随着我国高速铁路建设的快速发展, 以北京南站为代表的一批与高速铁路相适应的铁路客站相继建成。第三代铁路客站要求大空间、大体量, 随着设计和建造技术的进步, 铁路客站的跨度也越来越大, 体系也越来越复杂。如京沪高铁北京南站屋盖的最大跨度为67.5m^[1], 天津西站屋盖的最大跨度为114m^[2], 上海虹桥站屋盖的最大跨度为72m^[1], 京广高铁武汉站屋盖的最大跨度为116m^[3], 青岛北站屋盖的最大跨度为141m^[4], 2015年建成的京津城际延长线于家堡站贝壳形屋盖的最大跨度为143m^[5]。

　　 济青高铁济南东站屋盖钢结构最大跨度为156m, 为我国目前高铁客站中的最大跨度。屋盖为复杂双曲面落地拱形结构, 属于抗震设防超限结构。本文对济南东站站房屋盖的结构布置、设防目标、体系特点、静力性能、动力特性、屈曲分析、拱脚预应力拉索方案、基础刚度、屋盖纵向刚度、关键节点等关键技术进行了系统研究^[6,7,8]。

　　 济南东站位于山东省济南市历城区中东部, 是济南至青岛高速铁路的始发站, 车站规模为13台27线, 与济南轨道交通M1线、R3线、公交、BRT、长途客运站、出租车场、社会车场等形成济南东站综合交通枢纽工程。济南东站站房建筑面积近80 000m², 屋盖为复杂双曲面落地拱形结构体系, 线形采用抛物线方程解析, 有20榀空间三角桁架拱作为主受力结构体系。屋盖结构与站房主体混凝土结构完全脱开, 主桁架拱支承在中央车场桩承台基础和南北站房地下室混凝土结构上。屋盖南北向长度为406.6m, 最大跨度为156m, 建筑檐口高度为38m。济南东站综合交通枢纽效果图见图1。

　　 济南东站屋盖结构采用20榀矢跨比一致的抛物线拱作为主受力结构体系 (图2) , 中间正线拱间距为11.6m, 其他各主拱间距为21.5m, 主拱按照抛物线的形状等比例改变跨度, 形成一系列的抛物线, 边榀桁架跨度为156m, 矢高为26m, 中心桁架跨度为122m, 矢高为20.333m。主桁架为中间厚, 两侧薄的倒三角桁架, 次桁架为垂直悬挂的片桁架, 通过上弦系杆、7道横向交叉支撑和2道纵向交叉支撑形成屋盖结构体系 (图3、图4) 。支承构件为矩形钢管混凝土斜柱和70°斜交的矩形钢管支承柱, 拱脚间设置预应力水平拉索平衡拱推力 (图5) , 东西幕墙和南北幕墙与屋盖结构脱开, 仅传递水平风荷载。

　　 站房主体结构设计基准期为50年, 耐久性年限为100年, 结构安全等级为一级, 抗震设防类别为乙类。抗震设防烈度为6度 (0.05g) , 根据《山东省地震重点监视防御区管理办法》相关规定, 按照7度 (0.10g) 进行抗震计算。

　　 恒荷载除钢结构自重外, 屋面恒荷载为1.5kN/m²;活荷载为0.5kN/m², 由于拱结构的对称性, 考虑半跨活荷载的工况;基本雪压为0.35kN/m² (重现期为100年) , 积雪分布系数为1.2, 并考虑半跨雪荷载的不利布置;风荷载根据中国建筑科学研究院提供的风洞试验报告^[9]和《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 包络确定, 屋面以风吸为主, 边跨和正立面悬挑部位风吸力最大, 最大风压发生在30°风向角。济南市夏天最高温度为36℃, 冬天最低温度为-9℃, 考虑结构合拢温度为5～20℃, 升温工况为31℃, 降温工况为-29℃。考虑施工期间结构裸露、温度变化大等影响, 考虑升温50℃和降温40℃的极限工况。

　　 根据规范要求和抗震超限审查意见, 确定抗震设防目标为主拱、主拱斜柱、支承柱、屋面次桁架、屋面水平联系杆件、屋面交叉支撑与铸钢节点均按中震弹性进行设计, 主拱、主拱斜柱、支承柱与铸钢节点应满足大震不屈服要求。

　　 屋盖主体采用Q345B钢材, 主要截面为圆钢管, 主桁架弦杆截面从ϕ500×20向ϕ813×34渐变, 腹杆主要为ϕ219×8, ϕ245×8, ϕ299×10等。屋面交叉支撑采用460级钢拉杆, 包括ϕ55, ϕ75, ϕ90mm三种直径。拱脚柱间支撑采用屈曲约束支撑, 屈服段芯材强度为345MPa, 屈服承载力为4 500kN。主拱斜柱采用变截面矩形钢管混凝土柱, 截面为□ (1 300～1 800) ×1 500×40, 内灌C40自密实混凝土, 用于提高结构刚度。支承柱采用变截面矩形钢管柱, 截面为□1 000× (1 000～1 500) ×25。

　　 济南东站落地拱结构在很多方面实现了铁路客站的突破和创新, 具有以下研究价值:

　　 (1) 跨度方面。屋盖结构最大跨度为156m, 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2016]67号) , 跨度大于120m属于抗震超限结构。

　　 (2) 长度方面。不计悬挑, 屋盖结构的长度为406.6m, 跨越南站房、中央站房、北站房三部分。长度大于300m, 也属于抗震超限结构。

　　 (3) 落地结构。铁路客站屋盖结构多支承在高架层混凝土柱上, 而济南东站屋盖与混凝土站房主体脱开, 中央14榀主桁架通过主拱斜柱直接落在轨道间, 南北侧共6榀主桁架落在市政广场地下混凝土结构上, 通过型钢混凝土墙传至地下室底板。轨道间立柱困难, 铁路限界要求限制了斜柱截面, 且拱脚拉索在轨道间和地铁站上空也给设计和施工带来了难度。

　　 (4) 桁架形式方面。屋盖纵向是一个中心低、两端高, 中心厚、两端薄, 中心跨度小、两端跨度大的结构, 每榀主桁架跨中的桁架厚度最大, 受力最大的两侧通过铸钢节点与主拱斜柱相连, 桁架受力大的部位, 桁架高度反而小。主桁架宽度从中间向南北侧依次增大, 最宽为8m, 三角桁架最大角度为162°。整个屋盖结构除了对称外, 所有杆件的长度和角度均不相同。

　　 (5) 屋盖纵向刚度。屋盖纵向次桁架为垂直悬挂, 对结构刚度的贡献很小。主拱斜柱受铁路限界限制, 不能布置柱间支撑, 同时截面也受限制, 因此提高结构整体刚度也是结构设计的难点。

　　 屋盖传力途径是屋面荷载通过檩条、立柱、次桁架等传递给主桁架, 通过铸钢节点传递给主拱斜柱, 通过预应力拉索平衡恒荷载产生的水平反力, 其他荷载产生的水平反力和竖向力由桩承台及型钢混凝土墙承担。

　　 采用SAP2000有限元软件, 分析了恒荷载、活荷载、不均匀活荷载、温度作用、不同风向角下的风荷载等工况下主桁架拱的轴力、弯矩及变形。在竖向荷载作用下结构“拱”的效应明显, 以轴力为主, 弯矩很小, 结构效率较高。不均匀活荷载作用下结构的变形较大, 温度作用对结构的变形影响大, 变形较大的工况均发生在温度作用组合下, 不考虑拱脚拉索工况下的竖向最大位移为195mm (图6) 。

　　 考虑施工中升温50℃和降温40℃的极限工况, 对比恒荷载+温度作用的设计工况, 发现施工过程中的温度作用并不显著, 拱构件的轴力和弯矩均小于设计工况, 因此能够满足设计要求。

　　 济南东站屋盖结构振型密集, 阻尼比取0.02, 分析了前90阶振型, 3个方向的质量参与系数均大于0.9, 满足抗震规范^[7]要求。结构第1阶自振模态 (T₁=1.634s) 出现在跨度方向, 表现为南侧边跨拱的自振;第2阶自振模态 (T₂=1.626s) 与第1阶对称, 表现为北侧拱的自振;第3阶自振模态 (T₃=1.375s) 为纵向平动;第4～9阶均为不同榀主桁架拱的低阶和高阶振型的混合振型。典型振型见图7。

　　 影响屋盖结构稳定性的荷载主要有恒荷载、活荷载以及风荷载。表1列出了最不利荷载组合作用下结构的前3阶特征值屈曲系数。通过分析发现不同荷载组合下的结构第1阶屈曲模态都表现为两边榀主桁架拱的屈曲, 这是因为边榀拱的跨度最大, 桁架厚度最小, 刚度较弱。通过对比发现最不利的荷载组合为恒荷载+全跨活荷载, 特征值屈曲系数为8.22, 满足规范^[8]要求。

　　 考虑初始缺陷的几何、材料双重非线性效应, 对结构进行非线性稳定分析。钢材屈服强度为345MPa, 采用双线性随动硬化模型。考虑包辛格效应, 在循环过程中, 无刚度退化。选取标准组合 (恒荷载+全跨活荷载) , 考虑拱跨度的1/300作为初始缺陷, 得到屋盖结构考虑几何非线性时的稳定系数为6.17, 考虑几何和材料双非线性时进行弹塑性分析, 得到稳定系数为3.84, 均满足规范^[8]要求。图8为最不利荷载组合下结构前3阶的屈曲模态, 其中λ为特征值屈曲系数。

　　 济南东站落地拱屋盖结构在跨度和长度上均为超限结构, 设计关键技术主要体现在拱脚预应力拉索、基础刚度、屋盖纵向刚度、关键节点设计等方面。

　　 落地拱的显著特点之一是水平推力大。静力包络工况组合下中央14榀拱的最大水平推力为12 803kN, 仅靠基础自身无法承担水平推力, 因此考虑拱脚设预应力拉索用以平衡恒荷载下的水平推力。主桁架拱脚间拉索需穿过轨道层混凝土梁柱, 考虑拉索截面的限制及耐久性, 对比了有粘结预应力地梁、无粘结预应力钢绞线、缆索、高钒索等多种拉索材料。为减小对混凝土梁柱的削弱, 每榀拱脚采用4束无粘结预应力钢绞线, 每束19根直径15.24mm的低松弛预应力钢绞线, 极限强度标准值为1 860MPa, 外包ϕ140×6的钢管用以避免拉力对混凝土结构的影响 (图9) , 将混凝土梁柱的削弱降至最低, 对于室外部分有利于提高拉索的耐久性。

　　 按照“恒荷载作用下拱脚的反力为0”的控制条件, 得到最大预张力为6 740kN, 在边跨第二榀处, 最小预张力为4 000kN, 在站房中心榀处。考虑拉索后静力工况下中央14榀拱的最大水平反力为2 295kN, 由直径为1m的10个桩承台承担。

　　 支座约束刚度对结构受力以及拱脚水平位移影响较大, 按照《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[10]附录C的相关要求, 计算出桩基础的X向 (跨度方向) 水平刚度为8.8×10⁵kN/m, 转动刚度为1.3×10⁸kN·m/rad, Y向水平刚度为11.2×10⁵kN/m, 转动刚度为2.2×10⁷kN·m/rad。考虑到地基均匀性的差异, 设计中分别按照基础刚度计算值的0.5倍和2倍进行包络设计。表2为恒荷载+活荷载基本组合下关键构件的内力对比, 可以发现基础刚度的变化对构件轴力、弯矩影响较小, 同时也对比了关键点位移、结构周期、特征值屈曲系数等, 发现竖向挠度差值不大于3mm, 对周期和稳定的影响不明显。

　　 济南东站屋盖结构主要由主桁架作为主受力构件, 次桁架垂直悬挂, 屋盖纵向刚度主要由主拱斜柱提供, 屋盖纵向刚度较弱, 因此需要采取措施提高屋盖纵向刚度。为了提高屋盖纵向刚度, 主要采取了以下措施:1) 增加屋面水平支撑的布置, 进一步提高结构的整体性;2) 在边跨增加柱间支撑, 采用BRB屈曲约束支撑, 提高主拱斜柱的抗侧刚度;3) 考虑到主拱斜柱截面受限, 采取增大封边钢梁的截面以及斜柱内灌混凝土的方式, 提高抗侧刚度, 从而提高屋盖纵向刚度。

　　 济南东站屋盖结构主桁架弦杆与主拱斜柱的连接节点杆件截面大、汇交杆件多, 焊接定位难度大、焊接变形难以控制, 因此采用铸钢节点的连接形式 (图10 (a) ) 。为确定节点的承载性能, 在不同的静力荷载和罕遇地震作用下, 对节点进行了有限元分析。图11为3倍的静力荷载作用下节点的应力云图, 节点的最大应力为322MPa。分析结果表明在设计荷载作用下节点均为弹性受力状态, 在3倍的静力设计荷载和罕遇地震作用下, 节点部分进入塑性, 但还有一定的承载能力, 满足“大震不屈服”的性能目标。

　　 主桁架存在腹杆与弦杆夹角较小的情况 (图10 (b) ) , 部分夹角小于15°, 同时截面较大, 相贯焊接应力集中, 同时焊缝不容易处理。针对此类型节点, 在截面较大腹杆处通过转接板加厚杆件, 对节点进行局部加强, 同时能够满足建筑美观要求。

　　 根据济南东站复杂双曲面落地拱屋盖结构的结构特点, 分析了结构的受力性能并对设计关键技术进行了研究。

　　 (1) 采用主桁架落地拱作为主受力构件, 通过系杆、屋面交叉支撑、次桁架、柱间支撑形成结构受力体系, 结构体系传力合理, 拱效应明显, 主桁架以轴力为主, 弯矩较小。

　　 (2) 不均匀荷载作用下结构的变形比均匀荷载作用下大, 温度对结构的变形影响较大, 最大变形发生在温度组合下, 而施工过程中极限温差工况对结构影响不大。

　　 (3) 结构两个方向的自振周期接近, 表明结构两个方向刚度接近, 整体刚度较高。结构的屈曲表现为边跨拱的屈曲, 屈曲系数均满足规范限值要求, 结构整体稳定性较好。

　　 (4) 针对拱脚推力过大的问题, 采用无粘结预应力筋, 用以平衡恒荷载作用下的水平推力。

　　 (5) 主拱拱脚基础刚度的变化对结构杆件的内力、结构变形、周期和稳定等影响较小, 能够满足结构的安全。

　　 (6) 通过增加屋面水平支撑布置、边跨增加柱间支撑、加大封边梁截面及斜柱内灌混凝土的方式, 有效地提高了屋盖结构纵向刚度。

　　 (7) 对主桁架弦杆与主拱斜柱汇交节点采取铸钢节点设计, 解决了杆件截面大、焊接难度大、不美观等问题。对主桁架弦杆与腹杆夹角过小的情况, 采用转接板加厚杆件, 满足节点强度要求。