烟台火车站大跨度拱架固定铰支座设计

2012-01-24赵建强朱丹晖

铁道标准设计 2012年6期

赵建强,朱丹晖

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

1 概况

新建铁路烟台站站房方案构思是以巨型拱门为立意,预示着城市面向世界,面向未来的“门户”。中央大拱为双层钢网壳结构,网壳厚度3.5～5.0 m,最高点距地面60 m,东西方向跨度为114 m,南北方向长152.5 m,中部高度40.5 m,为一马鞍形空间钢结构,详见图1。大拱采用双层网壳结构，大拱投影面积为1.5万m2,总用钢量1 100 t,结构安全等级为一级。大拱下部采用钢筋混凝土剪力墙承重,墙厚700～1 000 mm,大拱通过抗震球形固定钢铰支座支撑于剪力墙上。因受下部铁路站场等特殊条件的限制,大拱支座单侧仅仅设置了8个支座,两侧对称,共16个支座,单侧支座间距为3.5～22.1 m,详见图2。大拱支座间距相差较大,给大拱受力带来不利因素,支座型式的选择及支座下预埋件的设计难度较大。

图1 烟台火车站建筑立面

图2 网壳平面及支座布置(单位：mm)

2 支座选型

考虑大拱体量较大,受力情况复杂,对位移变形要求较高,所以对大拱进行应力分析时按固定铰支座计算。经过对计算结果的分析,从支座反力中挑选出了最不利支座反力进行支座设计,并采用其余不利组合校验，见表1。

表1 支座最大反力统计

从计算结果可知,支座受力较大,而且该结构属于大型公共建筑,对安全性要求较高,选择安全耐用的支座型式就尤为重要。

目前可应用的结构支座的类型很多,常用的支座有球形钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座、减震支座以及混凝土支座等。其中球形钢支座传力可靠,转动灵活,它不但具备盆式橡胶支座承载能力大,容许支座位移大等特点,而且能更好地适应支座大转角的需要,与盆式支座相比具有下列优点。

(1)球形钢支座通过球面传力,不出现力的缩颈现象,作用在混凝土上的反力比较均匀。

(2)球形钢支座通过球面聚四氟乙烯板的滑动来实现支座的转动过程,转动力矩小,而且转动力矩只与支座球面半径及聚四氟乙烯板的摩擦系数有关,与支座转角大小无关,特别适用于大转角的要求,设计转角可达0.05 rad。

(3)支座各向转动性能一致,适用范围广。

(4)支座不用橡胶承压,不存在橡胶老化对支座转动性能的影响,特别适用于低温区。

普通的橡胶支座使用年限有一定限制,且使用过程中需要更换,而其他支座则难以承受如此大的复杂荷载,综合考虑本工程的重要性及使用条件,决定选用抗震球形固定钢铰支座。支座上部与焊接空心球底座采用摩擦型高强螺栓连接,支座底部与埋件钢板焊接。抗震球形固定钢铰支座结构见图3。

根据支座的受力情况,选定抗震球形固定钢铰支座技术参数如表2所示。

图3 抗震球形固定钢铰支座(单位：mm)

表2 抗震球形固定钢铰支座(KQGZ)技术参数

3 支座连接计算

支座与上部焊接球节点底板采用高强螺栓连接,本支座采用24根10.9级M33摩擦型高强螺栓连接。支座底板与预埋板的连接及预埋件的设计较为复杂。

(1)计算条件

焊缝为部分熔透焊,焊缝有效高度20 mm。每侧焊缝长750 mm,共4条。焊缝采用E50型焊条,焊缝抗剪设计值采用170 MPa。支座反力见表2,计算简图见图4。

图4 支座焊缝计算简图(单位：mm)

(2)计算依据：《钢结构设计规范》(GB50017—2003)

(3)强度计算

根据《钢结构设计规范》(TB50017—2003)7.1.3-1、7.1.5条

在合力作用下根据7.1.3-3式

焊缝1

焊缝2

焊缝受力均小于焊缝强度设计值170 MPa,焊缝满足受力要求。

4 埋件计算

支座底板通过预埋件与下部钢筋混凝土剪力墙连接,埋件承受的内力较大,在常用的手册和国标图集中难以查到合适的埋件,所以需要对埋件另行设计。根据最不利支座反力,剪力墙内的埋件设计可以分为拉剪埋件和压剪埋件,设计中为了减少埋件的种类,埋件偏安全地按拉、压、剪设计,拉力由锚栓承担,剪力由抗剪角钢及抗剪钢板共同承担。

4.1 抗剪角钢设计

因水平力为埋件设计的控制内力,“对于有抗震设防要求及直接承受动力荷载的预埋件不考虑压力N产生的摩擦力0.3N”[1],全部水平力应由抗剪钢板和角钢共同承担。故可以根据水平力初步估算角钢根数。抗剪钢板的计算公式如下[2]

0.7×k2×Av×fc≥0.3Vu；

式中k2——承载力折减系数；

Av——抗剪钢板承压面积,Av=av×hv；

av——抗剪钢板长度；

hv——抗剪钢板高度；

Vu——配置直锚筋与抗剪钢板的预埋件的受剪承载力设计值。

配置角钢的锚筋的预埋件设计值[2]

式中Wmin——中和轴与剪力方向垂直的角钢最小弹性截面抵抗矩；

b′——角钢肢宽度；

n——角钢根数；

ar——沿剪力方向锚筋排数影响系数,对2排锚筋,取1.0,3排取0.9,4排取0.85；

fy——钢筋抗拉强度设计值(Q235fy=300 MPa)；

fc——混凝土抗压强度设计值(C40fy=19.1 MPa)。

角钢型号选择时应考虑剪力墙中受力钢筋的间距影响,钢筋间距为130 mm,如果角钢肢宽大于130 mm,则因角钢和钢筋抵触,而难以插入墙内。待肢宽确定应后尽量采用厚角钢,以便增大Wmin,根据以上条件确定选用等边角钢L100×16,其特性指标为：Wmin=37 829 mm3,fy=300 MPa,fy=19.1 MPa，ar=0.85,k2=0.7，b′=100 mm,将该这些据代入上式,解得n=14,角钢选用14根。

4.2 确定锚板尺寸

角钢根数确定以后,下一步则根据构造要求进行角钢布置。

(1)锚板厚度

(2)锚筋(角钢)间距

边距：顺剪力方向(以下简称x向)，ca≥3.5t且≥25 mm；经计算,实际取125 mm。垂直剪力方向(以下简称y向)，cb≥3.0t且≥25 mm；经计算cb实际取150 mm。

中距：x向，b1≥3.0b′=300 mm,y向取300 mm。

(3)钢支座底板和混凝土剪力墙平面尺寸对锚板的约束影响

因钢支座底板和埋件顶板采用焊缝连接,锚板平面大小应大于球形钢支座的底板尺寸,查得球形钢支座的底板为750 mm×750 mm。

根据以上计算,结合实际情况,顺大剪力方向(X向)5排,每排3根,角钢选用15根。则预埋板尺寸采用1 200 mm×1 600 mm,厚度30 mm。抗剪钢板采用高度100 mm,厚18 mm钢板。

4.3 抗剪钢板验算

抗剪钢板抗剪能力按双向分别计算：0.7×k2×Av×fc=2 567 040 N=2 567 kN≥0.3Vu=1 570.4 kN；

说明抗剪钢板仅需2根即可,其余抗剪钢板可作为安全储备。

4.4 锚栓验算

锚栓仅承担拉力,受底部混凝土尺寸限制,预埋件仅可布置8根锚栓,则每根锚栓仅承担拉力值为：F=Nz/8=498.8 kN。由钢结构规范表3.4.1-4查得Q345级锚栓拉力设计值为180 MPa,则锚栓直径D=60 mm。由于预埋件构件较多,且与下部混凝土构件中钢筋交叉,为了确保支座安全,可增大锚栓直径,以增加安全储备,最终选定采用M85锚栓。