鐵路站房環梁轉換層及轉換節點設計

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【摘要】江門站結構形式為上部鋼結構、下部混凝土結構，其中局部樹形編織筒支承柱在地面層轉換，轉換層為雙型鋼混凝土梁式轉換結構。該結構體系復雜，其受力性能和抗震性能的優劣直接關系到整個結構的穩定性。文章通過轉換層環梁模型在靜力作用下和大、中、小地震作用下的有限元分析以及梁托柱轉換節點子模型在大震中的有限元分析，研究江門站關鍵轉換層中的關鍵構件及節點的變形情況和抗震性能，得出該結構體系是安全可靠的。

【關鍵詞】環梁轉換層；型鋼混凝土梁式轉換結構；有限元分析；抗震性能

1工程概況

江門站位于廣東省江門市新會區，站房總建筑面積約為4hm2，共有八個站臺20條到發線，最高聚集人數4000人，為大型鐵路站房。江門站結構體系復雜，上部采用鋼結構、下部為混凝土結構，且存在梁柱轉換。樹筒鋼管在高架層與鋼骨混凝土柱轉換，部分鋼骨混凝土柱在地面層通過雙鋼骨混凝土梁轉換，支承體系豎向部分連續。樹形編織筒鋼結構圓鋼管豎向編織，網格呈菱形狀，形成空間筒殼結構。筒殼結構下部由型鋼混凝土結構支承。正是由于上下層結構的變化，需要在結構中間加設轉換層，將上部鋼結構的荷載通過轉換層加在下層與地面直接連通的支撐柱子上。工程采用的轉換形式為梁式轉換層。對于江門站弧形轉換梁特殊結構，以連續整體的轉換梁為研究對象，考慮結構的整體及連續性，計算梁柱轉換結構的抗震性能。

2環梁轉換層的結構特點

本工程的轉換層為地面層，轉換層的關鍵梁柱構件（即轉換節點）是結構中間部位的環梁部分，即雙型鋼混凝土轉換梁柱節點。雙型鋼混凝土轉換梁由三部分組成，即外包鋼筋骨架、混凝土和組合型鋼[1]。組合型鋼是通過將兩根工字鋼通過綴板連接起來而形成的。上部型鋼柱通過端板螺栓連接的方式與轉換梁連接。該轉換層屬于梁式轉換層，結構傳力途徑清晰，且受力性能好、便于施工[2]。在進行結構設計時，要求做到“強柱弱梁”、“強節點弱構件”[3]，主要是為了考慮構件的重要性以及破壞后對整個結構的影響程度。顯然柱子的破壞造成的后果比梁破壞更嚴重，所以結構設計時，總是讓梁比柱先破壞[4]。而本工程中因為轉換梁需要有足夠的剛度來承受上部荷載，下部的支撐柱也應同時設計的更“強”。轉換層處梁柱節點是結構非常關鍵的部位，是結構剛度突變的位置，也是地震中受損最嚴重的地方。在設計時，應該把轉換層上下層結構的剛度比控制在一定的范圍內[5]。根據“強節點弱構件”的要求，理想情況是梁和柱都破壞掉了，節點再被破壞。可是在轉換層中節點是受力最復雜的，受到彎、剪、扭的作用，同時還要將荷載經由節點往下傳[6]。因此，對節點傳力機制和破壞模式的研究一直是重難點，而本工程中的托柱梁式轉換節點也是我們研究的重點。

3轉換層設計及有限元分析

針對以上提出的研究重點，分別對江門站側方站的雙型鋼混凝土轉換層環梁結構無樓板和有樓板兩種情況施加考慮地震荷載組合的各種工況下的最不利荷載，通過有限元軟件ABAQUS分析其變形情況及安全性能，并進行對比[7]。

3.1構件設計及內力提取

3.1.1抗震設計抗震設計需明確整體結構的抗震性能水準和目標[8]，在《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）第3.11.1條中將結構的抗震性能水準劃分為五類；在《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）第3.11.2條中將結構的抗震性能目標規定為四種。依據本項目的抗震設防類別、場地條件、設防烈度和震后損失，確定需達到的結構抗震性能目標為：在多遇地震、設防烈度地震和預估的罕遇地震作用下，該結構的抗震性能水準分別判定為完好、基本完好、輕度損壞。轉換層的梁和柱是關鍵的結構構件，高規中規定了在第一、第二和第三抗震性能水準下，震后關鍵構件的性能狀況應分別為無損壞、無損壞和輕微損壞。

3.1.2內力提取采用四種荷載工況：①施加20種靜力荷載工況，考慮最不利荷載組合下的內力；②對20種靜力荷載工況分別組合上小震工況，考慮最不利荷載組合下的內力；③對20種靜力荷載工況分別組合上中震工況，考慮最不利荷載組合下的內力；④對20種靜力荷載工況分別組合上大震工況，考慮最不利荷載組合下的內力。

3.2轉換層環梁結構的有限元分析

3.2.1建立模型選用AutoCAD2012版本對雙型鋼混凝土轉換層環梁結構進行建模，分別建立無樓板和有樓板的轉換層模型；再將模型導入ABAQUS中進行后續處理。

3.2.2材料參數混凝土材料參數見表1，型鋼和鋼筋材料參數見表2[9]。

4有限元分析結果

4.1無樓板的轉換層環梁結構的分析結果

通過有限元軟件ABAQUS對無樓板轉換層環梁結構在四種荷載工況下的分析，得到各個工況下整體結構的變形位移結果。如圖1所示，模型在靜力荷載最不利工況下，結構的變形最大值為5.83mm，變形特別微小。混凝土的最大應力值為17.14MPa，鋼筋的最大應力值為171.3MPa，型鋼的最大應力值為156.7MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在小震的最不利工況下，結構的變形最大值為15.11mm，環梁撓度最大值為3mm，變形較為微小。混凝土的最大應力值為19.08MPa，鋼筋的最大應力值為195.5MPa，型鋼的最大應力值為198.3MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在中震的最不利工況下，結構的豎向變形最大值為9.911mm，環梁撓度最大值為5mm，變形較為微小。混凝土的最大應力值為24.44MPa，鋼筋的最大應力值為196.6MPa，型鋼的最大應力值為188.9MPa。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在大震的最不利工況下，混凝土的最大應力超過其強度的標準值，并發生局部損壞；鋼筋和型鋼的最大應力未超過其各自的屈服強度，并且仍處于彈性階段。圈梁撓度最大值為7.5mm左右，變形較為微小。因此，無樓板的結構梁式轉換層部分的環梁結構在靜力荷載作用下滿足安全要求。在小震和中震下，混凝土、鋼筋和型鋼均未屈服；在大震下，混凝土的破壞程度較小，滿足高規中在三個抗震性能水準下結構關鍵構件的震后性能目標[10]。

4.2有樓板的轉換層環梁結構的分析結果

通過有限元軟件ABAQUS對有樓板的轉換層環梁結構在四種荷載工況下的分析，得到各個工況下整體結構的變形位移結果。如圖2所示，模型在靜力荷載最不利工況下，結構的變形最大值為5.912mm，變形特別微小。相較于無樓板的環梁結構，有樓板的環梁結構混凝土、鋼筋、型鋼最大應力較大一些，仍處于彈性階段，未屈服。在小震的最不利工況下，結構的變形最大值為15.10mm，圈梁撓度最大值為3mm左右，變形較為微小。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在中震的最不利工況下，結構的豎向變形最大值為9.741mm，圈梁撓度最大值為5mm，變形較為微小。混凝土、鋼筋、型鋼均處于彈性階段，未屈服。在大震的最不利工況下，混凝土的最大應力超過其強度的標準值，并發生局部損壞；鋼筋和型鋼的最大應力未超過其各自的屈服強度，并且仍處于彈性階段。圈梁撓度最大值為7mm左右，變形較為微小。因此，配有樓板的結構梁式轉換層部分的圈梁結構在靜力荷載作用下滿足安全要求。在小震和中震下，混凝土、鋼筋和型鋼均未屈服；在大震下，混凝土的破壞程度較小，滿足高規中在三個抗震性能水準下結構關鍵構件的震后性能目標。

5結語

文章介紹了江門站型鋼混凝土環梁轉換結構及其節點在不同工況下的有限元分析，通過計算結果圖進行整理分析得出以下結論：①在四種工況下，雙型鋼混凝土梁式轉換結構及節點的變形均較小，轉換梁的撓度也滿足安全使用要求。②在靜力荷載組合的最不利工況作用下，無樓板和有樓板的轉換層環梁的混凝土、鋼筋、型鋼的應力均小于屈服應力，結構可正常工作。③在考慮小震的荷載組合最不利工況作用及中震的荷載組合最不利工況作用下，無樓板和有樓板的轉換層環梁的混凝土、鋼筋、型鋼的應力均小于屈服應力，結構無損傷。在考慮大震的荷載組合最不利工況作用下，無樓板和有樓板的轉換層環梁的混凝土梁柱的局部位置應力大于屈服應力從而發生屈服，而鋼筋、型鋼的應力均小于屈服應力，結構受到輕微損傷；滿足高規中在三個抗震性能水準下結構關鍵構件的震后性能目標。④轉換層環梁內無樓板和有樓板的計算數據相差不大，分析結論相同。

參考文獻

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作者：石東婉 單位：中鐵第四勘察設計院集團有限公司