0 引言

　　 新建京张高铁清河站为京张高铁最大的综合交通枢纽站，也是北京清河地区最重要的交通枢纽之一，工程西侧紧邻既有地铁13号线及G7高速，东侧紧邻金泰富地及MOMA大厦等高层建筑群，南侧紧临小营西路，北侧上跨规划的安宁庄公交及慢行通道。周边既有建筑设施多，设计条件受限。清河站鸟瞰图见图1。

　　 图1 清河站鸟瞰图  

　　  

　　 项目由国铁站房及配套工程、地铁工程及市政工程三部分组成。地铁13号线、地铁27号线(昌平线南延二期)及地铁19号线支线结构为本工程结构不可分割的部分，与国铁结构共构设置。城市通廊及安宁庄北路市政公交慢行通道与高铁线路方向垂直，穿过本工程结构地下一层，与国铁结构共构设置。

　　 图2 各层建筑平面示意图及建成后建筑南立面  

　　  

　　 本工程体量大，结构形式复杂，涉及建筑、铁路、地铁、公路等行业要求，存在多个设计难点，需要对结构体系的抗震性能、钢结构站厅层的使用舒适度、复杂屋面的风荷载取值、大跨屋面结构的抗连续倒塌性能、超长无缝结构的温度应力作用、重要节点的连接等方面进行分析，通过各项研究分析，保证结构设计的安全经济合理性。

1 项目概述

　　 本工程建筑面积14.6万m²,地下二层，地上二层(局部三层),采用建桥合一结构体系。

　　 地下二层为地铁地铁27号线与19号线站台层及地铁区间结构；地下一层为地铁换乘大厅、地铁国铁设备用房及地下车库(战时人防工程);地上一层为地铁13号线站台层及国铁站台层，13号线位于1站台；国铁为4台8线，其中2线和7线为正线。地铁与国铁运行方向在枢纽范围基本平行设置。地上二层为国铁候车厅及高架落客平台，地上三层为国铁商业区。

　　 本工程结构长660m、宽165m, 各层建筑平面示意图及建成后南立面见图2。地下部分采用钢筋混凝土结构，地上部分采用钢结构。以①,⑧轴为界在地下一层顶板及以上设两道150mm宽防震缝。结构分为三个单元：A区主站房、B区站房南侧、C区站房北侧，结构单元划分图见图3。地下一、二层有220～660m超长无缝结构。

　　 A区主站房为复杂高层组合结构；主站房屋面为双曲钢桁架结构，屋面跨度43.5～84.5m, 四周悬挑最大12.5～18m; B区及C区地下二层地铁区间上方为地下车库，存在托柱转换。

2 结构设计参数及技术标准

2.1 结构设计参数

　　 抗震设防烈度为8度；基本地震加速度值为0.20g;设计地震分组为第二组；建筑场地类别为Ⅲ类；场地特征周期为0.55s; 结构阻尼比：钢筋混凝土结构为0.05,钢结构为0.04;水平地震影响系数为0.16。

　　 图3 结构单元划分示意图  

　　  

　　 荷载取值：1)金属屋面基本风压、基本雪压按重现期100年取值；2)高铁列车竖向活载采用ZK活载，地铁列车竖向活载按《城市轨道交通工程设计规范》(DB 11/995—2013) ^[1]第10.1.20条取值；3)市政道路采用公路—Ⅰ级荷载。

2.2 工程地质条件

　　 各结构单元设计标准 表1

分区编号		建筑功能	安全 等级	重要 性系数	结构形式	设计使用年限	耐久性年限	抗震设 防类别	抗震等级
A		地铁及高铁的站台、地铁换乘厅及候车厅	一级	1.1	桥-建组合结构	50年(-9.65m标高及以下为100年)	100年	乙类	地上钢管柱为特一级、钢梁为二 级；地下钢筋混凝土结构为一级
B	—	地铁区间、地铁及高铁设备用房、地下车库	一级	1.1	钢筋混凝土 框架结构	100年	100年	乙类	一级
	B1	高架落客平台	一级	1.1	钢管混凝土柱钢 框架结构	50年	100年	乙类	一级
	B2	地铁13号线地上结构	二级	1.0	钢筋混凝土 框架结构	50年	100年	乙类	一级
	B3	高铁站台层	一级	1.1	钢管混凝土柱钢 框架结构	50年	100年	乙类	一级
C	—	地铁区间、地铁及高铁设备用铁设备用房、地下车库	一级	1.1	钢筋混凝土 框架结构	100年	100年	乙类	一级
	C1	高架落客平台	一级	1.1	钢管混凝土柱 钢框架结构	50年	100年	乙类	一级
	C2	地铁13号线地上结构	二级	1.0	钢筋混凝土 框架结构	50年	100年	乙类	一级
	C3	高铁站台层	一级	1.1	钢筋混凝土 框架结构	50年	100年	乙类	一级
	C4	钢结构雨棚	一级	1.1	钢管混凝土柱 钢框架结构	50年	100年	乙类	一级

 

　　  

　　 结构抗震性能设计指标 表2

指标		A区钢屋盖整体结构		A区主站房
抗震设防水准		第一水准(小震)	第二水准(中震)	第一水准(小震)	第二水准(中震)	第三水准(大震)
宏观损坏程度		完好	基本完好	完好	基本完好	基本完好
承载力要求	主要受力构件 (桥墩柱)	弹性	弹性	弹性	弹性	不屈服
	其余构件	弹性	—	弹性	—	—
变形要求		挠跨比≤1/400		钢框架≤1/300,混 凝土框架≤1/550		钢框架≤1/75,混凝 土框架≤1/150

 

　　  

　　 地层主要为第四系全新统人工填土、粉土、粉质黏土、砂类土及圆砾土。地层分布连续稳定，地层的物理力学性质较好，无高压缩性土，无软弱土，无湿陷性土。拟建场地属于抗震不利地段。

　　 不良地质作用主要为地面沉降和地震液化。抗浮设计水位标高为45.1m。典型地质剖面见图4。

　　 图4 典型地质剖面  

　　  

　　 注：图中未说明数值为钻孔深度，m。

2.3 结构设计标准

　　 本工程为大底盘多塔结构，根据建筑功能，依据国家现行的建筑结构、铁路、地铁、市政工程的结构设计标准及规范，确定结构的大底盘及上部各塔的设计标准，见表1。

2.4 结构抗震设防性能指标

　　 A区主站房为复杂高层组合结构，抗震设防类别为乙类，为此，对A区结构设定了抗震性能化的目标，具体见表2。

3 结构概况

3.1 主站房(A区)

　　 A区结构长175m、宽约165m, 建筑屋檐高度约为23～43m; 地下二层层高8.35m, 地下一层层高6.3m; 一层层高12m, 二层层高11～21m; 地下结构典型柱网为12.5m(顺轨向)×10.5m(垂轨向),地上二层典型柱网为25m(顺轨向)×21m(垂轨向),局部三层为商业夹层，柱网加密为12.5m×10.5m, 层高5.5m; 屋面采用主次钢桁架结构，垂轨向桁架跨度为43.5～84.5m, 由三根近似椭圆形钢管混凝土柱(A柱、Y柱、直柱)支撑，顺轨向桁架跨度为25m。

　　 主体结构柱与承轨层桥梁的柱墩共用，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在桥墩柱上，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组合结构 ^[2,3]。A区主站房剖面见图5。

　　 图5 A区主站房剖面

　　  

3.2 站房南侧(B区)

　　 B区地下结构长×宽=240m×(58～125)m, 典型柱网为9m×10.5m, 地上为多个独立结构，B1为落客平台，B2为地铁13号线的设备用房，共两层；B3为国铁的站台层，共4个，层高为3.2m; 结构形式见表1;B区高架落客平台处剖面见图6。

　　 图6 B区高架落客平台处剖面 

　　  

3.3 站房北侧(C区)

　　 C区的建筑功能及结构布置与B区基本相同；地下结构长×宽=240m×(58～147)m, 典型柱网为9m×10.5m, 地上C1为落客平台，C2为地铁13号线的设备用房，C3为国铁的站台层；C4为无站台柱雨棚，长×宽=186m×86m, 18m(顺轨向)×21m(垂轨向)。C区高架落客平台处剖面与B区相似，故此处略去；C区站台雨棚剖面见图7。

　　 图7 C区站台雨棚剖面  

　　  

3.4 承轨层结构

　　 A区主站房承轨结构为桥墩+盖梁，柱网尺寸约为25m(顺轨向)×21m(垂轨向);承轨梁分别采用了单线槽形梁桥、双线槽形梁桥。此部分结构由中铁设计桥梁院设计。B区及C区的承轨结构为钢筋混凝土框架结构。

3.5 站台层

　　 A区主站房的站台为楼面梁结构，梁跨为25m(顺轨向)×11.5m(垂轨向),每隔50m设一道温度伸缩缝；B区及C区站台结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，柱网9m(顺轨向)×11.5m(垂轨向);每隔54m设一道温度伸缩缝。

3.6 楼屋面结构

　　 钢筋混凝土框架结构采用主次梁现浇钢筋混凝土楼盖体系；钢管混凝土柱钢框架结构采用主次钢梁+钢筋桁架组合楼板；主站房双曲屋面采用双向主次钢桁架+压型钢板金属屋面；站台雨棚屋面采用双向主次钢梁+压型钢板金属屋面。

4 结构分析及计算软件

　　 本工程A区结构复杂，进站大厅空间存在大挑空区，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84m, 屋盖的屋面超大悬挑18m; 为建桥合一组合结构；地下结构无缝超长660m; 地下地铁结构顺轨向结构断面变化大，不适用二维法进行结构抗震分析；综合以上原因，结构分析采用了多个软件，采用通用有限元软件进行分析计算，校核模型及计算结果。

　　 (1)A区采用YJK-S1.8和MIDAS Gen(v800)进行整体结构建模分析，进行互校，进行钢筋混凝土结构和钢结构的设计。

　　 (2)B区及C区采用YJK-S1.8进行整体结构建模分析，进行钢筋混凝土结构和钢结构的设计。

　　 (3)采用ANSYS进行大跨度屋盖主要受力节点的补充分析：A柱顶部与屋面桁架连接、Y柱分叉铸钢节点、型钢梁转换柱节点的有限元分析和钢结构柱屈曲分析等。

　　 (4)采用ABAQUS进行A区主站房结构的动力弹塑性及大跨度屋面抗连续倒塌的性能分析。

　　 (5)采用ANSYS进行建桥合一结构车致振动舒适度的分析。

　　 (6)采用ABAQUS建立结构+土层的整体模型进行地下结构抗震性能分析。

5 站房结构设计关键技术

5.1 基础设计

(1)地勘建议：

　　 拟建场地工程基坑底位于③细砂层或④粉质黏土层中，地基承载力一般，根据地勘报告建议采用筏板基础或桩-筏基础。

(2)基础设计控制指标：

　　 基础设计等级为一级，需要进行地基变形验算。根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014) ^[4] 表7.3.1规定，对于有砟轨道，承轨桥梁结构的沉降有限值要求：墩台均匀沉降为30mm, 相邻基础沉降差为15mm。沉降变形要求严于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)相关要求，按《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014) ^[4]要求控制变形。

(3)确定基础形式、桩端持力层及桩径：

　　 根据地勘该场地为抗震不利地段，③细砂层存在中等液化，地下一层基础底板位于③细砂层，基础采用桩基(桩端持力层进入稳定土层)+防水板；地下二层基础底板位于④粉质黏土层，地基承载力为160kPa; 采用桩筏基础；采用桩径为1m和0.8m的钻孔灌注桩进行试算。

　　 考虑桩与桩间土共同受力，控制整体沉降变形在规范要求范围之内。

　　 通过沉降试算确定地下二层桩基础持力层为⑦圆砾层，地下一层桩基础采用与⑦层土层压缩模量相近的⑤细砂-圆砾层。

　　 地下二层桩长40～45m, 地下一层桩长15m, 靠近地下二层范围桩长55m。

(4)确定采用后压浆工艺：

　　 从桩数量、平面布置、控制基桩变形和桩端沉渣等方面考虑，采用了桩侧及桩端后注浆施工工艺。后注浆侧压力增强系数统一取1.40,端阻力增强系数取2.50,③细砂层液化折减系数统一取0.30。

(5)软弱下卧层验算：

　　 桩端平面以下受力层范围内存在⑥,⑧粉质黏土软弱下卧层，进行软弱下卧层的承载力验算。

(6)抗浮稳定性验算：

　　 采用抗拔桩及结构自重抗浮，本工程抗压桩兼做抗拔桩。抗拔桩的承载力由桩身承载力及裂缝宽度限值0.2m控制确定。

(7)提出工程试桩要求：

　　 工程基础设计等级为一级，按照《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008) ^[5]5.3.1条要求工程桩施工前应进行工程试桩，确定后压浆工艺参数及单桩极限承载力，为复核桩基础设计提供依据。

5.2 地下结构设计

5.2.1 地下结构的抗震分析

　　 根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014) ^[6]的要求，对于地下车站结构 ^[7]应进行抗震专项设计。

　　 本项目地下结构断面复杂，沿线路方向变化大，且地下一层顶板不连续，无法简化为二维问题来进行计算。采用全过程时程分析法来进行地震作用计算。建立结构+基础+地基整体模型，如图8所示。考虑土体的非线性动力特性，进行结构的抗震分析计算，并由此进行结构截面的抗震设计。从分析结果看，主要有以下结论：

　　 图8 结构+基础+地基整体模型图  

　　  

　　 (1)地下结构在E3(重现周期为2450年的地震动)地震波下，X向、Y向最大层间位移角满足设计要求不超过1/250的规定。

　　 (2)地下结构的梁单元，只有极个别梁端负弯矩区钢筋发生小范围屈服，大部分梁钢筋未发生屈服，满足规范要求。

　　 (3)地下结构的柱单元，只有极个别柱钢筋发生小范围屈服，大部分柱钢筋未发生屈服，满足规范要求。型钢混凝土和钢管混凝土柱中的型钢和钢管均未发生屈服，满足规范要求。

　　 (4)地下结构墙体在E3地震波下的损伤情况：A区地下结构中地铁隧道的长墙部分部位发生损伤，但损伤并不严重。B区和C区大部分墙体未进入塑性，有足够的承载能力。

　　 在E3地震波下，地下结构的承载力满足规范要求，损伤范围不大，且损伤程度较小，工作状况良好，满足抗震性能要求Ⅱ(地震后可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常使用功能)。

5.2.2 超长结构的无缝设计

(1)背景分析

　　 本工程地下混凝土结构超长，平面尺寸：基础底板为 660m×58m, 地下二层为660m×(80～140)m, 地下一层南北两侧两块均约为240m×(80～140)m。

　　 根据建筑及设备要求不设变形缝，结构双向长度超过伸缩缝最大间距55m的要求，需要考虑温度应力对结构的影响。

　　 采用MIDAS Gen(v800)软件对结构的温差收缩效应进行有限元分析，得到温度应力分布的规律和数值，在分析结果的基础上，对不同部位采取不同的处理措施，有效解决温度效应带来的不利影响。主要针对降温工况对结构进行分析，得到温度应力分布情况，找出裂缝发展重点部位。

(2)温度应力计算条件分析

　　 1)最高平均气温及最低平均气温

　　 地下二层位于-9.6m以下，室外土体基本为恒温，取年平均气温10℃;室内A区站台区，有空调系统，室内设计温度为26℃;B区及C区为地铁区间，无空调系统，室内设计温度冬季为16℃,夏季为25℃。

　　 A区结构的最高及最低平均气温取18℃;B区及C区结构的最高平均气温取17.5℃,最低平均气温取13℃。

　　 地下一层：地下室顶板(承轨层)上覆土层层厚大于1.2m, 起到保温隔热的作用，顶板内侧保温涂层，室外最高气温36℃,最低气温-13℃,

　　 B区及C区为地下车库及地铁设备用房，室内温度：冬季12℃,夏季30℃。B区及C区最高平均气温取28℃,最低平均气温取-0.5℃。

　　 2)最高平均初始温度及最低平均初始温度

　　 根据结构施工工期安排，地下二层的合拢时间为3月，合拢温度取5～10℃;地下一层的合拢时间为4月，合拢温度取10～15℃。

　　 3)混凝土收缩当量温差

　　 将混凝土收缩影响折算为当量温差，对于钢筋混凝土结构取15℃。

　　 4)结构降温工况温度作用

　　 地下二层：A区为-7℃,B区及C区为-12℃;地下一层为-30.5℃。

　　 5)混凝土松弛徐变影响系数：0.3。

　　 6)结构刚度折减：对于地下二层取0.85,地下一层取0.9。

(3)结果分析

　　 地下一层应力集中点主要在：A区、B区及C区相连双柱处、混凝土墙体、柱与板相连处；地下二层应力集中点主要在：混凝土墙体、柱与板相连处；最大温度应力小于C40混凝土的抗拉强度2.39MPa; 温度应力作用不会使结构开裂；应力集中点配筋适当加强。图9为B区地下二层顶板的应力云图。

　　 图9 B区地下二层顶板的应力云图/MPa 

　　  

5.3 A区主站房建桥合一结构体系

5.3.1 结构体系的抗震性能

　　 图10 三维模型图   

　　  

　　 站房结构位于8度高烈度区，A区主站房采用建桥合一结构体系，存在多项抗震不利项；在采取抗震概念设计、基于弹性性能化设计同时，建立三维整体模型，如图10所示，通过大震动力弹塑性时程分析，对结构在设计大震作用下的非线性性能进行定量分析，分析结构在强烈地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况，以及整体结构的弹塑性行为，分析结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况，重点考察结构桥墩柱、钢结构屋面支撑柱结构及屋面桁架结构等；找出结构的薄弱层或薄弱部位。

　　 图11 模型基础约束图

　　  

　　 分析中考虑以下非线性因素：几何非线性、材料非线性、施工过程非线性，根据地下桥墩地基刚度矩阵信息和嵌固条件，采用土弹簧来模拟土对基础的作用，如图11所示。通过大震弹塑性分析得出：

　　 (1)7组地震波包络的结构最大层间位移角未超过1/50,满足规范“大震不倒”的要求。

　　 (2)结构损伤主要集中在-3.2m标高处的Ⓒ轴的角部墩柱及地下二层的外墙；其他部位墙体损伤很轻。

　　 (3)在-3.2m标高位置Ⓒ轴角部墩柱截面尺寸突减、构件刚度发生突变，构件内力略超极限抗弯承载力。

　　 对Ⓒ轴角部墩柱与上部钢直柱交接部位的节点采取了加强措施：1)桥梁墩柱增加四周纵筋配筋率；2)在钢直柱与桥墩柱分界面的影响范围对钢直柱截面加强。影响范围为钢柱插入桥墩柱1.5H(H为钢支柱截面高度)深度及桥墩柱分界面以上1.0H高度范围。钢直柱的壁厚由50mm增加到60mm, 内侧加劲板厚度由30mm增加到50mm。具体见图12。

　　 图12 直柱与桥墩柱交接处加强措施 

　　  

　　 (4)Ⓒ轴的两道交叉支撑出现了一定塑性应变；钢屋面部分斜撑构件出现一定塑性应变。支撑屋面的A柱、Y柱、直柱处于弹性状态，实现了大震弹性的性能目标。

　　 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成果，并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。

5.3.2 车致振动引起的候车层的舒适度分析

　　 车致振动舒适度采用《城市区域环境振动标准》(GB 10070-88) ^[8]对振动舒适度进行评判，清河站候车层和夹层参照混合区、商业中心区取其限值。考虑到办公及商业在夜间时段(晚22∶00～晨6∶00)的人很少，其Z振级容许值可按昼间75dB(晚22∶00～晨6∶00)取值。

　　 建立考虑结构+基础+环境土体的三维有限元模型，输入列车车辆对轨道各节点的激励时程，进行结构的动力时程分析 ^[9]。采用ANSYS软件分析计算。计算包括三个工况：1)列车在正线以120km/h速度通过；2)列车在到发线进站；3)列车在到发线出站。主要有如下结论：

　　 (1)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。

　　 (2)高铁列车在正线以120km/h速度通过时，候车层楼板最大预测Z振级76.7dB超过限值75dB,不满足要求，通过采取结构措施可满足舒适度要求。

　　 结构改进措施：考虑到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高度从550mm加高至600mm, 楼板厚度从150mm增加至180mm。加强后的方案的计算结果表明，采取该措施后，楼板振动Z振级最大值为74.4dB,满足现行规范要求。

　　 (3)建桥合一结构体系的车致振动问题一般有如下结论：正线位置的振动响应大于到发线，行车位置的响应大于其他位置，站台层的振动响应大于高架候车层和夹层。钢结构的振动响应大于混凝土结构。

5.4 B区及C区转换构件设计

　　 B区及 C区地下二层为地铁27号线及19号线支线的区间结构，这两条平行地铁线出了A区主站房范围后，分别以一定的曲线变换方向，27号线向上爬坡出地面，19号线支线向下潜入更深的地铁区间。地铁区间结构要满足地铁限界的要求，因此区间结构上层布置规则的地下车库柱不能落地，车库顶板为国铁及地铁承轨面，上部恒、活荷载大，车库要满足建筑净高要求，梁跨度不宜太大。

　　 根据以上限制条件，经过结构方案分析，采用了钢筋混凝土框架结构，局部采用型钢混凝土构件进行托柱转换：地下一层采用规则柱网以满足车库车流线要求，柱距不宜太大，以保证梁截面满足列车承轨受力要求及车库净高要求；对影响地铁限界不能落地的柱，在地下二层另设柱，满足地铁限界要求，设置型钢混凝土转换结构以满足地下一层车库布柱要求。转换节点构造如图13所示。

　　 图13 钢管混凝土柱转换节点构造  

　　  

5.5 屋面及围护结构设计

5.5.1 钢结构屋盖抗连续倒塌分析

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[10]第3.12.1条的规定“安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求；有特殊要求时，可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。”

　　 鉴于本项目的重要性，采用多重荷载路径法(拆杆法),用动力弹塑性分析法对结构进行抗连续倒塌分析。分六种工况：边跨前部A柱两肢同时破坏、边跨中部Y柱两肢同时破坏、边跨后部直柱破坏、中间跨前部A柱两肢同时破坏、中间跨中部Y柱两肢同时破坏、中间跨后部直柱破坏。分析拟选损伤关键构件示意见图14。

　　 图14 分析拟选损伤关键构件示意图  

　　  

　　 通过计算竖向荷载(1.0恒荷载+0.5活荷载+0.2风荷载)作用下的结构内力并求得失效构件对剩余结构的反力F,删除欲拆除的构件，结构在竖向荷载和失效构件对剩余结构反力F作用下形成初始内力、刚度和变形，模拟结构的初始平衡态，然后模拟构件失效承载力消失的过程。找出结构在防止连续倒塌方面的薄弱环节，提高结构安全冗余度。

　　 通过分析得出：钢屋盖为双向桁架受力体系，结构冗余度较高，具有良好的抗连续倒塌的能力。图15为拆除边跨A柱的变形云图。

　　 图15 拆除边跨A柱的变形云图/dm  

　　  

5.5.2 屋盖结构及维护结构的风洞试验及风致振动分析

　　 A区主站房屋面西侧悬挑18m, 东侧悬挑13m, 南北两侧悬挑12.5m, 且屋面为双曲屋面，屋面为金属屋面板；C区雨棚为波浪形曲线屋面，四面开敞，屋面为金属屋面板；根据现行规范无法确定准确的风荷载值。中国建研科技股份有限公司按照1∶200的几何缩尺比例建立刚性模型(图16)并对其进行风洞试验 ^[11],测点数量为1 142个，其中双面测点406个；用有限元方法对结构的风致响应进行分析，得到相应的风振系数，最终得到各节点等效风荷载值用于主结构及围护结构的分析与设计。

　　 试验主要结论：所有风向角下，本建筑表面主要承受整体上吸风荷载作用，最大上吸作用出现在230°。

　　 对于平面形状或立面形状复杂的建筑，宜进行风洞试验确定风荷载取值。本项目通过风洞试验给出的《站房及雨棚风洞测压试验报告》对站房屋面结构及站房和雨棚的围护结构进行了复核验算，重点对主站房西侧大悬挑部分风压值大的屋面围护结构设计采取了加强措施。

　　 图16 清河站房1∶200缩尺模型  

　　  

5.6 钢结构特殊节点分析

　　 对结构的重点部位(Y柱分叉处的铸钢节点、型钢混凝土梁转换钢管混凝土柱节点、中间支撑Y柱与屋面主桁架的连接节点、A柱柱顶与屋面主桁架连接节点)补充有限元分析：采用通用有限元软件ANSYS进行数值计算分析，节点实体单元采用Solid 95,截面采用Mpc 184单元进行截面耦合从而施加荷载。

5.6.1 Y柱分叉处的铸钢节点设计

　　 铸钢件材质为G20Mn5QT,屈服强度为300N/mm²,抗拉强度为500～650N/mm²,钢材强化阶段的切线模量E_C取为弹性模量E的1/300,即E=206 000N/mm²,E_C=687N/mm²,泊松比ν=0.3。从整体计算模型中提取各个杆件对应截断位置的实际内力，并采用平衡力系施加于有限元模型中，计算了一系列荷载组合，从而得到最不利荷载组合工况下的节点应力，见图17。由计算结果可知，在最不利荷载组合作用下铸钢件大部分范围应力都很小，处于弹性状态，故可认为该节点是安全的。

　　 图17 Y柱节点应力图/(N/mm²)   

　　  

5.6.2 型钢混凝土梁转换钢管混凝土柱节点

　　 柱采用的钢材为Q390GJ,其屈服强度为350N/mm²,抗拉强度为3700～580N/mm²。梁钢材为Q345,其屈服强度345N/mm²,抗拉强度为490～620N/mm²。提取杆件最不利荷载组合采用平衡力系施加于节点限元模型，计算结果见图18。

　　 图18 转换梁柱节点应力云图/(N/mm²) 

　　  

　　 由计算结果可知，在最不利荷载组合作用下梁、柱大部分范围应力都很小，处于弹性状态。故可认为该节点是安全的。

　　 对中间支撑Y柱与屋面主桁架的连接节点、A柱柱顶与屋面主桁架连接节点的分析方法类似 ^[12],不再赘述。

5.7 绿建设计

　　 清河站房绿建设计达到国标三星及美国绿色建筑委员会认证的LEED金级证书。结构绿建设计的工作主要体现在：采用预拌砂浆及预拌混凝土；采用高强钢筋、高强钢材，高强度混凝土；地上结构采用钢结构，工业化生产预制率达90.8%>50%,材料可循环使用率高；结构方案选型的优化 ^[13]。其中结构方案比选主要包括：

　　 (1)桩基础方案比选，采用后压浆技术，桩数减少，总长度减少25%,桩基直接费用节约20%。

　　 (2)A区站房结构、高架落客平台、雨棚方案比选：钢筋混凝土框架结构与钢框架结构。因高铁线路限界要求，使结构构件尺寸受限，采用钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角不能满足抗震变形要求1/550限值的要求，因此确定采用钢框架结构。

　　 (3)A区屋面结构进行了四种方案的比选：方案一，111m跨，刚性悬链梁+网架；方案二，网架+中间四柱；方案三，网架+ Y柱；方案四，桁架+ Y柱。最终方案四以对站厅层空间影响小、结构用钢量少的明显优势被采用。

　　 (4)进行A区站台层结构比选：现浇混凝土结构、预制混凝土结构、钢结构。从维修保养方便、现场施工方便等方面考虑确定采用现浇钢筋混凝土结构。

5.8 结构健康监测

　　 根据中国国家铁路集团有限公司对清河站的初设批复要求，本工程设计了结构健康监测系统。监测点主要布设在A区的钢结构屋面、A柱、Y柱、直柱、承轨桥墩及盖梁；B区及C区的地下室外墙、承轨梁、高架落客平台及钢结构雨棚的梁柱上。主要监测元件为应变计、钢筋计、静力水准仪、加速度计、风速仪等，共布置元件349个。A区主站房典型监测元件布置见图19。

　　 元件通过传感器系统进行数据采集，为结构的变化提供实时监测信息，对工程结构实施损伤检测和识别，通过数据分析来确定结构的健康状态，并通过数据定期更新来预估结构老化和恶劣服役环境对工程结构的影响，以及是否有能力继续实现设计功能。结构健康监测系统并入智能京张全线的BIM运维系统平台，便于相关单位对结构全生命周期的健康监测与安全管理。

　　 图19 A区主站房监测元件布置示意图 

　　  

6 结语

　　 通过对京张高铁清河站开展的各项研究，对枢纽型站房结构设计总结如下：

　　 (1)根据站房的建筑功能确定设计标准，按照对应行业规范确定荷载取值(对特殊结构通过试验确定其荷载值),按照相关规范的要求开展设计。

　　 (2)枢纽型站房的建筑特性决定了结构形式的复杂性，通过对整体结构进行动力弹塑性分析评估结构的抗震性能，寻找结构的薄弱部位，进行性能化设计。

　　 (3)对于非规则型断面的地下结构，应建立土-结构精细一体化模型，考虑土体、结构的非线性特性进行全过程时程分析，验证地下结构的抗震性能。

　　 (4)针对枢纽型站房地下结构超长，进行超长结构的温度应力分析，并采取相应的设计措施。

　　 (5)建桥合一结构体系中钢结构候车厅的车致振动舒适度需要验证。

　　 (6)对结构的关键部位、关键节点通过弹塑性有限元分析验证节点承载力。

　　 (7)为满足绿建设计标准的要求，应进行多方案结构比选，体现结构的安全经济性。

　　 (8)大型及重要的站房结构宜进行结构健康监测，做到对结构重要构件的使用情况全面监测，准确把握站房结构安全的脉搏。