亚洲最大高铁站“清莲滴露”——
雄安站结构及监控平台设计探讨
雄安站是雄安新区首个在建的国家级大型交通基础设施。建筑面积47.52万平方米，相当于6个北京站。它是目前亚洲已建成的最大的火车站。采用“绿莲花滴露”的设计理念，呈水滴椭圆形。从高处看去，它就像水滴上一颗闪亮的珍珠。它是中国工程设计师独立创作的原创建筑方案。
▲雄安站建成后的实景
▲雄安站建筑效果图
优秀的建筑解决方案是通过结构来实现的。由于“未来城市”即将竣工，为了深入探讨该项目的结构设计和监测技术，《建筑结构》杂志社特别邀请了该项目的主工程师设计团队：总工程师范忠中国建筑设计研究院、国家勘察设计大师、中铁设计集团有限公司雄安站结构总体负责人宋志文、建筑学院院长罗耀志浙江大学工程系，讨论大家关心的雄安站结构设计。和监控技术进行了采访。
问题
01
雄安站总规模为11座车站、19条线路，平面规模巨大。如此大规模的车站，站房类型该如何选择？
范忠：
站房结构应根据其建筑功能和建筑特点进行选择。轨道承载层承受列车荷载和站房相关功能荷载，采用钢筋混凝土框架结构；考虑到高层候车大厅屋顶和站台雨棚可以获得更好的空间，能够适应更好的建筑造型的需要。承轨层以上结构采用钢结构。
建筑师希望结构能够裸露，利用结构构件的尺度来体现建筑的美感。雨棚区域采用外露式实腹钢框架结构体系，双向次梁与纵横交错的铁路网正交。回声。高架候车厅屋面结构与屋顶光伏板分区协调统一，采用大跨度钢框架结构体系，最大跨度达到78m。
问题
02
雄安站是中国建筑师的原创规划。结构的哪些部分是为了匹配建筑师的功能和形状而设计的？
宋志文：
雄安站最大的建筑效果是首次采用三维曲面清水混凝土梁柱。承轨柱的四个角有从上到下逐渐变化的弧形倒角。承轨梁在梁与柱的交汇处具有水平和垂直的圆弧。腋窝的加入，使整体造型具有规则变化的曲线效果，凸显结构美感，呈现出独特的韵律，同时也大大提高了空间的舒适度。
在结构设计中，采用有限元等多种分析方法，对清水混凝土梁、柱进行内力分析和截面设计；为了实现这一重要的建筑效果，对型钢梁柱节点和钢筋排列结构进行了特殊设计。雄安站建成通车后，地面候车厅清水混凝土柱造型美观，为旅客提供了舒适温馨的候车环境。
▲清水混凝土实拍图
此外，雄安站地面候车大厅夹层设置蜿蜒状悬空钢结构交通连廊。这条悬空连廊不仅是站房的功能需求，也是重要的室内景观桥梁。由于钢结构走廊是从上轨承重层梁底部悬挂下来的，因此进行了列车振动与行人荷载耦合下的振动舒适性分析，以确保交通走廊悬挂钢结构舒适可靠。
范忠：
为了隐蔽雨棚顶排水管道，方便维护，保证建筑效果美观，平台雨棚钢管柱采用异型截面。异型钢管柱属于封闭薄壁构件。由于建筑功能要求，上部钢屋盖与下部混凝土结构的抗震缝不能设置在同一位置；考虑到建筑的美观要求，双柱支撑雨篷和屋顶的效果并不理想。为此，开发了一种新型滑动轴承，可以在两个方向上产生较大的位移，以实现大跨度屋顶之间的重叠连接。
▲双向滑动轴承结构示意图
问题
03
雄安站抗震设防烈度为8度（0.3g）。针对高强度区域的结构设计进行了哪些专项研究？
范忠：
本工程抗震设防烈度高钢结构造型雨棚图片，钢结构广泛采用实腹杆件。如果层间位移角等指标控制得太严格，就会导致结构刚度和钢材消耗增加，而结构刚度和质量的增加又会导致地震效应进一步加大，导致结构用量显着增加。使用钢材。为此，设计人员从钢管柱的变形能力和层间位移角限制出发，分析了轴压比、径厚比、长细比对钢管变形性能的影响确定支撑雨棚的钢柱的屈服变形角。极限变形角度适当放松。
同时，由于站房雨棚钢柱受力特性与竖向悬臂梁相似且轴压比很小，因此将等厚箱形柱改为变步长形成具有较小的上壁厚度和较大的下壁厚度。尺寸不变，在侧向刚度相等的情况下，节省钢材的效果更好。考虑到大跨屋盖梁截面大，提出了腹板加劲肋薄壁箱梁。通过在腹板上设置纵向槽形加劲肋、横向加劲肋和拼缝板，保证构件具有较高的稳定承载能力，易于现场加工制造和安装。
问题
04
雄安站结构健康监测系统在其建设和运营过程中发挥了重要作用。具体来说，它关注哪些关键结构参数？又应用了哪些新的监控技术？
罗耀志：
雄安站结构体庞大，在多源荷载输入作用下，受到复杂的受力作用。建立了基于温度、应变、位移、振动和视频图像等多类参数的综合结构健康监测智能传感系统。重点监控部位分散。如果采用有线监控方案，线路布局复杂，后期维护困难。因此，根据雄安站的结构特点，设计开发了一套完整的无线健康监测系统。
应用温度、应力、位移、振动等新型无线传感技术，实现结构的全方位感知；建立了利用传感器节点、通信路由节点和基站进行数据和信息交换的新型树形网络拓扑，以满足大面积无线监控的需求；基于云平台技术，开发了集数据查询、设备管理、报警维护等功能于一体的新型结构监控智能平台，实现监控信息可视化。
该无线监测系统的持续运行，实时掌控结构的健康状态，持续保障雄安站的安全运行和维护。
《人民日报》公众号视频报道雄安站
通过以上专家的解答，我们对雄安站的结构设计和监测有了初步的了解。接下来，我们将详细介绍该项目的相关内容。
项目概况
雄安站位于河北省保定市雄县区东北部。京港台高铁、京雄城际、津雄城际3条线路在此交汇。
车站总规模为11个单元、19条线路。近期新建的京港站规模为7个单元、12条线路（其中6条干线）。金雄站远期预留运力为4台、7条线路（含2条干线）。 ）。车站总建筑面积47.52万平方米，其中京雄站房9.92万平方米，金雄站房预留5.08万平方米，市政配套设施约17.66万平方米，城市轨道交通规模占地面积约60500平方米，地下空间88100平方米，总面积平台雨棚面积约97600平方米。
雄安站轨道承载层及以下设计使用寿命为100年，其余设计使用寿命为50年；耐用寿命均为100年。结构设计安全等级为一级，百年一遇基本雪压0.40kN/m2，百年一遇基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度B级。
根据《河北雄安新区规划纲要》规定，雄安站大楼抗震设防烈度为8度（0.30g），设计地震分组为第二组。建筑物抗震设防列为重点设防类别；施工场地类别为Ⅲ类。 ，位点特征周期Tg=0.55。
▲雄安站鸟瞰图
▲雄安站结构长轴剖面
基本和结构概述
01
根据
地下空间采用柱下桩基承台+防水板；非地下室部分采用柱下桩基承台。基础桩为钢筋混凝土钻孔桩，采用桩端后注浆工艺。桩径为1.25m、1.0m，桩长为60m、50m。
02
钢轨承载层以下结构
车站主体结构南北长606m，东西宽307.5m。这是一个超长的结构。结构分为东、西两部分。在料轨方向设置4个抗震缝，在料轨垂直方向以悬挑或弱连接形式设置2个抗震缝。
▲钢轨承重层结构抗震缝示意图
最高温度段A1平面尺寸为126m×149m。线下主体结构站房最大柱网为30mx23m，标准柱网为(20~23)mx24m。支撑轨道承载层的框架柱采用型钢混凝土柱，截面尺寸为2.7mx2.7m。钢骨架采用十字型钢框架，轨道区承轨层框架梁和承轨梁采用型钢混凝土梁，钢框架采用H型钢框架;轮毂支撑区采用标准柱网（10~11.5）x15m，采用普通钢筋混凝土框架结构。
▲钢轨承载层混凝土结构实拍照片
03
钢轨承载层以上结构
屋顶平面呈椭圆形，总尺寸为450m355m（长宽）。为了减少结构的温度影响，结合近、远期停车场沿线15m宽的光谷，将屋顶沿轨道分为两部分。部分。考虑到屋面的施工效果和防水性能，在竖轨方向设置了两个结构缝，将屋面分为6个结构单元。
▲近期和远期的中间光谷和带状空心效应
▲站顶及雨棚顶结构布置图（总尺寸）
04
高架候车厅
高架候车层最大跨度为30m。商业功能房内房布置在候车厅内，地面荷载较大。大跨框架梁采用实心腹板H型钢，支架处设置双翼缘，提高承载能力。井字形次梁间距6m，采用平面桁架。桁架上下弦之间的空间作为夹层，方便敷设机电设备管道，同时作为H型钢框架梁的横向稳定支撑。
▲高架候车层结构立体布局
▲高架候车层框架梁双翼缘结构示意图
相邻桁架弦杆之间布置次钢梁H300×200×8×12。桁架上弦、次梁与120mm厚的钢桁架楼承板形成复合楼板。混凝土强度等级为C40。有的地区利用桁架下弦部分布置100mm厚的混凝土板，可作为管道检修平台和建筑吊顶。框架柱采用矩形钢管混凝土柱，其位置与下部混凝土柱的位置相对应。
高架候车层屋顶跨度为78m。为了达到简洁的建筑效果和较高的室内净空，采用变截面箱形拱梁，梁端支撑在V形柱顶部，可有效减少结构跨度。均匀布置的纵向次梁也采用箱形构件，并设置屋顶支撑系统，保证结构的完整性。
▲II2区高架候车厅屋顶示意图
▲高架候车厅及屋顶
05
平台雨棚
雨棚柱网尺寸为（15~23）m×24m，屋顶采用聚碳酸酯板，上面装有太阳能光伏板。为满足屋面排水的需要，雨棚屋面在竖轨方向每跨均设有5%的双向坡度。雨棚屋顶排水管道，维护方便，保证建筑效果美观。雨棚柱网尺寸与轨道承载层以下主体结构尺寸相同，采用异型钢管柱。
▲典型遮阳篷结构剖面
▲隐藏雨水管的雨棚柱建筑效果图
屋盖主梁采用焊接箱梁，双向横梁间距6m。采用焊接H型钢，规格为H600×300×tw（腹板厚度）×tf（翼缘厚度），与建筑空间一致；仅在雨棚周围局部设置斜撑，保证了tic形梁的外露效果，同时增强了雨棚屋顶结构的面内刚度。
▲顶篷完成效果图
结构设计的难点与创新
01
新型半嵌入式柱底座
雄安站站房采用大柱距、大柱截面的型钢混凝土柱。按照传统的预埋柱脚设计方法，承台内型钢深度过大钢结构造型雨棚图片，柱下承台厚度过大，基坑需要开挖大量土方。针对上述设计问题，经过反复比较论证，采用了新型的半嵌入式柱脚。型钢埋入截面高度约1.35倍。采用双向鞋梁解决柱脚弯矩传递到基础的问题。同时，平台的厚度也减少了。
▲钢混凝土柱脚示意图
02
雨棚变级异型钢管柱
本工程下部为混凝土框架，上部为大跨钢屋盖。钢柱底部与混凝土框架连接，钢柱顶部通过抗震球形支座支撑屋顶。
大跨度结构，室内净高大。柱顶侧向变形和柱底弯矩起主要控制作用。但柱承受的竖向荷载较小，其受力状态与竖向悬臂梁相似，上部利用率较低。
为了有效节省钢材用量，根据支撑大跨屋盖钢柱的受力特点，提出了变壁厚箱形柱。壁厚顶部较小，底部较大，符合弯矩分布规律，受力比较合理；可变壁厚厚壁箱形柱截面外形尺寸与等壁厚箱形柱截面外形尺寸相同，不影响建筑室内效果。
对于不同的上柱高比（变壁厚箱形柱上柱高与总柱高之比）和轴压比，在变壁厚箱形柱和等壁厚箱形柱的侧向刚度相等的情况下、变壁厚箱形柱用钢量明显低于等壁厚箱形柱。当上柱高比为0.4时，可节省钢材11.67%~16.24%。
▲支撑雨篷的异形钢管柱
▲雨棚异形柱效果图
03
肋箱梁
为了减轻结构重量，提出了腹板加筋薄壁箱梁，即减小腹板厚度，并在腹板上设置纵向槽形加劲肋、横向加劲肋和配线板确保构件具有较高的稳定承载能力，易于加工、生产和现场安装，减少钢材的使用量。
▲带肋薄壁箱梁结构
▲带肋薄壁箱梁现场照片
04
大跨度屋面搭接双向滑动支座
由于上部钢屋盖和下部混凝土结构的抗震缝不能设置在同一位置，针对该工程地震烈度高、变形差大的特点，开发了双向大位移的球型支座。相邻的屋顶。 ，实现相邻大跨度屋顶之间的滑动重叠。
▲轨道承载层上下结构抗震缝示意图
▲重叠屋顶双向滑动轴承位置示意图
支架包括上滑轨、下滑轨和中间旋转支架。上滑轨和下滑轨两端均设有限位板。中间旋转支架可在上下滑轨形成的矩形范围内滑动，最大滑动量可达±650mm。这种支撑在保证结构竖向力传递的同时，可以避免相邻屋面在水平方向上的相互影响，并具有防碰撞、防坠落措施。
▲双向滑动轴承现场照片
为了检验双向大位移球面轴承的可靠性，进行了1：2比例的模型试验。试验结果表明，双向大位移轴承在加载过程中无卡滞现象，具有优良的变形性能；双向大滑移轴承的垂直变形与轴承总高度的比值不超过1%，径向变形与轴承总高度的比值不超过1%。外径比小于0.05%，摩擦系数不大于0.03，竖向受压承载力、竖向受拉承载力、水平受剪承载力均满足设计要求。
▲装载装置
▲工装图
▲测试图
05
复杂大跨屋顶风洞试验及列车风的影响
鉴于雄安站屋盖造型独特、造型复杂、结构复杂，以及站房柱网稀疏、跨度大、结构刚度软，风致动力响应显着。
为了明确风荷载数值，在雄安站进行了刚性模型风洞试验。测试结果表明：
1）对于周围有开口的雨棚结构，平均压力系数一般在-0.8～0.3之间；
2）屋面悬挑区域风荷载型系数约为–2.3；
3）高架候车厅屋顶悬挑部分的向上吸力荷载明显高于其他屋顶悬挑区域；
4）15m宽光谷两侧屋顶风荷载变化不大，屋顶风荷载系数和风荷载不受屋顶分离的影响；雨篷柱上的空心面积对于整个屋顶来说相对较小，并且是局部空心的区域，对风荷载的影响也较小。
▲模型在风洞中的照片
雄安站有6条干线，列车高速通过车站时列车风的影响不容忽视。利用有限元软件Fluent模拟列车通过风的数值模拟结果表明，当列车以350km/h的速度通过时，最大竖向振动加速度为0.15m/s2，对列车通过时的风影响较大。高架候车层中跨，但不超过规范限值0.15m/s2，仍能满足舒适度要求。
▲列车风压沿列车两侧典型分布曲线（车速350km/h）
▲列车风压随距车身表面距离的变化曲线
06
无线健康监测系统
雄安站屋面钢结构分区单元跨越多个混凝土结构单元，受力复杂。为了探究屋盖结构的实际受力和变形状态，提高结构运行过程中的安全性，设计研发了雄安站屋盖结构无线健康监测系统。
建立基于应变、位移、温度传感器的综合结构健康监测感知层，构建以传感器节点、通信路由节点和基站为基础的树形网络拓扑传输层进行数据信息交换，开发集成的数据查询、设备管理和构建监控智能平台分析层的报警维护等功能。
▲无线传感传感器现场安装照片
▲监控系统数据传输框架
结构运行过程中，引起结构构件应变变化的最重要因素是环境温度。跟踪大跨变截面框架箱形曲梁应变变化曲线表明，应变与环境温度有很强的相关性，相关系数R2在0.9以上。 。
环境温度不仅会引起结构构件的应变变化，而且对结构变形的影响也不容忽视。跟踪结构变形缝处滑动轴承水平和纵向位移的变化。
水平纵向位移与温度的时程曲线表明，水平纵向位移与环境温度存在较强的相关性。相关系数R2在0.7以上，滑动轴承工作状态稳定。
雄安站结构健康监测系统有效实现了结构状态的实时掌控，保障了雄安站的安全运维。
▲大跨变截面框架箱形曲梁应变与温度关系
▲滑动轴承横向、纵向位移与温度的关系
项目信息
建设单位：雄安高铁有限责任公司
建设地点：河北省雄安新区
总建筑面积：47.52万平方米
项目状态：已完成
设计时间：2018.3-2020.10
设计单位：中铁设计集团有限公司、中国建筑设计研究院有限公司、北京市政工程设计研究院有限公司、阿海普（法铁）建筑设计咨询公司
钢轨承重层以下结构设计团队（中铁设计集团有限公司）：刘明、宋志文、魏文婷、于俊刚、郭俊佳、郑秀凯、李宏达、张文超、乔跃、尹启阳
轨道承载层以上结构设计团队（中国建筑设计研究院有限公司）：范忠、张宇、朱丹、刘涛、胡春阳、尤天智、刘学林、范泽元、谢鹏、李金龙, 杨素, 高松, 王津津, 杨凯, 韩文凯
监测组（浙江大学空间结构研究中心）：罗耀志、沉彦斌、赵景宇、蔡鹏程、李伟
