanalysis,constructionphaseanalysisandfiniteelementanalysisofkeynodesareintroduced.Theanalysisresultsshowthattheengineeringdesignmeetstherequirementsofthecode,andthestructureissafeandreliable.Keywords:NairobiSouthRailwayStation；temperatureaction；dynamicelasticplasticanalysis;floorcomfortanalysis1工程概况内罗毕南火车站位于肯尼亚首都内罗毕A109路西南侧，项目用地紧邻OldMombasa路，南侧邻近国家公园；距老城区约11公里，距JomoKenyatta国际机场约3公里，距Syokimau火车站约1公里。站房总建筑面积约21400m2，其中火车站约14963m2，调度中心面积约5000m2，其他附属设施面积约1430m2，为蒙内铁路规模最大的火车站（图1）。图1内罗毕南火车站总平面图Fig.1GeneralplanofNairobiSouthRailwayStation内罗毕南火车站为长方形建筑，长172.2m，宽41.2m，屋面最高20m，地下1层，地上3层。地下一层主要为员工餐厅及厨房，地上一层主要为售票厅、通信信号用房，地上二层主要为通信信号用房及办公室，地上三层为候车大厅（图2）。建成后的内罗毕南站将成为区域地标性建筑，提升城市交通网络体系建设，联合Syokimau火车站、内罗毕国际机场，打造成路空无缝衔接一体化交通枢纽。1图2内罗毕南火车站整体效果图Fig.2NairobiSouthRailwayStationOverallEffectChart2内罗毕南火车站结构体系内罗毕南火车站的设计理念是“桥”“火车”“门户”，象征着友谊合作、经济增长、国际化城市。3层候车大厅层将两侧辅助功能用房层连接起来。3层候车大厅层高10m，两侧辅助功能用房层高10m。候车大厅作者简介：曲军彪，硕士研究生，高级工程师收稿日期：2016-01-20下方为通透空间，纵向跨度81m，横向跨度40m，形成了“桥”“火车”“门”的建筑空间造型，体系了内罗毕南火车站的设计理念。(1)上部结构体系根据内罗毕南火车站大跨空间结构的建筑造型特点，结构体系选择宜采用钢结构框架体系。两侧辅助用房轴网间距为8mx9m，采用500x500x30箱型截面钢柱，焊接H型钢梁,楼面为150mm厚现浇钢筋桁架楼承板，屋面板为钛锌板。候车大厅层81mx40m空间，由两侧10m高81m长大跨桁架及中间4根直径1300mm的钢骨混凝土柱支撑。跨度8、9m的梁均采用焊接H型钢梁，楼面为150mm厚现浇钢筋桁架楼承板。候车大厅层屋盖采用800mm高箱型截面钢梁，按井格布置，由树支形柱支撑，屋面板为钛锌板。对于候车大厅层楼面36m、24m大跨梁采用何种截面形式综合考虑了建筑效果、工程造价、施工难度等方面的因素，进行了方案比选。方案比选见表1，最终选择采用实腹式钢梁。对于36m大跨梁，采用了2400x600x50mm箱型截面梁；对于24m大跨梁，采用了1800x600x40x40mm焊接H型钢梁。表136m大跨梁方案比选Table1SchemeComparisonof36mLargeSpanBeam序号比较项目实腹式钢梁钢桁架梁1截面尺寸箱形截面2400x600x50（高x宽x壁厚）上弦为箱形截面700X400X20，下弦为箱形截面400x400x20，腹钢为箱形截面300x300x16，截面总高度为3200mm2结构特点上翼缘受压，下翼缘受拉，腹板受剪，截面刚度大，用钢量大（527t）上弦受压，下弦受拉，通过截面高度来增加刚度，用钢量小（409t）。3施工特点截面较大，壁厚较厚，焊接工作量大，需在国内工厂采用机械连续施焊。构件焊接好后，运作国外进行安装，因杆件较长，运输成本较高。截面小，壁厚薄，可在国外现场焊接，但焊接量大，现场施工周期长。4建筑效果候车大厅下净空7.34m，空间较大候车大厅下净空6.54m，空间较小(2)基础型式建筑场地位于东非大裂谷东侧的Kapiti火山岩高原区，地势平坦，地面高程1626-1637m。主要分布第四系全新世-中更新世黑棉土，下伏第四系玄武岩。玄武岩场区内广布，岩芯以碎石状为主，强风化层，钻探最大揭示厚度7.8m（未穿透），层顶埋深0～6.7m（一般埋深1～2m，平均埋深1.2m，局部埋深大于3m）。强风化玄武岩地基承载力特征值达600KPa，地基条件较好。本工程地下室部分采用筏板基础，其他部分均采用柱下独立基础，钢柱脚均采用埋入式柱脚。3结构计算分析内罗毕南站结构设计采用PMSAP和SAP2000两种软件进行计算分析，关键节点采用ABAQUS软件进行有限元分析。PMSAP是中国建筑科学研究院开发的用于复杂空间结构设计的大型软件。PMSAP自1998年正式推出以来，经受了大量实际工程的考验。PMSAP曾在鸟巢看台、国家体育馆等奥运工程中被选为主要设计软件；在深圳平安大厦、上海中心等500米以上的标志性超高层建筑设计中被采用，均取得了满意的计算效果。SAP2000是由美国ComputersandStructuresInc.(CSI)公司开发研制的通用结构分析与设计软件，是全球公认的结构分析计算程序。SAP2000分析计算功能十分强大，它几乎囊括所有结构工程领域的最新结构分析功能，从静力动力计算，到线性非线性分析，从P-效应到施工顺序加载，从结构阻尼器到基础隔振，都能运用自如。在设计能力方面，SAP2000是一个一体化的设计程序，钢框架设计、混凝土框架设计、壳体设计都是在同一软件中完成。ABAQUS是由美国SIMULIA公司开发的一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。本工程结构设计考虑了恒载、活载、风荷载、地震作用、温度作用,对结构进行了静力分析、反应谱分析、时程分析、动力弹塑性分析、楼板舒适度分析、阶段施工分析和关键节点有限元分析。计算模型见图3。2图3结构计算模型Fig.3StructureCalculationModel3.1主要参数(1)设计参数设计使用年限：50年；安全等级：二级（通信用房为一级）；(2)温度作用取值根据当地气象资料，基本气温取9℃和35℃。结构合拢温度区间取17℃～27℃。则结构最大升温为28℃（考虑10℃的辐射温度升高），最大降温为18℃。(3)地震作用取值根据岩土工程勘察报告，地震设防烈度为7度0.15g，地震分组第二组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.4s。(4)风荷载取值根据当地气象资料，基本风压为0.3KPa。3.2主要计算结果规范[1]要求复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个合适的不同力学模型，并对其计算结果进行分析比较。本工程结构计算均采用两种软件对比分析，确保结果安全。本工程采用PMSAP及SAP2000进行计算复核，主要计算结果指标对比如表2。表2两种软件计算结果对比Table2ComparisonofTwoSoftwareCalculationResults序号计算指标PMSAPSAP20001周期（s）T1（y）0.7110.702T2（x）0.6180.690T3（t）0.5850.5852地震作用下层间位移角最大值X向（层号）1/833(2)1/878(2)Y向（层号）1/830(2)1/887(2)3风荷载作用下层间位移角最大值X向（层号）1/14144(1)1/12141(2)Y向（层号）1/6968(3)1/10365(2)4最大扭转位移比X向（层号）1.13(1)1.05(2)Y向（层号）1.26(2)1.19(2)5刚重比X向20.2819.18Y向11.6910.546本层与上层侧向刚度70％之比（最小值）X向2.162.13Y向2.682.777下层与上层受剪承载力比（最小值）X向1.131.05Y向1.131.058剪重比X向8.62％8.3％Y向6.86％6.7％9轴压比（最大值）柱0.360.37从表2对比分析结果可知，两种计算软件的计算结果基本接近，计算结果满足规范要求。风荷载不起控制作用。地震作用下的变形为主要控制指标。图4为结构在X和Y方向地震作用下的变形。图4aX向地震作用下的变形（单位：mm）Fig.4aDeformationUnderX-DirEarthquakeAction3图4bY向地震作用下的变形（单位：mm）Fig.4bDeformationUnderY-DirEarthquakeAction3.3结构动力弹塑性计算分析（1）地震波的选取选择一条人工波：RH1TG040(人工波，特征周期0.4s)；选择两条天然波：TH1TG040(天然波，特征周期0.4s)、TH2TG040(天然波，特征周期0.4s)。（2）选用地震波合理性判断采用弹性时程分析得到的基底剪力与CQC方法对比筛选合适的进行弹塑性动力时程分析的地震波。表3两种软件计算结果对比Table3ComparisonofTwoSoftwareCalculationResults地震波名X向基底剪力Vx/VcxY向基底剪力Vy/Vcy（KN）（KN）RH1TG040108720.8674130.85TH1TG040129651.0381360.93TH2TG040106000.8479450.91平均基底剪力114790.9178310.90CQC125868728注：Vx/Vcx－时程分析的基底剪力与CQC分析的基底剪力的比值规范要求每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65％，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80％.由上表可知，地震波选取合适。