上海西火车站站房结构设计

边建烽

（广州珠江外资建筑设计院有限公司，广东 广州 510060）

上海西站位于位上海普陀区，是沪宁城际轨道交通线上站房之一。站房平面呈矩形状，东西长约124m，南北长为25.4m，结构总高约17.5m，东、西两侧局部有两层辅助功能用房，层高为5.4m，中部为17.5m通高，南北跨度为25.4的候车厅，四周均为玻璃幕墙。

1 结构概况

综合建筑功能、幕墙形式、结构安全、经济等因素，本工程实施阶段采用框架结构体系，框架柱柱距为10m，局部候车厅中部由于建筑立面要求，柱距达20m。屋盖结构采用了正放四角锥平板网架，网架点支承于周圈24根框架柱上，网架采用结构找坡，厚度约为1.5~2.1m，由于网架结构对整个长达125m起到一个平面协调的作用，在设计上不进行分缝处理，因此，为较小温度效应对支承网架柱的影响，在局部柱顶设置了抗震球形弹性支座。幕墙与结构的关系是本工程关键点之一，由于空间通高达17.5m，东、西、南侧幕墙在5.4m以上往外悬挑约2.5m，只能支承于上下孤框架梁上，框架梁受力较为复杂，为双向受弯构件。通过与幕墙单位协商，为减小幕墙结构对整体结构的联系，明确两者的支撑与被支撑的关系，减小幕墙的受力负担，幕墙采用上挂形式，竖向荷载由10.8m标高处的大框架梁承受，侧向风荷载则由梁柱组成的竖向平面支撑和网架屋盖组成的空间抗侧体系承受。图1、2分别为上海西建筑效果图和二层建筑平面图。

图1 上海西站房效果图

图2 二层建筑布置图

由于场地具有较厚的回填土及软弱层，本工程基础采用钻孔灌注桩，桩长约40m。场地抗震设防烈度为7度（0.1g），按上海地方标准，特征周期为0.9s，由于结构屋盖为钢结构，适当考虑阻尼比折减，取为0.045。乙类建筑框架结构抗震措施提高一度，抗震等级为二级。50年一遇基本风风压和基本雪压分别为 0.55kN/m2和 0.2kN/m2。

内部夹层框架柱截面主要为600×600，周圈支撑上部网架柱主要截面为800×1200和 1200×1200 及 1100×1200。

2 结构计算设计

由于本工程除屋盖网架为较为完整的平面协调结构（在东西两侧局部有掏空）外，其余只有局部夹层的楼板，整个结构楼板严重不连续，如果采用一般的层模型进行结构分析，结构在风荷载计算及传递上存在一定问题，尤其对柱子的设计存在较为严重的安全隐患。因为层模型的假定导致在计算分析中，无法计算出柱子的扭矩值，按《混凝土结构设计规范》[1]第7.6.13条，柱子应考虑轴力、剪力、扭矩及弯矩共同作用的验算。而对于本工程柱子，尤其是中间候车厅入口20m的柱子及角柱，在风荷载作用下柱子扭矩不可忽略，从后续分析看，实际上抗扭截面限值起到了控制作用。从概念上分析结构体系来看，南北方向实际上是单榀排架，网架实际上是连接弹性杆，因此，在设计中无夹层处的柱子在南北方向计算长度按规范取为1.5倍的柱子净高。由于网架结构不仅仅是承受竖向荷载，实际上是重要的水平协调构件，其与支承柱的连接尤其重要，只有将其与作为主体结构整体建模才能充分考虑到其安全性。因此，本工程采用了sap2000作为计算设计程序。结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦连。考虑到幕墙和结构结合密切，本工程分析当中考虑了以下两个不同的分析模型进行包络设计，第一种情况为模型中不含幕墙结构，仅将幕墙荷载作用到主体作用点上；第二种情况为模型将主体结构和幕墙结构整体建模。图3为带有幕墙结构的计算模型。

由于本工程长度达125m，屋盖采用网架结构，温度作用不可忽略，为减小温度影响，通过试算分析，最后在柱顶设置抗震球形钢支座，支座南北方向与柱子为固定铰连接，纵向则为弹性铰接支座，支座刚度为5kN/mm。

图3 结构整体分析模型

结构整体计算的主要指标见下表1。

表1 结构整体计算主要结果

图4 Y方向风荷载下南面柱子扭矩图

图4给出了Y方向风荷载标准值作用下中间20m跨柱的扭矩图，扭矩达到了345kN—m，角柱也达到了150kN—m，这些扭矩对柱子的剪扭设计不可忽略，需要加以重视。通过柱顶设置弹性支座后，温度作用显著降低，对结构设计影响不大，仅在设计中对适当加强即可满足要求。

结论

火车站站房结构设计具有跨度大、楼板布置不连续或严重缺失，其完全不起空间协调作用，幕墙与结构关系紧密，尤其是存在大量的临空幕墙须有框架柱及其上部支承屋盖共同组成抗风体系等特点。我国目前正在大量新建高速铁路，通过上海西站的设计经历，针对此类结构，须采用空间有限元分析软件,如sap2000等进行分析，而不能简单采用以层为基本单位的分析模型，这样容易造成周边框架柱的安全隐患；在具体设计中，看结构整体指标等可以不必考虑幕墙的结构作用，仅需考虑其荷载即可，而对于具体构件的验算，建议在模型中带入幕墙支承于结构上的支点一定范围内的幕墙结构，以准确计算其对支承结构（梁、柱）的作用；网架屋盖在设计中应该整体建入模型，其不仅仅是承受竖向荷载，其更重要的是对结构起到了一个协调整合的作用，是结构抗侧的重要组成部分，设计中应加强其与柱子的连接，加强支座附近的腹杆，适当降低其截面利用率。

[1] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范》GB 50010-2002[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.