白鴻國,劉祥君,施 威

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

新建北京南站共設(shè)13個站臺、24條到發(fā)線,站房包括鐵路綜合站房、地下?lián)Q乘大廳、地下車庫、環(huán)形高架橋、9 m高架層和雨篷。此外,還包括地鐵4號線、14號線、市郊鐵路和公交、出租等市政交通設(shè)施。

站房主體結(jié)構(gòu)地上2層,局部設(shè)有夾層；地下共3層,其中地下1層局部設(shè)有車庫夾層,地下2層和地下3層分別為北京地鐵4號線和14號線的站臺層。主站房從下到上依次為地鐵14號線、地鐵4號線、-11.75 m地下2層頂板、±0.0 m地面站臺(軌道層和站臺層)、+9 m高架候車層及無站臺柱雨棚的立體整體結(jié)構(gòu)(圖1)。

2 結(jié)構(gòu)形式

北京南站軌道層橋梁結(jié)構(gòu)總建筑面積約11萬m2,總長400 m、總寬348 m。根據(jù)北京南站整體站房結(jié)構(gòu)的需要,軌道層橋梁結(jié)構(gòu)打破橋梁常規(guī)設(shè)計模式,采用了縱、橫梁格構(gòu)體系,與9.0 m高架層、地下層連為一整體,真正實現(xiàn)了國內(nèi)鐵路第一個“站橋合一”站房結(jié)構(gòu)形式。

圖1 北京南站站房整體結(jié)構(gòu)剖面示意(單位：mm)

結(jié)構(gòu)沿順股道方向和垂直軌道方向(弧型)各設(shè)置兩道通長變形縫,將軌道層橋梁結(jié)構(gòu)分成了3個區(qū)共9個結(jié)構(gòu)單元,分別為Ⅰ區(qū)(包括Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-2區(qū)和Ⅰ-3區(qū))、Ⅱ區(qū)(包括Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)和Ⅱ-3區(qū))和Ⅲ區(qū)(包括Ⅲ-1區(qū)、Ⅲ-2區(qū)和Ⅲ-3區(qū)),變形縫通高貫通設(shè)置。北京南站軌道層橋梁結(jié)構(gòu)分區(qū)布置如圖2所示。

Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)、Ⅱ-3區(qū)為站房主體結(jié)構(gòu),典型柱網(wǎng)尺寸均為13.5 m×20.6 m,采用混合結(jié)構(gòu)框架形式。地下1層主要采用圓鋼管混凝土柱,柱外徑1.8 m,部分不出地面的結(jié)構(gòu)柱采用圓形截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),柱外徑1.8 m,部分樓梯處為1.2 m。根據(jù)軌道限界需要,9.0 m高架層結(jié)構(gòu)柱采用矩形鋼管混凝土柱,一般為1.2 m×1.6 m和1.2 m×1.2 m,上、下結(jié)構(gòu)柱位置對應(yīng)并貫通。高架進(jìn)站大廳和屋蓋主體采用鋼結(jié)構(gòu),樓板采用鋼筋混凝土板,屋面板為輕質(zhì)金屬夾芯板。從整體結(jié)構(gòu)形式來看,站房主體結(jié)構(gòu)與民用或高層建筑形式相同。

圖2 北京南站軌道層橋梁結(jié)構(gòu)分區(qū)布置(單位：m)

但北京南站軌道層橋梁結(jié)構(gòu)在主要功能和受力特點上,其承受24股道列車疲勞活載的作用,軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的形式還應(yīng)滿足橋梁設(shè)計剛度和強(qiáng)度,因此在梁形的選擇和構(gòu)造的處理上應(yīng)結(jié)合橋梁設(shè)計的要求和經(jīng)驗。

因此結(jié)合整體結(jié)構(gòu)形式和橋梁結(jié)構(gòu)的要求,所有軌道層橋梁結(jié)構(gòu)各區(qū)均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),板厚400 mm和500 mm,主要梁截面如下：Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū),雙向框架梁1.8 m×1.7 m；Ⅱ區(qū),縱向框架梁1.8 m×1.7 m,橫向框架梁1.8 m×2.0 m。所有各區(qū)框架梁梁端均采用加腋形式,尺寸為3 m(寬)×1 m(高),各區(qū)軌道邊次縱梁均為1.2 m×1.6 m。鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱采用型鋼牛腿連接,型鋼牛腿內(nèi)置于混凝土梁內(nèi)。

3 軌道層橋梁結(jié)構(gòu)特點[1～2]

(1)是利用現(xiàn)代化站房建筑中的軌道層橋梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)橋梁功能的成功典范,實現(xiàn)了站房建筑與橋梁使用功能性統(tǒng)一

軌道層橋梁結(jié)構(gòu)是直接承載鐵路列車、進(jìn)出站人群、進(jìn)站汽車等活荷載,以及站臺結(jié)構(gòu)物和各種設(shè)備的橋梁結(jié)構(gòu),同時也是高架候車層與地下層的荷載傳遞及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),是南站整體建筑結(jié)構(gòu)的一部分。在實現(xiàn)軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的橋梁功能過程中,在保證車站整體功能的科學(xué)、合理布局的前提下,摒棄了傳統(tǒng)“條、帶狀”橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念,首次采用了“站橋合一”的整體結(jié)構(gòu)體系,從而實現(xiàn)了站房建筑與橋梁使用功能性的統(tǒng)一(圖3)。

圖3 軌道層橋梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)房、橋功能性統(tǒng)一

(2)是橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)相融合的成功實踐,實現(xiàn)了北京南站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)性[3～4]

軌道層橋梁結(jié)構(gòu)既是南站整體建筑結(jié)構(gòu)的一部分，也是承載列車動活載的橋梁結(jié)構(gòu)。軌道層橋梁結(jié)構(gòu)在滿足鐵路橋梁功能要求的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性等的同時,也滿足整體建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和使用功能。

軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計符合鐵路橋梁的有關(guān)規(guī)范、規(guī)程體系的同時,又符合建筑規(guī)范體系的要求,是軌道層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的技術(shù)重點。在設(shè)計中本著安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用、系統(tǒng)最優(yōu)的設(shè)計理念,并沒采取將兩套規(guī)程、規(guī)范體系簡單的加以疊加,而是認(rèn)真地研究了兩套規(guī)范體系的具體規(guī)定,結(jié)合軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的具體功能要求和結(jié)構(gòu)受力特點將兩套規(guī)范體系加以融合采用,從而實現(xiàn)了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)最優(yōu),完成了結(jié)構(gòu)形式的統(tǒng)一。

(3)是在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的成功案例,實現(xiàn)了軌道層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的先進(jìn)性

在軌道層橋梁結(jié)構(gòu)上整體布置了13個站臺、24股道,同時車站既有到發(fā)車列也有通過車列,所以多線列車活載的縱向力傳遞、多跨長聯(lián)鋼筋混凝土連續(xù)剛架橋的溫度力等問題是控制軌道層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)難點,按此要求應(yīng)根據(jù)受力確定聯(lián)長,聯(lián)長較短。而為了滿足整體建筑結(jié)構(gòu)的功能性要求和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)最優(yōu)的目標(biāo),軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、跨徑及聯(lián)長的選擇受到了極大的制約,按此要求應(yīng)按功能及建筑整體性確定聯(lián)長,聯(lián)長很大。設(shè)計中結(jié)合軌道層橋梁結(jié)構(gòu)處于車站整體建筑結(jié)構(gòu)的中間層的具體情況,借鑒了建筑結(jié)構(gòu)在溫度力計算方面的設(shè)計理念,解決了溫度荷載的取值問題,并通過了工程實踐的最終檢驗。

(4)是合理結(jié)構(gòu)層合理布局、合理采用新材料、新技術(shù)、新工藝的成功實踐,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性

軌道層橋梁結(jié)構(gòu)采用“房橋合一”結(jié)構(gòu)形式,不僅為地上9 m高架站廳及屋面結(jié)構(gòu)提供牢固、穩(wěn)定的剛度基礎(chǔ),為地下車庫及地下?lián)Q乘大廳提供封閉的屋頂,而且為地下一層結(jié)構(gòu)屋頂?shù)姆浪峁┝吮憷麠l件?！胺繕蚝弦弧苯Y(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了站臺結(jié)構(gòu)與軌道梁板形成綜合管線布置通道,為站房主體減少了綜合管線布置層,降低了站房的總高度,進(jìn)而節(jié)約了北京南站的投資,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

為保證軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性,在軌道層橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中添加了提高混凝土抗裂性、抗?jié)B性的纖維素纖維新材料。

(5)是因地制宜、合理設(shè)計的成功典范,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新性[5～6]

軌道層橋梁結(jié)構(gòu)根據(jù)整體結(jié)構(gòu)形式和自身結(jié)構(gòu)特點,首次采用房橋合一結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)了大型鐵路客站多元化功能需求。其功能需求決定了房橋合一是整體結(jié)構(gòu)形式的最佳選擇,使橋梁結(jié)構(gòu)與房屋結(jié)構(gòu)在形式和受力特點統(tǒng)一于北京南站軌道層橋梁結(jié)構(gòu)之中,真正實現(xiàn)了房橋合一結(jié)構(gòu)體系,這在國內(nèi)大型客站設(shè)計中尚屬首次。

為滿足站房中心區(qū)域的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱上下貫通的要求,在軌道層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中根據(jù)具體情況,采用鋼-混凝土新型組合節(jié)點實現(xiàn)了軌道層方—圓柱連接與鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱連接,首次提出了大噸位型鋼混凝土聯(lián)結(jié)過渡方式節(jié)點概念。根據(jù)北京南站地下1層圓鋼管柱與1層矩形鋼管柱在軌道層連接節(jié)點區(qū)域多重荷載交匯、受力復(fù)雜和軌道層橋梁結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件尺寸大、荷載大而復(fù)雜的特點。采用設(shè)置厚板橫隔的方式實現(xiàn)方-圓柱組合節(jié)點連接,并通過鋼管內(nèi)側(cè)及外側(cè)肋板來傳遞荷載,并開創(chuàng)性地提出大噸位型鋼混凝土聯(lián)結(jié)過渡方式節(jié)點概念,通過在鋼筋混凝土梁內(nèi)設(shè)置鋼牛腿的技術(shù)方案,實現(xiàn)了連接鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱的組合節(jié)點連接。此節(jié)點既滿足了建筑結(jié)構(gòu)的要求也滿足了軌道層橋梁結(jié)構(gòu)的橋梁功能要求,同時也大大降低了施工難度，提高了施工效率。

軌道層橋梁結(jié)構(gòu)梁柱連接如圖4所示，軌道層橋梁結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點如圖5所示。

圖4 軌道層橋梁結(jié)構(gòu)梁柱連接(單位：mm)

圖5 軌道層橋梁結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點

4 結(jié)語

北京南站誕生于2008年奧運(yùn)年,帶有奧運(yùn)年誕生的結(jié)構(gòu)所共同具有的時代性和結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性,而作為北京南站的軌道層橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計上先進(jìn)性特點更為鮮明。軌道層橋梁結(jié)構(gòu)作為站房建筑形式的一部分,有效的將現(xiàn)代化站房建筑的特點引進(jìn)橋梁設(shè)計，將橋梁和站房的功能性統(tǒng)一,體現(xiàn)了整體站房布局的先進(jìn)性；軌道層橋梁結(jié)構(gòu)作為站房結(jié)構(gòu)形式的一部分,是將橋梁結(jié)構(gòu)形式與建筑結(jié)構(gòu)形式和橋梁規(guī)范與建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范相融合的成功案例,增強(qiáng)了北京南站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)性,近而體現(xiàn)了整體站房結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性；軌道層橋梁結(jié)構(gòu)作為單獨的設(shè)計單元,在設(shè)計上合理的將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念引入橋梁設(shè)計中,實現(xiàn)了軌道層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的先進(jìn)性；軌道層橋梁結(jié)構(gòu)在對節(jié)點處理上具有獨特的構(gòu)造處理,能夠為類似的節(jié)點處理作為指導(dǎo),有其創(chuàng)新性特點。

北京南站軌道層橋梁結(jié)構(gòu)不僅在站房建筑的整體格局、整體結(jié)構(gòu)形式上體現(xiàn)了建筑和橋梁的形式和結(jié)構(gòu)上的融合,而且在軌道層橋梁結(jié)構(gòu)單體設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計方式和節(jié)點處理上體現(xiàn)了建筑和橋梁形式和內(nèi)容上的合一,真正實現(xiàn)了“房橋合一”的結(jié)構(gòu)形式。

[1] 劉志軍.鐵路旅客車站設(shè)計指南[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 鄭 健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3] TB10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] TB10002.2—2005，鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[6] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].