1、工程概况

某不规则多层长途汽车站工程整个规划围绕车场形成“两区一廊”结构。通过结构缝将整个项目分为四个独立的单体结构，分别为长途客运站、公交首末站、换乘连廊及站台雨棚结构，如图1所示。单体结构高度均小于24m,属于多层建筑。

长途客运站是整个站区的核心，呈L形位于基地东北部，其候车大厅及中央大厅为大空间，大厅内无柱，最大跨度25.2m,两侧局部柱网8.4m×9.0m(斜柱)。两侧局部平面地上3层(设置结构地下室),首层层高6m,二层层高4.5m,三层层高4.5m。主体结构采用框架-剪力墙结构(通高大厅区域为排架结构)[1]+张弦梁屋盖，局部小跨柱网区域屋面采用混凝土结构，如图2所示；张弦梁屋盖通过成品钢支座与下部混凝土框架梁、柱连接。

图1工程效果图

图2整体结构模型

换乘连廊位于设计范围中部，用以连接长途客运站及公交首末站。换乘连廊采用单排柱柱顶铰接的排架结构，由钢筋混凝土Y形分叉柱+钢箱梁+上部钢构架组成，柱距18～22m,连廊6.00m标高处为整体钢箱梁，钢箱梁上部为钢构架层，Y形分叉柱与钢箱梁采用成品支座连接。

本工程结构安全等级二级，结构设计工作年限50年，抗震设防分类为丙类。抗震设防烈度为6度(0.05g),设计分组为第一分组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.35s。基本风压0.30kN/m2(50年重现期),地面粗糙度类别为B类。主要构件抗震等级如表1所示。

表1主要构件抗震等级

图5长途客运站典型剖面图

2、结构体系及关键部位设计

2.1长途客运站斜柱框架设计

长途客运站为框架-剪力墙结构(局部为排架结构),屋盖采用张弦梁结构，主要框架梁截面为350×800,斜柱及框架柱主要截面为800×800,剪力墙厚度为300mm,预应力梁截面为400×1 000,混凝土强度等级C40。长途客运站平面投影呈L形，两肢平面尺寸分别约为104.7m×25.2m和90m×25.2m,属于典型的凹凸不规则平面，其中，候车大厅和中央大厅为通高大空间，属于典型的楼板不连续，如图3和图4所示。

图3长途客运站结构体系示意

图4长途客运站结构平面布置图

为满足建筑设计空间及立面要求，长途客运站内部在轴、轴、轴、轴、轴、轴设置6排斜柱，斜柱与水平方向的夹角为72°或60°。

如图5、6所示，斜柱区域一(轴～轴)左右侧斜柱倾斜方向相反，呈倒八字形；在竖向荷载作用下，斜柱之间的框架梁中会产生较大的拉力作用[2-6],在框架梁中增加抛物线形预应力钢绞线，一方面抵抗竖向荷载作用下产生的弯矩，另一方面预应力对混凝土框架梁产生预压作用以抵抗框架梁内的水平拉力；另外在该区域设置剪力墙，以增加该区域结构的抗侧刚度，为斜柱提供可靠拉结。

图6斜柱框架三维剖面图

斜柱区域二(轴～轴)由2排斜柱和单排直立柱组成，2排斜柱倾斜方向一致，竖向荷载作用下此区域框架梁弯矩与水平荷载作用下弯矩分布相似，证明仅仅1排框架直柱支撑倾斜斜柱，结构刚度较弱，水平侧移较大，导致斜柱截面及配筋较大。通过在该区域底层局部增设直立框架柱(图6),同时增设剪力墙，提高该区域结构抗侧力能力，框架梁和斜柱的受力得以改善，提高了结构冗余度。

2.2张弦梁结构设计

本工程所处地质条件较差，岩溶、土洞发育，上部覆盖层为软弱土层，为减小上部结构自重，长途客运站的中央大厅和候车大厅的屋顶采用张弦梁结构方案。张弦梁单向布置，为减小檩条跨度，在框架梁或框架柱上均设张弦梁，如图7所示。

图7中央大厅张弦梁屋盖

根据支撑条件的不同，张弦梁采用两种不同的支座形式：1)位于混凝土梁上的张弦梁一端采用固定铰支座，另一端采用单向滑动支座，以减小施工阶段张弦梁屋盖施工过程中对混凝土梁产生的水平力；同时，加大混凝土梁宽，以增强该梁的水平抗弯能力。2)位于柱顶的张弦梁采用固定铰支座；张弦梁屋盖上弦周边和中部设置交叉斜拉索，保证整体平面刚度，协调各部位整体变形。

张弦梁下弦采用直径为40mm的索，有效截面面积为978mm2,最小破断力为1 440kN,预张力为190kN,有效张力为120kN。竖向荷载作用下最大索拉力为387kN(小于索力限值720kN),反向风荷载作用下最小索拉力为33kN,未出现退张现象[7-8],各构件截面如表2所示。

表2构件截面及材质

采用SAP2000程序对张弦梁与主体混凝土结构进行整体建模计算。结果表明，在最不利工况下，固定铰支座最大抗剪力679kN,滑动铰支座最大滑动位移27mm,最大转角为0.007rad,支座最大压力和最大上拔力分别为192、16kN,上拔力主要出现在1.0恒载+1.5风吸+0.9升温工况下。本工程采用的支座为双曲面抗拉球形支座，参数满足以上要求。

2.3大跨度换乘连廊钢箱梁及分叉柱设计

换乘连廊整体为L形的无缝结构，两肢平面肢呈110°。换乘连廊楼面整体采用钢箱梁形成多跨连续梁，钢箱梁下方竖向构件采用单柱双分叉钢筋混凝土柱，未分叉的柱截面为800×1 800,分叉斜柱截面为800×1 100,混凝土强度等级为C40。柱顶设置成品钢支座支撑9.25m宽连廊。柱距较大，单柱线性布置，大大释放了连廊下部的使用空间[9],方便客运汽车行使和停放。整体钢箱梁作为主体结构的水平承重构件，其上方斜撑为支撑钢屋面的附属结构构件，可在箱梁上部按建筑要求灵活布置。这种结构布置不仅使上部构件的斜撑纤细、美观，同时避免了桁架结构下部的竖向构件必须与斜杆交点(节点区)对齐的弊端，如图8所示。

图8连廊标准柱跨三维结构图与现场实景图

2.3.1钢箱梁有效截面宽度取值

钢箱梁结构形式在建筑结构中应用较少，对整体钢箱梁可以采用有限元计算[10-11],也可采用梁格法计算。钢箱梁截面有效宽度的计算在建筑结构设计相关规范中没有规定，但作为一个重要的参数[12],其取值对结构设计影响较大。借鉴《公路钢结构桥梁设计规范》(JGJD 64—2015)[13](简称《公路钢规》)中钢箱梁截面有效宽度相关规定，影响其截面有效宽度取值的主要是钢板局部稳定和剪力滞两个因素，需对钢箱梁的截面总宽度进行折减。

以本工程标准柱跨(18m)为例，对图9、10的研究板块进行计算，其中钢材弹性模量E=206 000.0MPa,钢材泊松比υ=0.31,钢材屈服强度fy=355MPa。计算结果如表3、4所示，其中，a为研究板块的计算长度(横隔板或刚性横向加劲肋的间距),如图10所示；b为研究板块的计算宽度(腹板或刚性纵向加劲肋的间距),如图10所示；tf为翼缘厚度；K为弹性屈曲系数；L1为计算支座左侧跨径；L2为计算支座右侧跨径；ρ1为考虑局部稳定影响的钢箱梁有效截面宽度的折减系数；ρ2为考虑剪力滞影响的钢箱梁有效截面宽度折减系数；beip为考虑局部稳定影响的钢箱梁有效截面宽度；beis为考虑剪力滞影响的钢箱梁有效截面宽度。

图9连廊标准柱跨横断面图

图10连廊加劲肋分布三维图示

表3考虑局部稳定影响的钢箱梁有效截面宽度折减系数

表4考虑剪力滞影响的钢箱梁有效截面宽度折减系数

根据表3和表4结果，跨中处钢箱梁有效截面宽度折减系数ρ=ρ1ρ2=0.467×0.82=0.383;支座处钢箱梁有效截面宽度折减系数ρ=ρ1ρ2=0.560×0.589=0.330,考虑了剪力滞和受压局部稳定因素后钢箱梁有效截面宽度大大降低。

根据《公路钢规》第5.1.7条和上述实例计算分析结果，考虑局部稳定影响的钢箱梁有效截面宽度折减系数主要与加劲肋的刚柔性密切相关，设计中采用具有更大的抗弯刚度的加劲肋，或使其成为刚性加劲肋，这有助于提高钢箱梁的截面有效宽度，增加钢箱梁的截面利用效率，从而减少用钢量。如图9跨中处的加劲肋截面(-100×10)改为L形截面(L100×30×10),保证纵向加劲肋的相对刚度使其刚好满足《公路钢规》关于刚性加劲肋板的要求，则考虑局部稳定影响的截面有效宽度折减系数从0.467变为0.567,有效截面提高21.1%,较大幅度提高钢材利用效率。

2.3.2支座设计

除位于换乘连廊中间转角处柱墩上的两个支座采用一端固定铰支座，另一端单向滑动支座(连廊横向滑动)外，其余单柱墩支座均采用一端单向滑动(连廊纵向)支座，另一端双向滑动支座，具体支座布置如图11所示。滑动支座的设置，大大削弱了整体升温和降温作用下的支座内力[11],但在顺连廊方向(X向)地震作用下，支座ZZ1和ZZ7将承受全部地震作用。在连廊横向(Y向)地震作用下，由全部柱墩承担地震作用。经计算，各个荷载作用下典型支座反力如表5所示，由表可见支座的轴力约为330～4 000kN,水平剪力为40～350kN。另外计算得到滑动支座水平位移为13～47mm。根据上述支座反力和滑动支座水平位移选择合适的支座性能参数。

图11连廊支座布置图

表5典型支座反力/kN

2.3.3分叉柱及横梁设计及分析

由于支撑钢箱梁的柱为Y形分叉钢筋混凝土柱，上方设置截面较小的钢筋混凝土横梁拉结，在Y形分叉柱平面内方向(即连廊横向),采用一端固定铰，一端滑动的连接方式。该种支座形式，虽能减小换乘连廊钢箱梁在温度作用下的温度效应，但对下方Y形分叉柱及横梁受力十分不利，在竖向荷载作用下，Y形分叉柱向外倾斜趋势受到横梁的拉结，势必引起横梁中产生拉力，因此对横梁的拉力进行较为细致的分析十分必要。提取轴力最大的设计组合(1.3恒载+1.5活载+1.05雪载+0.9风载+0.9降温)下横梁的内力进行手工复核。结果表明，截面承载力满足设计要求，裂缝宽度控制在0.2mm,横梁配筋如图12所示。

图12 Y形分叉柱及横梁配筋详图

对于Y形分叉斜柱及下部柱墩的设计，采用SAP2000截面配筋校核功能(截面定义中输入钢筋混凝土构件的实际配筋),校核各个设计组合下混凝土构件的承载力比率(即柱P-M-M相关比率)[14]。结果如下：Y形分叉柱的最大承载力比率为0.84,横梁最大承载力比率为0.55,满足设计要求。

3、L形平面斜柱框架剪力墙抗震性能化设计

3.1超限情况及抗震性能目标

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15](简称《抗规》)和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质﹝2015﹞109号)[16]的相关规定，本工程长途客运站超限情况如下：1)楼板局部不连续：中央大厅和候车厅大空间需求，楼板有效宽度小于该层楼板典型宽度的50%,开洞面积大于该层楼面面积的30%。2)扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2,但小于1.4。3)凹凸不规则：长途客运站为L形平面，平面凹凸尺寸大于相应边长30%。4)局部不规则：本工程存在多排斜柱。综上，长途客运站单体属于超限的多层建筑[17-18]。

本工程虽为多层建筑，但不规则项较多，针对以上不规则项情况，借鉴《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)(简称《高规》)第3.11节要求进行抗震性能化设计[19]。抗震性能设计目标为：关键构件在设防地震作用下正截面不屈服、抗剪弹性，在罕遇地震作用下正截面不屈服、抗剪不屈服。关键构件位置如图13所示。

图13关键构件图示

3.2结构分析

3.2.1反应谱分析

分别采用YJK(5.2.1版)和MIDAS Building 2021两种软件进行结构计算[20]。结果显示：1)两种软件计算的整体结构质量和周期基本一致，基底剪力也基本相同，剪重比均大于0.8,最大层间位移角均远小于限值1/800,楼层抗剪承载力比值均大于0.8,无薄弱层。2)两种软件计算的X向的最大层间扭转位移比为1.37(图14),Y向的最大层间扭转位移比为1.38(图14),两者均大于1.2但不大于限值1.4。3)两种软件计算的侧向刚度比值均满足《抗规》要求，无软弱层。4)两种软件计算的周期比为0.85,小于0.90。从两种软件统计的计算指标上来看，通过合理的结构布置，计算指标基本能满足《抗规》要求，不属于严重不规则。

图14小震作用下楼层层间扭转位移比曲线

两种软件的计算结果基本规律一致，只是由于软件对某些特殊情况的处理方法在概念上的不尽相同，例如：在层间扭转位移比计算方面，MIDAS Building未采用强制刚性楼板假定，中央大厅等部位开大洞，造成该部分地震作用下位移较大，计算的层间层间扭转位移比普遍比YJK软件计算偏大，使得计算结果在数值上存在一些差异，但这些差异均在工程可以接受的范围以内。

3.2.2弹性时程法分析

弹性时程分析采用7组小震地震波进行计算分析，本工程分析考虑两个地震方向同时作用，每组波分别按X、Y为主方向两种工况进行计算，7组波共14个工况，各地震波峰值加速度均调整为18cm/s2,每一工况主、次方向地震波峰值加速度比为1∶0.85。

采用YJK软件进行分析，表6列出了各组波的基底剪力及其平均值与CQC法的基底剪力比较结果。可知：每条地震波的计算结果不小于65%,不大于135%。多条地震波计算结果在结构主方向的基底剪力平均值一般不小于CQC法计算结果的80%,不大于其120%。故选用的地震波满足《抗规》要求。

表6基底剪力比较

由图15和图16可见，时程分析结果与CQC法结果具有一致性，但是有些楼层时程分析楼层剪力大于CQC法结果，故时程分析结果对CQC法地震剪力进行放大，利用YJK的楼层地震力调整功能对楼层剪力进行相应调整后，再进行小震配筋设计。

图15X向小震作用下楼层剪力

图16X向小震作用下楼层层间位移角

3.2.3中、大震等效弹性分析

根据《高规》及《抗规》要求，对结构进行中、大震等效弹性分析。结果表明：1)中震作用下X向和Y向最大层间位移角分别为1/2 630和1/1 281,均远小于限值1/400;大震作用下X向和Y向最大层间位移角分别为1/1 297和1/492,均远小于限值1/200。2)在中、大震不屈服及弹性验算中，斜柱、穿层柱等关键构件配筋结果没有出现截面受剪超限和抗弯超筋的情形，关键构件满足中震正截面不屈服、抗剪弹性及大震正截面不屈服、抗剪不屈服的性能目标要求。3)整体结构能满足“中震可修，大震不倒”的性能目标。

4、结论

(1)长途客运站采用框架-剪力墙结构，具有多排斜柱，斜柱与地面角度呈60°或72°,通过设置剪力墙提高结构抗侧刚度，设置预应力梁抵抗斜柱产生的水平拉力，改善结构受力性能。

(2)长途客运站屋盖采用自重较轻的张弦梁结构，根据张弦梁支撑条件的不同选择两种支座形式，保证主体结构安全。计算张弦梁在最不利组合作用下的索力及支座反力、位移，均满足设计要求。

(3)换乘连廊钢箱梁有效截面宽度主要受钢板局部稳定和剪力滞影响，提高加劲肋的抗弯刚度，可以提高钢箱梁的有效截面宽度。

(4)换乘连廊下部柱采用Y形分叉柱，采用SAP2000软件对分叉斜柱进行截面校核，其截面满足设计要求。

(5)长途客运站属于不规则的多层建筑，对其进行抗震性能化设计，满足关键构件在设防地震作用下正截面不屈服、抗剪弹性，在罕遇地震作用下正截面不屈服、抗剪不屈服的性能目标，保证结构安全。

参考文献:

[1]王皖兵,石光磊,许海波,等.L形超限高层复杂连体结构设计[J].建筑结构,2019,49(18):55-59,38.

[2]顾建.玄武宝龙城商业Mall复杂结构设计[J].江苏建筑,2023(1):38-42.

[3]陈卫峰.某商业综合体斜柱分析[J].山西建筑,2023,49(16):38-41,55.

[4]谢黎明,刘昶,邱剑.孝感市文化中心复杂超限结构设计[J].建筑结构,2023,53(13):46-51.

[5]杜鹏,杨坛,高斌,等.济南华润万象城抗震性能分析与设计[J].建筑结构,2024,54(7):23-29.

[6]韩重庆,陶健雄,傅强,等.苏州第二图书馆结构设计[J].建筑结构,2021,51(11):39-46.

[7]郭海峰,钱洋.某综合楼屋盖张弦梁拉索张拉分析及节点深化设计[J].江苏建筑,2023(6):71-74..

[8]汪大绥,张富林,高承勇,等.上海浦东国际机场(一期工程)航站楼钢结构研究与设计[J].建筑结构学报,1999,20(2):2-8.

[9]靳磊.单柱高架车站的结构特征及设计要点[J].山西建筑,2017,43(1):55-56.

[10]巩同川,刘金栓,张伯英.异形钢箱梁人行连廊精细化分析[J].建筑科学,2022,38(3):146-152.

[11]袁雪芬,戴雅萍,孙文隽,等.苏州360剧场室外人行钢连桥设计研究[J].建筑结构,2022,52(7):37-43,104.

[12]黄震伟,邢世玲,徐秀丽,等.中等跨径连续钢箱梁桥上部结构的标准化设计研究[J].公路工程,2017,42(2):154-158,169.

[13]公路钢结构桥梁设计规范:JGJ D64—2015[S].北京:人民交通出版社,2015.

[14]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京:人民交通出版社,2012.

[15]建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[16]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质[2015]109号[A].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015.

[17]刘琴琴.某不规则结构的抗震分析[J].上海建设科技,2021(3):48-50.

[18]吕恒柱,鲁松.吴江某文体中心项目文化馆结构分析与设计[J].安徽建筑大学学报,2018,26(4):1-7.

[19]胡道航.某特别不规则高层建筑结构设计与分析[J].建筑结构,2022,52(23):92-99.

[20]舒哲,赵继.midas Building从入门到精通结构大师篇[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2018.

文章来源:罗俊,熊森,冯孝宾,等.某不规则多层长途汽车站结构设计及分析[J].建筑结构,2024,54(17):98-104.