一、工程概况
青岛北站位于青岛市李沧区。车站建筑部分为地上2层、地下3层，局部设置夹层。青岛北站屋盖跨度141米、长度超过340米，采用立体拱架的结构型式，且主要构件均为异型截面。
青岛北站结构体系复杂，主要由大型空间钢结构站房和无柱站台雨棚组成。主站房和无柱站台雨棚是完全脱开的两个独立结构系统。在主站房结构中，屋盖结构与主站房候车厅结构也是两个完全独立的结构系统。其中，主站房候车厅标高9米，采用Y型钢柱+钢梁的框架结构体系，最大跨度22米；具有地下室承轨层采用混凝土柱+预应力混凝土梁的结构体系，跨度22米；屋盖结构平面尺寸为213米×352米。
二、屋盖结构体系
1.屋盖结构布置青岛北站屋盖的建筑造型独特，结构采用立体拱架的形式予以实现。整个屋盖结构由10榀立体拱架组成，轴间距分别为44米、33米、22米。每榀立体拱架由1榀拱、2根横梁、6对V撑、16根交叉索以及2根横梁间的纵向檩条组成。2根横梁的间距一般为22米；拱的跨度为94米~141米。为了减少基础与地基的水平推力负担，拱的拱脚利用拉索连接在一起。
按照交叉索角度的不同以及在重力荷载、负风压下的不同反应，将其分为两组：承重索和抗风索――重力荷载作用下，承重索索力加大；负风压作用下，抗风索索力加大。
沿结构纵向，立体拱架之间除檩条、屋盖交叉撑等联系外，在拱顶还设置了截面为3600毫米×5000毫米的三角形截面屋脊纵梁。中间4榀立体拱架的横梁两两共用；在横轨方向，V撑组成三角撑形式。
由于建筑造型的要求，交叉索与拱的下弦存在偏心，此偏心对结构受力有较为重要的影响。V撑为一轴心受力构件，采用预应力钢结构形式――由中心杆件和外设的三根拉索组成，构件的稳定性依靠外设的拉索保证。
作为围护结构的幕墙，其支承结构在水平向与屋盖结构有连系，在竖直方向完全独立，即屋盖结构仅需承受幕墙结构传递的风荷载。
2.构件截面
为了得到特殊的建筑效果，青岛北站屋盖结构的部分构件采用异型截面。拱由类椭圆形下弦、圆形上弦、竖腹板3部分组成；横梁由类半椭圆形下弦、矩形上弦、竖腹板3部分组成；三角形中心屋脊纵梁由2个三角形上弦、1个三角形下弦和腹板4部分组成。
如何在保证精度的前提下，用最小的计算成本模拟这些异型截面是需要探讨的问题。
三、屋盖结构的分析条件
1.荷载作用
⑴站房主体结构设计基准期为50年，耐久性年限100年，结构安全等级一级。
⑵站房主体的抗震设防类别为乙类，按抗震设防烈度6度进行地震作用计算，按抗震设防烈度7度要求采取抗震构造措施，抗震等级为一级。地震动参数按《建筑抗震设计规范》(GB50011―2002)选取。
⑶屋盖结构荷载与作用来自4个方面：一是恒载，除钢结构自重外，根据屋盖作法，取屋盖恒载为0.8节/平方米。二是活载，0.5节/平方米。由于拱结构的特殊性，本次计算还考虑了活载半侧布置的情况。三是温度作用，升温取30℃；降温取-30℃。四是风荷载，基本风压ω0＝0.7节/平方米(百年一遇)；风振系数βZ＝1.7。
2.单元类型
拱、横梁为异型截面，为了更好地对其进行模拟，本次计算采用的模拟方式为：将截面拆分为上弦、下弦和腹板；其中，上弦、下弦为梁单元，腹板以壳单元模拟。
V撑在计算模型中仅考虑中心杆的作用，但在截面验算中将考虑拉索的有利作用。三角形中心纵梁也采用格构式模拟，分别建立上弦、下弦、腹杆。交叉索与拱下弦的偏心以刚臂的形式予以考虑。分析软件采用SAP2000V11.0.8和ANSYSV11.0。 |
