1.4.2 天津市于家堡综合交通枢纽建设工程
1.项目概况
于家堡位于天津市滨海新区海河北岸，东西南三面邻海河。于家堡综合交通枢纽位于于家堡中心商务区北端，东接规划中央大道，南邻规划于仁道，西接规划堡京路，北邻现状新港路。该交通枢纽连接京津城际延伸线及多条地铁线，总建筑面积为20余万平方米，铁路车场设置于地下，车站规模包括3座岛式站台与6条到发线。新建站房最高聚集人数约2000人，远期每日旅客发送量达50000人次，高峰小时发送量约为5000人次。该交通枢纽周边设置了出租车停车场、社会车停车场、公交中心及控制中心等一系列配套设施，从而形成了一个庞大、便利的交通枢纽中心。
2.结构形式
于家堡综合交通枢纽站房屋盖采用单层网壳结构，为非规则空间曲面造型，其外观呈南北向贝壳状，由36组顺时针和逆时针的空间螺旋线交叉编织而成。网壳结构南北向跨度为144 m，东西向跨度为81 m，矢高为25 m，其平面投影近似为半椭圆与半圆的组合，为单轴对称结构。其屋面采用ETFE膜材以达到整体结构简洁、轻巧、通透并与周围环境完美结合的效果。网壳南侧设主入口，两侧各设一个次入口，各入口门洞均为三角形，网壳顶部设有较大的天窗。地面站房屋盖钢结构通过支座与地下结构相连。
网壳杆件为焊接箱形截面，采用Q345C钢材，由于网格疏密不一，网壳不同部位的杆件截面大小不同，网壳主体杆件主要有7种规格，分别为700 mm×700 mm×25 mm×25 mm，900 mm×700 mm×25 mm×30 mm，700 mm×700 mm×20 mm×25 mm，600 mm×600 mm×18 mm×18 mm，600 mm×400 mm×15 mm×20 mm，600 mm×400 mm×18 mm×18 mm，500 mm×400 mm×15 mm×15 mm；天窗杆件规格主要为400 mm×200 mm×12 mm×14 mm。
3.项目特点
于家堡单层网壳结构由于具有诸多突破和创新，且为超限结构，给结构设计、施工等方面带来了一系列的关键技术问题，具体有如下特点。
（1）在结构找形方面，本工程为大跨度非规则单层网壳结构，杆件呈空间双螺旋交织布置，需要对结构进行找形研究。基于仿生学原理，找形时应同时考虑建筑外观与结构受力，即建筑美学找形与力学找形，保证单层网壳结构造型美观、受力合理。
（2）在大跨度单层网壳结构设计时，除恒荷载外，还常考虑活荷载、风荷载、雪荷载、温度效应等多种可变荷载作用，同时考虑积水、积冰、ETFE膜材的张拉力等多种荷载作用，这些荷载必须参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）和《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）谨慎选取。
（3）由于本工程为单轴对称结构，不均匀分布的可变荷载对网壳结构的静力及稳定性能都有不小的影响，是大跨度、非规则单层网壳结构设计中不可忽视的问题。
（4）大跨度单层网壳结构对风荷载是比较敏感的，在某些时候风荷载甚至成为网壳结构的控制荷载。同时，本工程无法直接利用规范获得设计需要的风荷载参数（如体型系数、风振系数），也无法借鉴类似结构的研究成果评价其抗风特性。因此，对本工程大跨度单层网壳结构进行风致响应及抗风性能研究是十分必要的。
（5）大跨度单层网壳结构对于温度作用比较敏感，本工程屋面采用ETFE膜材，因此有必要对其温度场进行分析，同时分析温度作用对结构性能的影响，以确定合理的合龙温度。
（6）网壳结构的稳定性能直接反映了结构的抗倒塌能力，是大跨度单层网壳结构设计中不可忽视的关键问题。考虑几何非线性、材料非线性以及各种影响结构稳定性的初始缺陷，对其进行稳定分析是极其必要的。
（7）于家堡单层网壳结构为交通枢纽站房屋盖，属于重要的大跨度结构，因此应对其自振频率、阻尼比等动力特性进行研究，并分析其抗震性能和动力稳定性，其中罕遇地震下的弹塑性时程分析也是必不可少的。
（8）在杆件设计时，在考虑普通钢构件的强度、整体稳定、局部稳定以及相关构造要求的同时，还应充分考虑薄壁杆件承受轴力、双向弯矩、双向剪力以及扭矩共同作用时的情况。因此，应对焊接箱形杆件进行承受复杂受力状态下的有限元分析，并选取典型杆件进行复杂荷载试验，通过试验评估焊接箱形杆件的安全储备，进而为整体网壳结构的安全性评估提供依据。
（9）在选择节点类型时，考虑到该网壳结构各个节点的形状无相同特点，对比分析相贯节点、铸钢节点、焊接球节点、毂节点等常用类型节点的适用性、经济性，发现上述几种常用节点均不能满足本工程要求，最终确定采用十字隔板焊接节点（见图1.18）。值得强调的是，十字隔板焊接节点具有构造简单、受力明确、加工制作方便、造价低等特点，完美地解决了本工程的“一个节点一种构造”的难题。
图1.18 十字隔板焊接节点
（10）对于大跨度单层网壳结构，节点非常重要。十字隔板焊接节点仅在小跨度结构中采用过，本工程首次将其应用在大跨度单层网壳结构中，因此在节点设计时，有必要对十字隔板焊接节点的受力性能及刚度进行有限元分析，确定节点自身强度及安全度，并选取典型节点进行复杂荷载下的静力试验，进而为整体网壳结构的安全性评估提供依据。
（11）本工程除网壳主体大量采用十字隔板焊接节点（4根杆件交会）外，一些特殊部位还采用了其他形式的节点，例如网壳支座处的相贯节点、入口处的三杆件交会的隔板焊接节点、天窗上的多杆件交会（5根杆件及以上）的带芯柱的隔板焊接节点。这些节点或处于网壳的关键部位，或构造比较复杂，或承受较大荷载，因此有必要选取其中的典型节点进行有限元分析和静力荷载试验。
（12）在进行支座设计和与下部结构的连接设计时，考虑到支座的水平推力较大，甚至远大于相应支座的竖向反力，在对比分析多种支座类型后，最终确定采用双支座模型（见图1.19），即在网壳底环梁的底面和侧面各设置一个球形支座，底面支座提供竖向反力，侧面支座提供水平反力，再将侧面支座锚固在混凝土牛腿上。两个球形支座的转动中心与底环梁形心重合，以保证双支座对网壳结构提供“铰接”约束的效果。同时，由于支座所承受的荷载较大，应进行必要的支座抗压强度试验和双支座协同转动试验。
图1.19 网壳双支座模型
（13）施工模拟和施工监测方面：本工程为大跨度超限结构，采用外围散拼+中部先散拼再整体提升的安装方案，且提升区总质量高达900t，因此有必要对其施工全过程进行仿真分析，分析各施工阶段中的结构应力、位移变化，为结构施工方案的制定与完善提供理论依据和指导，同时进行施工过程中的状态监测，以保证结构的安全施工。
（14）ETFE膜材加工方面：本工程螺旋交织的网格为不规则的空间四边形且大小不一，这对ETFE膜材的裁剪、加工等方面造成了不便，因此，ETFE膜材加工也应引起重视。