北京朝阳站钢结构屋盖支撑斜柱设计方案比选分析

金振山

（中国铁路北京局集团有限公司地下直径线工程项目管理部，北京 100045）

1 工程概况

作为国民经济发展的大动脉，铁路是国家重要的交通基础设施，是资源型和环境友好型的运输方式，尤其是近年来迅速发展的高速铁路，缩短了城市与城市间的距离，带动了周边产业的发展，已成为我国综合交通体系中的骨干，不仅推动交通运输增长方式的转变，而且对社会经济的发展产生了重大作用和深远影响［1-3］。北京朝阳站为京哈高铁始发终到站，是“十三五”规划的重要基础设施，是国家“八纵八横”高速铁路网规划的重要组成部分，也是我国首个运用综合智慧管控系统的高铁站房。北京朝阳站总建筑面积18.3 万m2，其高架候车厅建筑面积3.5 万m2，屋盖钢结构为空间桁架结构体系，由中部屋脊拱起部分与两侧平屋面部分构成。屋脊拱起部分主结构由交错布置的桁架、钢主梁及其连接结构构成，基本跨度为18 m（悬挑）+36 m+72 m+36 m+18 m（悬挑），主结构间距22～27 m。钢主梁由幕墙柱和向室内伸出的斜柱支撑，最大跨度72 m。桁架由2 根指向室外的斜柱支撑。斜柱、幕墙柱与主结构均为铰接连接。北侧幕墙柱与主体结构为铰接连接，南侧幕墙柱与主体结构为刚接连接。桁架与主梁之间以三角形桁架进行连接。屋面主结构上、下弦结构之间以水平连接杆连接，并布置纵横向交叉撑，以提高屋盖结构的整体性。北京朝阳站屋盖及其支撑结构三维模型及垂轨向、顺轨向立面见图1—图3。

图1 屋盖及其支撑结构三维模型

图2 屋盖及其支撑结构垂轨向立面

图3 屋盖及其支撑结构顺轨向立面

2 高架候车厅屋盖支撑斜柱建筑结构选型

2.1 三叉柱选型方案

北京朝阳站初步设计采用了三叉柱方案（见图4）。三叉柱作为一种较常见的分散支撑形式，更易解决屋盖结构局部应力过大的问题，并更易与屋盖结构形成整体性、稳定性更强的结构体系。目前三叉柱支撑大型钢结构屋盖在我国已有成功运用案例，如沈阳中街恒隆广场项目［4］、苏州湾文化中心项目［5］等。但作为人流密集的公用建筑，特大型火车站建筑空间效果营造和旅客流线畅通是重要的考虑因素，三叉柱方案的主要缺点是视觉效果不够简洁，三柱交汇范围对邻近地面建筑空间占用较大，影响旅客通行效率。三叉柱脚平、立面见图5，其中虚线示意范围为影响人行范围，投影面积为7.9 m2（结构实际占地为2.5 m2）。三叉柱选型方案影响通行的问题可通过增加柱脚的方式解决，如在钢柱脚下增加一定高度的直柱段，抬高柱脚节点，从而离开旅客活动范围，而结构的整体受力特性未发生重大改变（见图6）。

图4 三叉柱选型方案效果图

图5 三叉柱脚平、立面

图6 抬高柱脚节点效果图

2.2 Y形柱选型方案

为从根本上改善候车厅空间视觉效果，在三叉柱的基础上减少顺轨方向1根柱子，同时按照“底部为独柱、一定高度后再分叉”的原则进行优化设计（见图7）。Y形柱作为承重和抗侧力构件在我国工程中已多次应用，如上海浦东国际机场航站楼［6］等。徐超等［7］曾进行Y形柱整体稳定性能有限元分析研究，主要结论是支干同时破坏失效时，结构的单位质量承载力最大、材料利用率最高，且承载力变化与分支夹角及支干外径比有关。在北京朝阳站若应用Y形柱支撑，需适当增加钢管截面尺寸，并增加措施补强东西向结构刚度，同时对南北幕墙处立柱增加结构斜撑。Y形柱选型方案中，将Y形柱分叉点提高后（见图8），室内空间更加开阔，旅客通行效率也显著提升。

图7 Y形柱选型方案效果图

2.3 V形柱选型方案

图8 Y形柱脚平、立面

传统、经典的建筑结构选型思路应充分继承，北京朝阳站工程还研究了V 形支撑柱方案（见图9、图10）。V 形柱具有良好的几何形态，节点选择灵活，受力性能良好，在福州海峡奥体中心体育场［8］等项目中已成功运用。V形柱作为传力系统不仅可满足屋面桁架体系承载要求，其自身简洁明快的视觉表现力也是候车厅空间的一大亮点。相对于三叉柱结构，采用V形柱与Y形柱一样，也需适当增加钢管截面尺寸，补强东西向结构刚度，同时对南北幕墙处立柱增加结构斜撑。V形柱选型方案柱底采用成品抗拉型球铰支座连接钢筋混凝土基础，并做仿清水混凝土饰面，柱头与吊顶板交接处采用椭圆形挖切处理，空间视觉效果自然真切且整体感强。

图9 V形柱选型方案效果图

3 支撑斜柱选型结构性能对比分析

3.1 结构模型

图10 V形柱正、侧立面

在经过优缺点对比后，淘汰三叉柱选型方案，为满足建筑造型要求，着重对V形柱和Y形柱的结构性能进行对比分析。根据旅客候车体验、结构受力合理性，利用Midas 建立2 种模型：V 形柱支撑在站房高架层立柱上（见图11）；Y 形柱支撑在站房高架层立柱生出的变截面斜墩上（见图12）。

3.2 周期及振型

图11 V形柱结构模型

图12 Y形柱结构模型

通过采用Midas Gen 进行建模分析，屋盖结构是典型的空间结构，振型密集。分析中共计算了45阶振型，质量参与系数均达到90%以上，满足现行抗震规范的规定。前5 阶频率、周期对比见表1，前3 阶振型见图13—图15。

表1 前5阶频率、周期对比

图13 第1阶振型

图14 第2阶振型

因中间斜柱的横向空间作用，2 个结构的1 阶振型表现为纵向平动，属于桁架的面内变形，表明结构体系受力较好，面外刚度较大。V形柱桁架的面外变形出现在第3 阶振型中，Y 形柱桁架的面外变形出现在第2 阶振型，频率分别为0.855 8 和0.652 2。表明V 形柱的横向作用更强，刚度更大。

3.3 斜柱内力分析

图15 第3阶振型

选取最西侧的1组斜柱进行内力分析，在恒载、活载及顺斜柱分叉方向（Y 向）的地震作用下，下柱（墩）和上柱的轴力见图16、图17。

对比分析可知，在恒载、活载作用下，V 形柱和Y形柱的轴力基本相同，表明在竖向荷载作用下，二者刚度对结构内力影响较小。在Y向地震作用下，二者上柱的轴力差别不大；因V 形柱墩柱底与结构板下支撑柱刚接，Y形柱下柱与结构板上支撑柱柱顶铰接，所以V形柱墩的地震轴力较Y形柱下柱内力增大较多。

图16 V形柱内力

图17 Y形柱内力

4 结论与建议

北京朝阳站是在中国国家铁路集团有限公司倡导建设新时代精品智能客站、贯彻落实“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”客站建设新理念背景下建设的特大型铁路站房。高架候车厅作为最能体现站房建筑品质的空间，其细部建筑结构选型更应秉承建筑结构一体化设计理念，综合考虑结构性能、空间效果和旅客体验，持续进行方案优化。

（1）比选的3个方案都属于可行方案。但采用V形柱，结构空间作用更强，整体性更好，建筑造型更为美观。因此，北京朝阳站最终选用了V形柱支撑方案。

（2）屋盖钢结构通过边列柱和中间V形柱支撑，将对下部底板混凝土结构产生较大拉力，应针对“尽量减少屋盖自重对混凝土结构的拉力”制定专项施工措施。

（3）V形柱上端与屋盖桁架采用销轴节点连接，下端与高架层结构采用抗拉型球铰支座连接，二者都属于安装精度要求较高的节点形式，施工过程中应强化空间定位，不断监测、调整，以满足设计要求。

（4）屋盖通过支撑斜柱与候车厅混凝土底板多个温度分区相连，应采用整体模型和单体模型分别计算，采用最不利组合进行设计控制。