铁路站房环梁转换层及关键转换节点的设计

石东婉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司）

1 工程概况

江门站位于广东省江门市新会区，站房总建筑面积约为4hm2，共有八个站台20条到发线，最高聚集人数4000人，为大型铁路站房。江门站结构体系复杂，上部采用钢结构、下部为混凝土结构，且存在梁柱转换。树筒钢管在高架层与钢骨混凝土柱转换，部分钢骨混凝土柱在地面层通过双钢骨混凝土梁转换，支承体系竖向部分连续。树形编织筒钢结构圆钢管竖向编织，网格呈菱形状，形成空间筒壳结构。筒壳结构下部由型钢混凝土结构支承。正是由于上下层结构的变化，需要在结构中间加设转换层，将上部钢结构的荷载通过转换层加在下层与地面直接连通的支撑柱子上。工程采用的转换形式为梁式转换层。

对于江门站弧形转换梁特殊结构，以连续整体的转换梁为研究对象，考虑结构的整体及连续性，计算梁柱转换结构的抗震性能。

2 环梁转换层的结构特点

本工程的转换层为地面层，转换层的关键梁柱构件（即转换节点）是结构中间部位的环梁部分，即双型钢混凝土转换梁柱节点。双型钢混凝土转换梁由三部分组成，即外包钢筋骨架、混凝土和组合型钢[1]。组合型钢是通过将两根工字钢通过缀板连接起来而形成的。上部型钢柱通过端板螺栓连接的方式与转换梁连接。该转换层属于梁式转换层，结构传力途径清晰，且受力性能好、便于施工[2]。

在进行结构设计时，要求做到“强柱弱梁”、“强节点弱构件”[3]，主要是为了考虑构件的重要性以及破坏后对整个结构的影响程度。显然柱子的破坏造成的后果比梁破坏更严重，所以结构设计时，总是让梁比柱先破坏[4]。而本工程中因为转换梁需要有足够的刚度来承受上部荷载，下部的支撑柱也应同时设计的更“强”。

转换层处梁柱节点是结构非常关键的部位，是结构刚度突变的位置，也是地震中受损最严重的地方。在设计时，应该把转换层上下层结构的刚度比控制在一定的范围内[5]。根据“强节点弱构件”的要求，理想情况是梁和柱都破坏掉了，节点再被破坏。可是在转换层中节点是受力最复杂的，受到弯、剪、扭的作用，同时还要将荷载经由节点往下传[6]。因此，对节点传力机制和破坏模式的研究一直是重难点，而本工程中的托柱梁式转换节点也是我们研究的重点。

3 转换层设计及有限元分析

针对以上提出的研究重点，分别对江门站侧方站的双型钢混凝土转换层环梁结构无楼板和有楼板两种情况施加考虑地震荷载组合的各种工况下的最不利荷载，通过有限元软件ABAQUS分析其变形情况及安全性能，并进行对比[7]。

3.1 构件设计及内力提取

3.1.1 抗震设计

抗震设计需明确整体结构的抗震性能水准和目标[8]，在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）第3.11.1条中将结构的抗震性能水准划分为五类；在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）第3.11.2条中将结构的抗震性能目标规定为四种。

依据本项目的抗震设防类别、场地条件、设防烈度和震后损失，确定需达到的结构抗震性能目标为：在多遇地震、设防烈度地震和预估的罕遇地震作用下，该结构的抗震性能水准分别判定为完好、基本完好、轻度损坏。转换层的梁和柱是关键的结构构件，高规中规定了在第一、第二和第三抗震性能水准下，震后关键构件的性能状况应分别为无损坏、无损坏和轻微损坏。

3.1.2 内力提取

采用四种荷载工况：①施加20种静力荷载工况，考虑最不利荷载组合下的内力；②对20种静力荷载工况分别组合上小震工况，考虑最不利荷载组合下的内力；③对20种静力荷载工况分别组合上中震工况，考虑最不利荷载组合下的内力；④对20种静力荷载工况分别组合上大震工况，考虑最不利荷载组合下的内力。

3.2 转换层环梁结构的有限元分析

3.2.1 建立模型

选用AutoCAD2012版本对双型钢混凝土转换层环梁结构进行建模，分别建立无楼板和有楼板的转换层模型；再将模型导入ABAQUS中进行后续处理。

3.2.2 材料参数

混凝土材料参数见表1，型钢和钢筋材料参数见表2[9]。

4 有限元分析结果

4.1 无楼板的转换层环梁结构的分析结果

通过有限元软件ABAQUS对无楼板转换层环梁结构在四种荷载工况下的分析，得到各个工况下整体结构的变形位移结果。

如图1所示，模型在静力荷载最不利工况下，结构的变形最大值为5.83mm，变形特别微小。混凝土的最大应力值为17.14MPa，钢筋的最大应力值为171.3MPa，型钢的最大应力值为156.7MPa。混凝土、钢筋、型钢均处于弹性阶段，未屈服。在小震的最不利工况下，结构的变形最大值为15.11mm，环梁挠度最大值为3mm，变形较为微小。混凝土的最大应力值为19.08MPa，钢筋的最大应力值为195.5MPa，型钢的最大应力值为198.3MPa。混凝土、钢筋、型钢均处于弹性阶段，未屈服。在中震的最不利工况下，结构的竖向变形最大值为9.911mm，环梁挠度最大值为5mm，变形较为微小。混凝土的最大应力值为24.44MPa，钢筋的最大应力值为196.6MPa，型钢的最大应力值为188.9MPa。混凝土、钢筋、型钢均处于弹性阶段，未屈服。在大震的最不利工况下，混凝土的最大应力超过其强度的标准值，并发生局部损坏；钢筋和型钢的最大应力未超过其各自的屈服强度，并且仍处于弹性阶段。圈梁挠度最大值为7.5mm左右，变形较为微小。

表1 混凝土材料参数表

表2 钢材和钢筋材料参数表

图1 无楼板转换梁结构有限元计算结果

因此，无楼板的结构梁式转换层部分的环梁结构在静力荷载作用下满足安全要求。在小震和中震下，混凝土、钢筋和型钢均未屈服；在大震下，混凝土的破坏程度较小，满足高规中在三个抗震性能水准下结构关键构件的震后性能目标[10]。

4.2 有楼板的转换层环梁结构的分析结果

通过有限元软件ABAQUS对有楼板的转换层环梁结构在四种荷载工况下的分析，得到各个工况下整体结构的变形位移结果。

如图2所示，模型在静力荷载最不利工况下，结构的变形最大值为5.912mm，变形特别微小。相较于无楼板的环梁结构，有楼板的环梁结构混凝土、钢筋、型钢最大应力较大一些，仍处于弹性阶段，未屈服。在小震的最不利工况下，结构的变形最大值为15.10mm，圈梁挠度最大值为3mm左右，变形较为微小。混凝土、钢筋、型钢均处于弹性阶段，未屈服。

在中震的最不利工况下，结构的竖向变形最大值为9.741mm，圈梁挠度最大值为5mm，变形较为微小。混凝土、钢筋、型钢均处于弹性阶段，未屈服。在大震的最不利工况下，混凝土的最大应力超过其强度的标准值，并发生局部损坏；钢筋和型钢的最大应力未超过其各自的屈服强度，并且仍处于弹性阶段。圈梁挠度最大值为7mm左右，变形较为微小。

因此，配有楼板的结构梁式转换层部分的圈梁结构在静力荷载作用下满足安全要求。在小震和中震下，混凝土、钢筋和型钢均未屈服；在大震下，混凝土的破坏程度较小，满足高规中在三个抗震性能水准下结构关键构件的震后性能目标。

5 结语

文章介绍了江门站型钢混凝土环梁转换结构及其节点在不同工况下的有限元分析，通过计算结果图进行整理分析得出以下结论：

①在四种工况下，双型钢混凝土梁式转换结构及节点的变形均较小，转换梁的挠度也满足安全使用要求。

②在静力荷载组合的最不利工况作用下，无楼板和有楼板的转换层环梁的混凝土、钢筋、型钢的应力均小于屈服应力，结构可正常工作。

图2 有楼板转换梁结构有限元计算结果

③在考虑小震的荷载组合最不利工况作用及中震的荷载组合最不利工况作用下，无楼板和有楼板的转换层环梁的混凝土、钢筋、型钢的应力均小于屈服应力，结构无损伤。在考虑大震的荷载组合最不利工况作用下，无楼板和有楼板的转换层环梁的混凝土梁柱的局部位置应力大于屈服应力从而发生屈服，而钢筋、型钢的应力均小于屈服应力，结构受到轻微损伤；满足高规中在三个抗震性能水准下结构关键构件的震后性能目标。

④转换层环梁内无楼板和有楼板的计算数据相差不大，分析结论相同。