呼和浩特汽车客运东站主要功能是为旅客提供舒适的候车环境, 便捷、快速的进出站条件, 相应的配套旅客服务用房 (图1, 2) 。该建筑地上两层 (局部设有夹层) , 屋盖结构平面图见图3, 局部半边设置一层地下室 (图4) , 结构总高度22.1m, 建筑面积约2.4万m²。

　　 本工程抗震设防烈度为8度, 基本风压为0.60k N/m² (100年重现期) 。土层分布从上至下依次为杂填土 (松散, 埋深1.80~4.50m) , 细砂 (中密~密实, f_ak=140k Pa, 埋深3.20~6.80m, 其中f_ak为地基承载力特征值) , 砾砂 (稍密~密实, f_ak=220k Pa, 埋深11.20~15.7m) , 粉质黏土 (可塑, f_ak=160k Pa, 埋深15.00~17.30m) , 细砂 (中密~密实, f_ak=160k Pa) 。地下室四周为杂填土和细砂、砾砂层。

　　 屋盖拱结构与二层候车大厅楼盖之间通过两道室内纵向防震缝分开 (图5 (a) , (b) ) 。与主体拱结构分开的二层候车大厅采用现浇钢筋混凝土框架结构, 长162.6m, 宽69m, 主要柱网尺寸为7.2m×9.0m和10.8m×9.0m。屋盖采用组合拱结构, 室内部分采用圆钢管混凝土拱形结构, 室外部分采用带斜撑的现浇钢筋混凝土拱架结构 (图5) 。

　　 地下室部分采用考虑底板分担作用的柱 (墙) 下扩展基础, 其他部分采用独立扩展基础, 选取 (3) 层砾砂层 (f_ak=220k Pa) 为基础持力层, 基础埋深约5.2~6.5m。

　　 地下室外墙与混凝土拱之间、无地下室部分均浇筑250mm厚刚性地坪 (双层双向配筋, 单层配筋率0.3%, 图4) 。

　　 屋盖拱形结构有三种结构形式:纯钢拱、纯钢筋混凝土拱和钢与混凝土组合结构拱 (室外钢筋混凝土拱、室内钢拱) 。建筑师追求的建筑效果是室内外整个屋盖体系均为清水混凝土结构, 但考虑其所处的地理位置每年可施工混凝土的时间仅为8个月左右, 且建造清水混凝土效果的GRC异型双曲永久性模板造价较高、钢筋绑扎十分困难、高支模代价较大, 经济代价过大。经综合比选后, 屋盖采用组合拱结构:室内部分为圆钢管混凝土拱形结构体系, 室外部分采用带斜撑的现浇钢筋混凝土拱形结构, 见图6;同时拱结构以受压为主, 承受的弯矩和剪力较小, 故需室内部分采用圆钢管混凝土 (CFT) 结构以减小壁厚, 既满足了建筑外观要求, 又考虑了施工难度, 兼具经济性, 保证了施工工期, 实现了建筑造型和结构形式的完美统一。

　　 屋盖采用单元式结构体系, 每个单元主要由两根拱斜向交叉放置形成, 两根拱之间通过焊接H型钢梁 (室外钢筋混凝土梁) 联系成单元, 见图7。9个单元之间通过折板 (梁) 结构联系为整体, 形成屋盖结构体系。

　　 屋盖拱脚跨度125m, 拱轴弧长137.6m, 竖直矢高24.3m, 拱轴线为半径93m的圆, 主拱圈与水平面呈72.121°角。相邻拱单元水平间距18m (图5 (d) ) 。

　　 钢管混凝土拱部分跨度71.179m, 竖直矢高6.267m, 拱轴弧长68.7m, 每个单元内的两个拱拱顶水平轴线间距为12m, 相邻两个单元的拱顶间距6m;钢管截面为Ф1 200×20 (Q345GJ-C) , 钢管混凝土拱内灌注C40混凝土;钢梁均采取变截面焊接H型钢 (Q235B) , 沿拱轴两侧分布, 在拱轴位置的间距为2.45m, 拱单元间的折板 (梁) 部分顶部采用截面为Ф299×10的圆钢管 (Q235B) 将两侧的焊接H型钢梁联系成整体。屋盖结构型钢用量1 621t (76.2kg/m²) 。

　　 因建筑造型要求, 整个屋盖结构及外立面不能分缝, 但建筑功能和造型允许室内的二层楼盖与组合拱结构之间设防震缝脱开。考虑到二层混凝土结构平面尺寸超长, 又位于严寒地区, 温度作用对结构影响较大, 故在地上部分设置两道室内纵向防震缝, 使二层楼盖和组合拱结构部分脱开。

　　 屋盖采用组合拱结构 (钢管混凝土拱+钢筋混凝土拱脚构架) 和折板 (梁) 结构, 此两种结构共同形成竖向承重体系, 这样处理也使组合拱主体结构传力简洁可靠。

　　 由钢筋混凝土拱和钢筋混凝土斜撑形成的钢筋混凝土三角形拱脚构架 (图7) 构成横向抗侧力体系。

　　 由钢筋混凝土拱脚构架和纵向贯通现浇钢筋混凝土梁形成的两道纵向框架斜柱构成纵向抗侧力体系, 见图5 (c) 。

　　 拱结构在拱脚处水平推力较大, 对于无地下室部分, 通过设置截面为1 000mm×1 000mm的预应力钢筋混凝土基础拉梁 (图4中JL1, 梁面标高-4.00m) , 对于有地下室的部分, 通过在拱脚基础间设置截面为800mm×800mm的预应力钢筋混凝土底板梁 (图4中JL3, 底板面标高-5.7m) , 平衡恒载标准值+1/2活载标准值作用下的水平力。预应力梁均采用有粘结预应力筋, 后张法施工。预应力筋采用Ф^s15.2低松弛镀锌钢绞线, 强度标准值f_ptk=1 860MPa, 张拉控制应力为0.7f_ptk;采用圆形镀锌钢管孔道, 壁厚5.5mm, 材质Q235B。

　　 每根预应力梁内设置4孔预应力束, 其中无地下室部分的预应力拉梁JL1设置4-15Ф^s15.2直线型预应力筋, 有地下室部分的预应力拉梁JL2, JL3设置4-17Ф^s15.2直线型预应力筋。

　　 预应力的张拉需分批张拉, 混凝土达到设计强度后先张拉对角的两孔预应力束至其张拉控制应力的50%后, 再张拉另外对角的两孔预应力束至其张拉控制应力的50%;主体结构及屋面板施工完毕且拱的支架拆除后, 按照第一批张拉顺序逐渐将4孔预应力束张拉至其强度标准值的100%。采用两端张拉、超张拉法以减少预应力损失。

　　 本项目仅半边有地下室 (图4) , 采用天然基础, 基础周边土为杂填土、中密细砂和稍密砾砂, 土体水平约束为有限刚度。在较大的地震作用下, 由于局部半地下室挡土面较大、水平约束较大, 而刚性地坪板与地下室顶板连为一体, 无地下室部分基础水平约束较小, 将引起首层结构产生较大扭转。

　　 在无地下室的部分设置1.5m高基础梁 (图4中JL5, JL8) 形成抗剪键, 可增大土体水平约束, 进而有效控制扭转效应。

　　 结构上的作用考虑自重、二次恒载、活载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用共7种荷载作用。

　　 PVC屋面 (用于组合拱结构部分) 恒载为0.3k N/m², 玻璃 (采光天窗, 用于局部钢管混凝土拱屋盖) 屋面恒载为1.5k N/m², 活载均为0.5k N/m^2[1]。

　　 屋盖结构地面粗糙度B类^[1]。风荷载按照2013年4月湖南大学提供的《呼和浩特市国家公路运输枢纽———汽车客运东枢纽站风洞动态测压试验报告》和《呼和浩特市国家公路运输枢纽汽车客运东枢纽站等效风荷载研究报告》取值。屋盖平均风压最小值发生在45°风向角下、最大值发生在沿纵向的风向角下, 100年重现期的平均风压最小值、最大值分别为-1.066 k N/m²和0.574k N/m²。屋盖局部体型系数最小值为-1.766 (45°风向角下) , 最大值为0.956 (沿纵向的风向角下) 。屋盖平均风压和局部体型系数均大于《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) ^[1]取值, 按风洞试验报告取值。

　　 雪荷载:基本雪压为0.45k N/m² (100年重现期) ^[1], 积雪分布系数根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[1]取值。

　　 温度作用:呼和浩特市基本气温最高为33℃, 最低为-23℃^[1], 极端最低、最高气温分别为-41.5, 38.5℃。考虑施工的可行性, 施工时合拢温度取12~25℃。钢管混凝土拱部分考虑温升18℃, 温降-42.5℃。考虑室内外温差、混凝土收缩、徐变等效温差以及地下一层温度梯度, 使用阶段地下室底板以上最大升温6.2℃、最大降温-18.5℃, 地下室底板的最大升温和最大降温分别为3.1, -9.6℃。

　　 地震作用:抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度值为0.20g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 场地地震反应特征周期T_g=0.35s, 多遇地震影响系数α_max=0.16。整体计算时阻尼比取0.03^[2]。

　　 采用SAP2000软件对结构进行分析。组合拱结构安全等级为一级, 其余部分为二级。建筑抗震设防类别为重点设防类 (乙类) 。钢筋混凝土拱抗震等级为一级, 钢筋混凝土框架抗震等级为一级, 钢管混凝土拱抗震等级为二级。屋盖部分的抗震性能目标为C, 抗震设防性能目标细化见表1。

　　 对于纯压钢拱, 有效计算长度系数基本上取决于拱的类型和矢跨比^[3]。无铰拱屈曲形式多呈反对称失稳, 拱顶可视为反弯点, 从拱脚到拱顶的半根拱可以类比成一端固定、一端铰接的柱, 该类柱的有效长度系数是0.70~0.72, 故无铰拱的计算长度L₀可以取0.36S (S为拱轴线长度) ^[2]。

　　 屋盖结构的主要荷载工况静力分析结果见表2。屋盖结构最大竖向位移计算值为其跨度的1/491, 小于限值1/400^[2], 地震作用下拱平面内、平面外的拱顶最大水平侧移计算值分别为其跨度的1/6 075, 1/1 350, 45°斜向风荷载下拱顶侧移比最大为1/8 100, 均小于规范^[2]限值1/200, 满足要求。

　　 在无风荷载作用下屋盖受力不利, 向上的风吸力抵抗了部分竖向恒载和活载, 对结构受力有利。温度作用对竖向位移均有一定影响, 但对水平侧移几乎没有影响。恒载和温度作用起控制作用, 恒载产生的竖向位移是活载下竖向位移的6.8倍, 温升和温降作用产生的竖向位移分别为恒载下竖向位移的1.6倍和3倍。因建筑较低, 风荷载和地震作用均不起控制作用。

　　 通过对结构整体模型分析, 得到屋盖的自振周期, 见表3。前3阶振型均为拱平面外的纵向振动, 从第4阶振型开始为拱平面内的反对称振动。

　　 屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷^[4]。结构在各荷载工况下的主要屈曲因子计算结果如表4所示, 可见, 屈曲因子值均大于4.2。其中带折板 (梁) 模型取一个标准单榀梭形拱单元及其两侧折板 (梁) 结构各一半 (图5 (d) 中虚线框所示) , 折板 (梁) 边界部分约束拱平面外水平位移, 其他自由度释放, 该分析模型是偏不安全的假设, 仅供对比分析。

　　 恒载作用下, 整体分析时前3阶屈曲为反对称屈曲;带折板 (梁) 结构单元的第1阶屈曲为反对称屈曲, 第2阶屈曲为对称屈曲, 第3阶屈曲为扭转屈曲;不带折板 (梁) 结构单元的第1阶屈曲为拱平面外屈曲, 第2阶屈曲为扭转屈曲, 第3阶屈曲为拱平面内反对称屈曲。

　　 整体结构和结构单元的屈曲模态有较大不同, 带折板 (梁) 结构单元屈曲因子比整体结构的屈曲因子大40%, 而不带折板 (梁) 结构单元屈曲因子比整体结构的屈曲因子小约25%。带折板 (梁) 结构单元的的折板 (梁) 边界部分约束了其拱平面外水平位移, 故提高了稳定性, 也说明单元间的折板 (梁) 结构对拱单元的平面外稳定作用明显。

　　 根据《拱形钢结构技术规程》 (JGJ/T 249—2011) ^[2], 当扁拱满足式 (1) 时, 可不进行跃越屈曲验算:

　　 式中:L为拱的跨度;A为拱的毛截面面积;I_x为拱轴线平面内的毛截面惯性矩;K_sn为跃越屈曲系数。

　　 非线性屈曲时钢材采用图8所示应力-应变曲线^[5], 因混凝土拱架尺寸很大, 不计混凝土支承体系塑性。对于Q235钢, f_y=235MPa, f_u=375MPa, ε₁=0.114%, ε₂=2%, ε₃=20%, ε₄=25%;对于Q345钢, f_y=345MPa, f_u=510MPa, ε₁=0.17%, ε₂=2%, ε₃=20%, ε₄=25%。混凝土E=3.0×10⁴MPa, ν=0.2, f_c=14.3MPa, f_t=1.43MPa。

　　 考虑几何非线性的P-Δ效应和大位移以及材料非线性^[6], 以恒载为荷载工况对整体模型进行分析, 得到典型拱顶节点的荷载-挠度曲线, 见图9。可以看到随着荷载的增大, 拱顶挠度增加, 均布荷载最大值为88k N/m², 是恒载标准值的293倍。

　　 表5为典型钢筋混凝土拱脚节点和典型斜撑底部节点在恒载、活载、温升、温降等四种荷载作用下的支座反力情况。

　　 由表5可知, 温度作用对斜撑底部的水平力影响不大, 对钢筋混凝土拱脚的水平力影响约占恒载的10%以内, 对钢筋混凝土拱脚的影响大于对斜撑底部的影响;温升使斜撑底部节点产生与自重方向相反的支座反力 (即斜撑受拉) , 使钢筋混凝土拱脚产生与自重方向相同的支座反力 (即拱脚受压) , 而温降对支座产生的作用相反, 即钢筋混凝土拱脚受拉、斜撑受压;温度作用对斜撑底部节点反力的影响最大, 尤其是温降时与自重产生的反力相比约为20% (反力同向) , 对拱平面内的弯矩影响也很大。

　　 表6为典型钢管混凝土拱的拱顶和拱脚在恒载、活载、温升、温降等四种荷载下的内力情况。

　　 由表6可知, 拱轴力是主要控制内力;温度作用对拱顶杆件的内力影响大于对拱脚杆件的影响;温度作用使拱脚杆件产生一定的拱平面内剪力;温度作用会使拱轴产生一定的弯矩, 尤其是拱平面内的弯矩。因拱形结构仅拱脚为约束端, 拱顶无约束, 故温度作用会影响拱顶竖向变形, 拱轴线不再是以承受轴力为主的合理拱轴线, 导致拱轴的平面内弯矩、拱脚的水平力发生变化。

　　 钢管混凝土拱之间、拱单元之间需要侧向支撑以保证其平面外稳定, 且侧向支撑和拱之间需要形成刚性节点, 即拱与H型钢梁之间、拱单元与折梁、折梁与折梁之间均为刚接, 拱脚为刚接节点。

　　 对比以下4种工况:工况1为所有H型钢梁与圆钢管拱之间、H型钢梁之间节点均采用刚接节点;工况2为拱单元内的H型钢梁与主拱圈铰接, 折板 (梁) 结构内和折板 (梁) 结构与拱单元之间刚接;工况3为拱单元内的H型钢梁与主拱圈铰接, 折板 (梁) 体系的H型钢梁与主拱圈铰接, 折板 (梁) 体系内的H型钢梁之间刚接;工况4为拱单元内的H型钢梁与主拱圈铰接, 折板 (梁) 体系的H型钢梁与主拱圈铰接, 折板 (梁) 体系内的H型钢梁之间铰接。4种工况下结构自振周期及恒载下屈曲因子计算结果见表7。

　　 由表7可以看出, 与工况1下结构自振周期相比, 工况2、工况3、工况4下结构自振周期分别降低25%, 60%, 60%;与工况1下屈曲因子相比, 工况2、工况3、工况4下屈曲因子也分别降低了13%, 30%, 36%, 进一步说明了折板 (梁) 结构对整体稳定的影响显著, 且全部采用刚接节点最为安全。

　　 H型钢梁与圆钢管拱连接节点见图10。在H型钢腹板对应的钢管混凝土主拱 (或圆钢管) 内设置节点环板, H型钢的翼缘因为建筑造型需要和圆钢管切向相交, 切向相交时采用全焊透焊缝保证弯矩传递。节点板中间需开直径800mm的圆孔, 以便传递内力的同时保证内部浇筑混凝土的流动性。

　　 钢管混凝土拱与钢筋混凝土拱之间采用埋入式柱脚 (图11) , 埋入长度为3倍的钢管直径, 埋入部分的钢管外壁设置栓钉作为抗剪键, 使钢管和其外部混凝土共同受力。

　　 结合结构特点, 采用沿纵向液压同步累积滑移施工方案, 见图12, 具体施工方案如下:

　　 (1) 在?轴处的屋盖下方设置临时支撑架, 采用履带吊高空原位散件, 拼装成一个标准滑移单元, 完成后在单根钢管拱下设置钢绞线作为临时支撑。在 (7) 轴和 (14) 轴设置滑移轨道, 轨道采用竖向钢桁架支撑, 采用侧向刚性拉杆保持其侧向稳定性, 滑移单元焊接探伤合格后进行卸载, 然后作为第一个滑移单元滑出。

　　 (2) 第一个单元滑移18m (18m为相邻两单元间距) , 同样方法拼装第二单元钢拱结构, 拼装完成后卸载, 再安装第一和第二单元之间的折板 (梁) 结构体系, 焊接完成将第一、第二单元再滑移18m, 重复上述步骤, 完成主体结构。

　　 (3) 钢管拱结构所有单元滑移就位后, 将钢拱两端与预埋钢管拱脚焊接固定, 进行临时支撑的拆除, 同时安装两侧悬挑钢构件。

　　 采取液压同步累计滑移施工技术, 避开了与下部结构立面交叉施工、吊装机械无法进入或无法辐射等问题;滑移设备通过计算机控制, 推进过程中同步滑移平稳, 滑移同步控制精度高, 滑移推进力均匀, 加速度极小, 在滑移的起动和停止时屋盖不会产生不正常抖动现象;且具有操作方便灵活、节省机械设备和劳动力及临时支撑等优势。

　　 钢管混凝土拱内混凝土浇筑是采用单根双向顶升法施工。两侧对称各开压注孔, 利用泵压将混凝土从压注孔处自下而上压入钢管拱内, 并达到混凝土自密实的效果。

　　 拱管直径1.2m, 拱轴弧长68.7m, 浇筑混凝土容易产生气孔导致不密实, 单个拱管内间隔3.6m距离设有内隔板, 混凝土流动到内隔板处时容易产生封闭空气腔体。故混凝土浇筑由下而上, 在内隔板的对称位置开4个直径约20mm出气孔, 另外在钢拱管的上方位置、在内隔板下方位置各开一个直径10mm的出气孔, 保障气体不在此处形成腔体以及混凝土的密实度。

　　 单个钢拱管的最低标高约为10.56m, 浇筑的钢拱管最顶部标高为19.2m (图5 (a) , (b) ) , 落差约为8.64m, 若一次性浇筑到顶, 混凝土在钢拱管里流动不畅或者水分不足, 存在爆管的隐患。采取的对策是将单个钢拱管分两次浇筑混凝土, 约6m一个落差。在钢拱管上设置4个直径120mm的浇筑孔和1个直径120mm的出气孔, 其中左右对称的4个浇筑孔设置在钢拱管的侧边偏上位置, 拱顶设置1个出气孔。

　　 钢管混凝土拱跨度72m, 自重下挠度较大, 需待其内部混凝土抗压强度达到100%后, 拆除临时支撑架。

　　 (1) 在满足建筑外观要求又兼顾施工难度和经济性的前提下, 合理选择了组合拱结构形式, 屋盖室内部分采用圆钢管混凝土拱形结构, 室外部分采用带斜撑的现浇钢筋混凝土拱形结构, 同时也满足以轴压力为主的受力要求。

　　 (2) 通过设置预应力水平拉梁平衡拱的水平推力, 针对仅局部半边存在地下室的情况, 在无地下室区域通过加高基础梁形成“抗剪键”, 减轻首层结构在地震作用下的扭转。

　　 (3) 对于拱结构, 恒载和温度作用起控制作用, 风荷载和地震作用均不起控制作用。

　　 (4) 整体结构和单独拱结构单元的屈曲模态和屈曲因子均有较大不同, 折板 (梁) 结构连接方式对整体结构稳定的影响显著, 全部采用刚接节点最为安全。

　　 (5) 采取液压同步累计滑移施工技术, 避开了与下部结构立面交叉施工、吊装机械无法进入或无法辐射等问题, 且控制精度更高, 对结构影响最小。

　　 (6) 采用单根双向顶升法完成钢管混凝土拱内混凝土浇筑, 克服了结构自重大和浇筑落差大、浇筑距离过长引起的安全和浇筑质量问题。