青岛北站结构设计

     本书是我国重大建设工程中高铁站房领域的空间结构科技著作，内容的深度与广度非常少见，编写团队做了很多开拓新与创新性的工作，是我国科技界与工程界难能可贵的著作。 

     本书详细阐述了青岛北站结构设计的全过程，以及施工的关键技术，内容丰富、系统完整。共分3篇，第1篇主要介绍青岛北站工程的基本情况；第2篇系统介绍青岛北站地下结构、主站房（屋盖、高架候车层、东西广厅与观景平台、幕墙钢结构）和两侧对称的站台无柱雨棚等各部位的结构计算分析与设计；第3篇详细介绍青岛北站结构设计研究中的关键技术。

      张相勇：博士、教授级高工，国家一级注册结构工程师，国家注册咨询工程师(投资)，原为北京市建筑设计研究院有限公司主任工程师，现为中国电子工程设计院一所总工。工作期间以专业负责人参与大小工程20余项，曾参与北京银泰中心及北京财源国际中心等超高层超限项目，主持并负责青岛北站(含无柱雨棚)及合肥南站等大跨超限工程。为北京CBD核心区Z15地块高528m“中国尊”项目专业负责人之一。共发表专业学术论文40余篇。 作者所著《建筑钢结构设计方法与实例解析》一书由中国建筑工业出版社2013年5月出版，书中所选实例实用性强，符合设计人员实际需求，紧贴设计一线，获得了包括同济大学李国强教授、中国钢结构协会专家委员会委员甘明等业内知名专家学者的一致好评。出版时还得到了范重、钱基宏、朱丹、薛慧立、朱忠义、王燕、戴立先等代表设计院、高校、施工方等各方专家的积极点评与认可。该书由于其实用性及目前我国一线钢结构设计师相关著作的稀缺性，受到广大钢结构技术人员欢迎并持续热销，在行业内产生了比较广泛的影响。目前该书已经印刷5次共14000余册，与本书配套的张相勇博士教学光盘也已成为钢结构设计从业者的*培训课程。

第1篇工程基本情况

 

第1章工
程 概 况3

 

11工程概况3

 

12设计概况4

 

13工程大事记21

 

14主要科技成果29

 

第2章结构方案设计31

 

21“海鸥”形屋盖钢结构31

 

22高架候车层钢结构33

 

23东西广厅与观景平台结构34

 

24站台无柱雨棚35

 

25地下结构与地基基础36

 

第2篇结构设计分析

 

第3章“海鸥”形屋盖钢结构47

 

31结构体系与成形47

 

32结构计算分析49

 

33屋盖钢结构设计139

 

第4章高架候车层结构152

 

41结构体系152

 

42技术条件153

 

43验算控制标准159

 

449000 m标高候车层整体计算159

 

45计算结果检验166

 

46其他计算173

 

47高架候车层部分施工图187

 

第5章东西广厅与观景平台190

 

51工程概况190

 

52观景平台结构舒适性分析191

 

53消能减振分析设计191

 

54节点设计197

 

第6章幕墙钢结构199

 

61结构体系说明199

 

62幕墙钢结构设计依据及引用技术文件200

 

63基本参数201

 

64南(北)区幕墙钢结构201

 

65幕墙钢结构部分施工图210

 

第7章站台无柱雨棚 213

 

71结构形式及特点213

 

72结构计算分析214

 

73结构分析情况221

 

74构件截面验算225

 

75钢柱落地斜拉索设计228

 

76关键节点计算229

 

77雨棚部分施工图233

 

第8章地
下 结 构238

 

81“桥建合一”地下结构238

 

82东西广厅地下结构247

 

83基础设计248

 

第3篇关键技术

 

第9章大型基坑设计与施工261

 

91前期设计261

 

92基坑工程设计266

 

93基坑工程的重点设计268

 

94本章小结272

 

第10章大跨钢结构风荷载效应274

 

101数值风洞研究274

 

102风洞试验研究281

 

103本章小结284

 

第11章大跨钢结构抗火性能化设计286

 

111主站房FDS火灾模拟286

 

112主站房屋盖结构抗火承载力验算294

 

113本章小结301

 

第12章预应力钢结构302

 

121预应力立体拱架302

 

122无柱雨棚预应力钢结构310

 

123本章小结315

 

第13章钢结构异形截面承载力验算316

 

131异形截面验算思路316

 

132截面验算程序EAS
MIDAS317

 

133截面验算结果320

 

134本章小结322

 

第14章消能减振设计323

 

141有限元分析模型及动力特性分析323

 

142人群荷载模拟与分析工况定义324

 

143TMD减振方案及效果分析325

 

144屈曲约束支撑消能原理327

 

145消能减振设计方案328

 

146多遇地震下弹性时程分析330

 

147罕遇地震下弹塑性时程分析331

 

148本章小结333

 

第15章大型拱脚节点设计334

 

151有限元分析讨论335

 

152边界条件和荷载取值336

 

153计算结果的分析与讨论337

 

154本章小结339

 

第16章结构试验研究341

 

161立体拱架缩尺模型试验341

 

162异形截面试验356

 

163复杂节点试验360

 

164本章小结368

 

第17章含预应力张拉与卸载的施工仿真分析369

 

171拼装过程369

 

172卸载方式374

 

173施工仿真374

 

174结果分析375

 

175拉索抗火试验377

 

176本章小结380

 

第18章大跨钢结构施工监测与健康监测381

 

181监测的必要性381

 

182监测的内容382

 

183监测的结果386

 

184本章小结407

 

参考文献408

青岛北站是集高(普)速铁路、城际铁路、轨道交通、公交、长途客运、出租车和社会车辆等多种交通方式为一体的综合性大型交通枢纽，为山东省目前的铁路客运枢纽站。站场规模按8台18线布置，整个火车站由售票厅、广厅、高架候车厅、地下出站厅、无站台柱雨棚等客运部分，以及车站办公服务用房与设备用房组成。

青岛北站整体造型富有动感又伸展飘逸,挺拔而富有张力,似一只海鸥振翅高飞，预示着青岛市经济文化的蓬勃发展；建筑优美曲线的灵感来自于展翅飞翔的海鸥，给人以无限的遐想；同时采用预应力立体拱架结构体系直接外露，是建筑美与结构美的完美演绎，形成了一种城市门户的形象，象征着青岛以博大的胸怀迎接来自五湖四海的宾客。

　　青岛北站的“海鸥”方案造型奇特，注定了结构设计的极大挑战性，设计难度与复杂程度在国内近年建造的火车站房中比较少见。中铁二院、北京市建筑设计研究院有限公司及法国AREP公司三家单位组成的设计联合体为此付出了艰苦卓绝的努力。从2007年青岛北站方案投标开始，设计工作先后经历了结构方案深化设计、初步设计、修改初步设计、施工图设计、施工配合、车站运营配合设计等多个阶段，联合体内部经历了无数的不眠之夜，车站各结构单体也都进行了充分的讨论和多轮的修改，共历时6年多的时间。青岛北站于2013年12月正式通车，工程圆满竣工，为业主、为青岛市民提供了一项精品工程，构成了青岛市新的城市名片与新城市景观。

　　青岛北站在结构设计过程中，设计联合体曾协同西南交通大学、同济大学、北京科技大学、东南大学、建研科技股份有限公司、北京市建筑工程研究院等设计研究团队，对结构设计进行系统的理论研究、试验验证及设计方法研究，成功突破了结构设计中的关键技术，解决了项目设计过程中的诸多难题，为项目的顺利进行奠定了良好的基础。

　　青岛北站属于多种结构体系巧妙组合而成的混合体，含预应力立体拱架结构、拉索结构和钢桁架结构及部分混凝土结构，而且主构件截面多为异形截面，加之单体长度与跨度超限，结构设计难点颇多。通过预应力立体拱架的应用，紧密结合建筑造型，在满足建筑外观要求的基础上，良好地达到了屋盖结构的安全可靠使用要求，实现了独特建筑造型与新颖结构体系的统一；大量运用复杂节点和异形截面构件，通过大尺度缩尺模型试验及节点与异形截面试验的验证，同时进行相应的电算模拟，圆满完成了对其工作性能的验证，同时为其他相似工程问题提供了经验；通过耐火试验，验证高矾索在初始预应力作用下，喷涂防火涂料后，拉伸变形0.3%，在500 ℃高温下达到1.5 h的耐火极限，结果表明拉索受力性能满足要求，此类拉索耐火试验在国内尚属首次；运用TMD阻尼器，有效避免了高架候车层与观景平台大跨度楼面与人群行走频率的共振，同时显著减小了楼面加速度，保证了良好的舒适度要求；防屈曲支撑在西广厅的应用，在不增大原有框架柱截面的基础上，控制住了结构在地震作用下的层间位移角与振动响应，从而有效地保护结构在强震下的安全，而且安装方便，施工快捷；预应力幕墙钢结构在满足建筑外观和结构安全可靠的基础上，良好地实现了其功能作用，与主体结构的灵巧通透形成了呼应。

　　自2013年12月车站正式通车后迄今为止，青岛北站结构设计关键技术等各项科研课题均通过了相关部门验收，达到国际先进水平，部分成果达到国际领先水平，共完成关键技术研究报告11项，发表论文20余篇，相关成果共获得省部级奖励5项。

　　青岛北站结构设计过程中，中国铁路总公司（原铁道部）、青岛市政府给予了大力支持，曾得到柯长华、汪大绥、刘树屯、陈富生、王亚勇、傅学怡、齐五辉、薛慧立、苗启松、陈彬磊、盛平、覃阳、朱兴刚、肖从真、钱基宏、于海平、周学军、夏世群、蒋世林等国内专家的指导和帮助；
另外，设计联合体内各单位的领导和许多专家同行亦给予了热情关心、指导与帮助，在此表示诚挚的感谢。

　　工程建设过程中，在青岛北站建设指挥部强有力的领导下，总包单位中铁二局、中建股份等单位，以及中建钢构有限公司、中建安装有限公司等钢结构施工单位密切配合，通力合作，终高质量的完成了本工程。

　　本书编写自火车站通车后正式筹备，全书由张相勇组织并定稿，各章节编写人员如下：第1章：张相勇；第2章：张相勇，张克意；第3章：张相勇，赵鹏飞；第8、9章：张克意，张相勇；第13章：李黎明，张相勇；第14章：张相勇，张志强；第16章：牟在根，张相勇；其他章节均由张相勇编写。参与过本项目的罗斌、谈政、孟祥冲、魏建友、王莹、阳升、方云飞、韩龙勇、陈晗、陈新礼、司波、尧金金、冉鹏飞、张爵扬、汤理达等提供了工程建设过程中相关的资料与素材。参加本书编写的还有李静姝、葛鹏等。部分摄影图片由王顺成提供。

　　薛慧立、杨惠东、牟在根、赵鹏飞、李文峰、吕黄兵、徐瑞龙等专家校审了书稿。

中铁二院的业务建设课题为本书的顺利出版提供了极大的帮助。

　　在此一并致谢！