蔡德強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢　430063)

廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)設計綜述

蔡德強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢430063)

摘要：廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)巧妙的將房建與橋梁融為一體，但同時由于其共同受力，協(xié)調(diào)變形，給設計帶來了巨大挑戰(zhàn)，對廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)體系的建立、設計原則、抗震設計及振動性能研究等進行重點論述，結(jié)果表明：廣州南站傳力明確，設計理念可靠，具有良好的抗震性能，旅客舒適性及安全性均能得到保障。

關鍵詞：廣州南站；鐵路客站；橋建合建結(jié)構(gòu)；抗震；振動

廣州南站是超大型橋建合建的綜合結(jié)構(gòu)體系，從下到上依次為鐵路橋梁結(jié)構(gòu)、候車層框架結(jié)構(gòu)、屋頂大跨度鋼結(jié)構(gòu)，屋頂雨棚柱全部支撐在鐵路橋墩上，候車層則整體全部落于鐵路橋梁上，廣州南站為國內(nèi)首座真正意義上的橋建合建結(jié)構(gòu)形式超大型鐵路客站。

廣州南站以帶嶺南特色的芭蕉葉為造型元素。屋面中央薄殼型雙曲采光帶將長短錯落有致、層層疊疊的葉片狀雨棚統(tǒng)一成整體，整個建筑以其優(yōu)美的曲線和獨特造型，彰顯出鮮明的地域特色和交通建筑特性。廣州南站于2010年1月30日正式投入使用。廣州南站俯視如圖1所示。

圖1　廣州南站俯視

1工程概況

廣州南站位于廣州市番禹區(qū)鐘村鎮(zhèn)，距廣州市中心17 km。廣州南站銜接武廣、貴廣、南廣、廣深港、廣珠城際等多條鐵路線路，共15臺28線，總建筑面積48.6萬m2，是華南地區(qū)核心的交通樞紐。

整個廣州南站根據(jù)功能需要，將整個車站從下而上規(guī)劃為地鐵層、地面層、高架站臺層、高架候車層幾個層面，并采用了橋建合建的新型客站形式，從而使廣州南站成為一個集高速鐵路、地鐵、市郊鐵路和公交、長途汽車、出租車、社會車等市政交通設施為一體的大型綜合交通樞紐。車站剖面如圖2所示。

圖2　廣州南站剖面

2廣州南站結(jié)構(gòu)體系

2.1廣州南站的建筑設計

廣州南站結(jié)合站場的高架布置形式，設計采取“上進下出”的設計構(gòu)思，將車站分為5層，其中地下2層，地上3層。

負二層為同步建設的廣州地鐵軌道層；負一層為地鐵站廳以及停車場、設備用房等；地面層為鐵路進、出站大廳，售票廳，停車場等；地上第二層為軌道層(鐵路站臺層)，東側(cè)設高架落客平臺，可直達基本站臺；地上第三層是候車層，為主要候車區(qū)域，西側(cè)設有高架落客平臺，可直達候車層。

2.2橋建合建結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建

作為橋建合建的大型公共交通樞紐建筑，廣州南站首先必須在滿足建筑既定功能的前提下處理好地鐵、鐵路橋梁、站房建筑結(jié)構(gòu)間的相互關系；其次，應結(jié)合獨特的建筑外形和通透、靈動的室內(nèi)空間，運用結(jié)構(gòu)概念和基本原理確定合適的大跨結(jié)構(gòu)方案，去實現(xiàn)建筑的設計理念。這是廣州南站構(gòu)建整個結(jié)構(gòu)體系、各個結(jié)構(gòu)分體系乃至主要構(gòu)件形式和細部節(jié)點設計的基本結(jié)構(gòu)設計思想。

2.2.1站房建筑結(jié)構(gòu)

廣州南站屋頂長為525 m，寬為232 m，柱網(wǎng)尺寸主要為68 m×64 m、68 m×32 m，采用鋼桁架支承的預應力索拱和索殼兩種結(jié)構(gòu)體系的組合而成的空間鋼結(jié)構(gòu)體系。

中間屋頂采光帶采用索殼結(jié)構(gòu)形式，由網(wǎng)格狀的鋼管組成，每個網(wǎng)格的邊長為3～4 m，殼體的下方施加預應力拉索，下部的拉索對殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及抗風可起到很好的效果。屋頂?shù)目缍葹?4～60 m。由于屋頂鋼結(jié)構(gòu)以弧形為主，對溫度荷載相對不敏感，屋頂暫不設伸縮縫。候車室屋頂鋼結(jié)構(gòu)透視見圖3。

無站臺柱雨棚鋼結(jié)構(gòu)部分采用索拱結(jié)構(gòu)形式，拱的跨度為68～87 m，大部分預應力索彎曲方向與拱為同一方向。無站臺柱雨棚候車室屋頂鋼結(jié)構(gòu)分為左右兩部分，各部分相互獨立，左側(cè)無站臺柱雨棚鋼結(jié)構(gòu)透視見圖4。

圖3　屋頂透視

圖4　左側(cè)雨棚透視

2.2.2鐵路橋梁結(jié)構(gòu)

上部的建筑結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)必須滿足建筑功能需求，下部的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)也需盡量服從建筑布局，標準跨距采用32 m，鐵路橋梁中央主跨為了跨越正在建設中的廣州地鐵，主跨采用64 m；上部候車廳為預應力混凝土框架體系，縱向總長度200 m，其縱向柱間距32 m或16 m，無法直接跨越地鐵，考慮直接落于鐵路橋梁上，由于候車廳柱反力達20 000多kN，一般連續(xù)梁無法在跨中承受如此大集中力，因此結(jié)合建筑美學要求，鐵路橋梁采用了V構(gòu)連續(xù)梁，充分利用V構(gòu)三角撐支承候車廳柱豎向力，并將豎向荷載及水平荷載傳遞到主墩及其基礎。

對于單獨的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，由于其縱向剛度較大，故一般習慣以“放”的設計理念，采用條狀、靜定體系來釋放梁體的縱向變形，減小因溫度等產(chǎn)生的不利荷載效應；而對于房建結(jié)構(gòu)，其剛度較小，結(jié)合其使用功能考慮，一般習慣以“固”的設計理念，要求其支撐體不能發(fā)生明顯的變位。為了解決此矛盾，設計時巧妙利用V構(gòu)連續(xù)梁主墩固結(jié)，邊墩釋放的特點，巧妙支撐上部候車廳層結(jié)構(gòu)，既滿足了上部結(jié)構(gòu)的支撐要求，又使橋梁結(jié)構(gòu)本身“固”、“放”協(xié)調(diào)，從而形成渾然一體的橋建合建結(jié)構(gòu)體系。

縱向結(jié)構(gòu)體系如圖5所示。

根據(jù)軌道及站臺布置形式，車站范圍鐵路橋梁由19座橋梁組成，單座橋梁橫向剛度較弱，由于廣州南站位于7度地震區(qū)，上部候車廳層抗震及穩(wěn)定性能要求其承力基礎穩(wěn)固，剛度強大，因此橫向利用站臺橫梁將多座橋梁連成整體，形成穩(wěn)固的空間框架體系，同時，鐵路橋梁順鐵路方向通過站臺結(jié)構(gòu)設置7道隱蔽的變形縫，以消除溫度應力產(chǎn)生的不利影響。

圖5　縱向結(jié)構(gòu)體系(單位：m)

橫向結(jié)構(gòu)體系如圖6所示。

圖6　橫向結(jié)構(gòu)體系(單位：m)

2.2.3橋建合建結(jié)構(gòu)體系傳力途徑

橋建合建結(jié)構(gòu)體系傳力的關鍵是如何將上部房建荷載傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)，廣州南站結(jié)構(gòu)體系傳力途徑非常明確，即屋頂雨棚柱直接落于橋墩上，雨棚荷載通過雨棚柱傳遞給橋墩，而候車廳層柱全部落在鐵路橋梁梁部，候車廳層荷載通過框架柱直接傳遞給鐵路橋梁。

2.2.4橋建合建結(jié)構(gòu)體系的設計原則

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，廣州南站從下而上依次包含有地鐵結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁結(jié)構(gòu)、站房及雨棚建筑結(jié)構(gòu)，是一種橋建合建的混合建筑。3種結(jié)構(gòu)形式、荷載、特性有較大區(qū)別，設計所遵循的理論體系也不盡相同。目前國內(nèi)外關于“橋建合建”的鐵路客站結(jié)構(gòu)，特別是廣州南站這種典型的梁橋式“橋建合一”鐵路客站結(jié)構(gòu)的研究成果及有關技術(shù)規(guī)范標準內(nèi)容甚少，而國內(nèi)相應的鐵路客站結(jié)構(gòu)研究成果及有關技術(shù)規(guī)范標準內(nèi)容基本是空白，設計實踐也非常有限。

將廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)從鐵路橋梁梁面進行水平分割研究其受力體系，梁面以上為候車層結(jié)構(gòu)及屋頂雨棚結(jié)構(gòu)，其除了承力基礎為鐵路橋梁外，其余均與常規(guī)房建結(jié)構(gòu)相同，因此對于候車層及屋頂雨棚結(jié)構(gòu)均按照房建規(guī)范進行荷載組合及計算是合適的；而對于鐵路橋梁，其除了承受常規(guī)鐵路橋梁荷載外，還需承受上部候車層及雨棚等房建荷載，這直接導致鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變得異常復雜，但是即便這樣，鐵路橋梁的受力本質(zhì)并沒有變，而且按鐵路規(guī)范采用容許應力法設計相對保守及安全，因此，對鐵路橋梁設計時仍可采用常用設計方法，將上部房建荷載按其標準值與其他荷載一起按照鐵路規(guī)范組合，再進行橋梁結(jié)構(gòu)的檢算是可行的。站臺層效果見圖7。

圖7　站臺層效果

由于鐵路橋梁承受的房建荷載所占其承受的總荷載比重較大，因此對鐵路橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的研究應對上部房建結(jié)構(gòu)荷載予以重點考慮，房建荷載數(shù)值的準確性直接影響到橋梁設計的安全，同時，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)剛度對上部站房結(jié)構(gòu)整體性能又直接影響，因此設計中建立了全面反映站房結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁結(jié)構(gòu)及其二者連接關系的整體分析模型，由于站房結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)依據(jù)的規(guī)范體系不盡相同，在荷載輸入和結(jié)果提取上，采取在同一模型上“各自施加，整體計算、各取所需”的原則”。

3廣州南站抗震設計

廣州南站所處場地處于地震基本烈度7度區(qū)，基本地震加速度為0.10g，動反應譜特征周期0.35 s，場地土類型屬中軟場地土，地下水埋深較淺，在7度地震力作用下，易發(fā)生軟土震陷。

廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)為立體空間結(jié)構(gòu)，地震作用下各部分結(jié)構(gòu)之間的相互耦合及協(xié)同變形效應非常明顯，因此，有必要研究清楚7度地震力作用下整體結(jié)構(gòu)的安全性能。

設計中建立整體有限元模型(圖8)對廣州南站整體結(jié)構(gòu)進行抗震性能分析，將土體與群樁的相互作用模擬成彈簧約束，考慮地震時液化土層的液化效應。

圖8　整體有限元模型

其總地震輸入按多遇地震、設計地震和罕遇地震3級，地震輸入組合為縱向+豎向和橫向+豎向，分析方法包括彈性反應譜、非線性時程方法等。主要結(jié)論如下：

(1)屋頂結(jié)構(gòu)相對候車層及鐵路橋梁來說剛度較弱，在地震作用下其主要以局部振動為主，不會對下部候車層及橋梁結(jié)構(gòu)地震響應產(chǎn)生大的影響；

(2)主站房鐵路橋梁與候車廳層、屋頂層之間存在非常復雜的動力相互作用，因此能較好地反應不同的結(jié)構(gòu)之間的動力相互作用，其結(jié)構(gòu)動力特性與一般的連續(xù)梁橋有很大的不同，各振型周期較為連續(xù)，局部振動較為豐富；

(3)主站房結(jié)構(gòu)多點激勵下的扭轉(zhuǎn)效應增大更加明顯，這主要是由于站房結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布均勻，在一致激勵下扭轉(zhuǎn)很小的原因；

(4)作為整個車站的承力基礎，鐵路橋梁整體上具有較好的抗震性能，在多遇地震下，墩身以及基礎各部分強度均滿足強度檢算要求，在設計地震作用下，單純依賴支座難以抵御地震水平力，墩頂設置彈塑性防震擋塊；在罕遇地震作用下，參照規(guī)范的簡化方法和非線性時程分析結(jié)果均表明，墩身位移延性滿足性能要求，且有較大的安全余量；

(5)鐵路橋梁與主站房兩側(cè)無柱雨棚之間的動力相互作用較弱，其結(jié)構(gòu)動力特性基本不受雨棚部分的影響，縱橫向特征性振型明顯。

此外，廣州南站結(jié)構(gòu)節(jié)點種類較多、構(gòu)造復雜，在結(jié)構(gòu)抗震體系中，節(jié)點連接往往是抗震體系中的關鍵與薄弱部位，節(jié)點的破壞往往導致結(jié)構(gòu)傳力路徑的喪失，并可能導致結(jié)構(gòu)垮塌。因此，在設計中還對廣州南站關鍵節(jié)點的抗震性能開展了試驗研究，以驗證相關的設計是否合理，典型節(jié)點試驗模型見圖9、圖10。

圖9　Y形節(jié)點

圖10　T形節(jié)點

4列車振動影響分析與控制研究

廣州南站客專場及城際場均有高速列車通過，由于上部候車層全部支撐在鐵路橋梁上，因此高速列車在橋上通過時，除了列車本身的平穩(wěn)性及安全性需要考慮外，其振動對上部候車層的影響也需進行充分研究，這種列車與站房結(jié)構(gòu)的相互影響研究在國內(nèi)外均很少，因此有必要通過動力耦合體系仿真方法，來研究解決高速列車與鐵路橋梁及站房結(jié)構(gòu)相互作用時的動力問題。

整體計算模型見圖11。

圖11　整體計算模型

設計時分別建立列車與等效鐵路橋梁力學模型(將上部結(jié)構(gòu)簡化成剛度約束及重力傳遞)以及鐵路橋梁與上部站房結(jié)構(gòu)力學模型，對列車的乘坐舒適度、候車廳的安全性及候車旅客舒適度進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)鐵路橋梁動力響應、列車行車安全性以及乘坐舒適度均滿足要求；

(2)基于德國《DIN4150規(guī)范》建筑物安全的振動控制標準，列車激勵下候車大廳樓板、雨棚網(wǎng)殼、中央網(wǎng)殼的振動小于控制標準值，且安全裕量較大，遠不足以引起車站結(jié)構(gòu)的安全問題；

(3)基于《人體舒適的振級計算方法》(ISO 2631/1—1985)及《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》 (GB10070—88)中關于混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)晝間和夜間對環(huán)境振動的控制標準(晝間75 dB，夜間72 dB)，對各種工況下計算得到的候車大廳樓板的最大振級均小于控制值，滿足人體舒適性要求。

5結(jié)語

(1)廣州南站采用了真正意義上的橋建合一結(jié)構(gòu)體系，巧妙地將房建與橋梁融為一體，外表美觀大氣，但結(jié)構(gòu)形式異常復雜，給設計帶來了很大的難度，設計中對結(jié)構(gòu)的復雜性給予了翔實可靠的研究，確保了結(jié)構(gòu)源頭上的安全性，同時也對今后類似的超大型站房起到了很好的借鑒作用。

(2)廣州南站橋梁結(jié)構(gòu)剛度對站房結(jié)構(gòu)整體剛度的影響不可忽略，對整體結(jié)構(gòu)的基本性能研究遵循“整體建模、各取所需”的基本原則，重點關注站房結(jié)構(gòu)與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響。

(3)廣州南站融合建筑和橋梁兩種結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度及重力分布在水平方向和豎直方向都有很大的不均勻性，設計中應盡量使剛度和強度變化均勻，減少車站結(jié)構(gòu)形成薄弱部位的因素，努力降低變形集中的程度，并采取相應的抗震構(gòu)造措施提高結(jié)構(gòu)的變形能力。研究結(jié)果表明，廣州南站具有良好的抗震性能。

(4)高速列車通過站房時的對站房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動影響不可忽略，需建立車與結(jié)構(gòu)動力耦合仿真體系，來研究解決車輛-橋梁-站房系統(tǒng)的動力學相互作用問題。研究結(jié)果及實踐證明，廣州南站整體結(jié)構(gòu)具有良好的動力性能，高速列車通過時人員的舒適性及結(jié)構(gòu)的安全性均能得到很好的保障。

參考文獻：

[1]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]沈順高，張微敬，等.大跨度機庫結(jié)構(gòu)多點輸入地震反應分析[J]. 土木工程學報，2008(2)：17-21.

[3]游又能.橋建合一式高架車站設計在莞惠城際軌道交通中的應用研究[J].鐵道標準設計，2012(8)：121-125，136.

[4]盛平，王軼，張楠，甄偉.大型站橋合一客站建筑的舒適度研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009(12):43-45.

[5]盛暉，李傳成.綠色鐵路旅客建筑設計探討[J].鐵道經(jīng)濟研究，2010(1):24-30.

[6]周永禮，楊靜.橋建合一高架車站收縮、徐變及溫度力影響的分析[J].鐵道標準設計，2009(1):31-33.

[7]史娣.武漢站橋建合建結(jié)構(gòu)橋梁設計關鍵技術(shù)研究[J].橋梁建設，2008(6):34-36.

[8]沈婷，陳強.新廣州火車站結(jié)構(gòu)初步設計介紹[C]∥2007中國鐵路客站技術(shù)國際交流會論文集.北京：中國鐵道出版社，2008.

[9]盛平，陳強，等.廣州新客站主站房抗震性能分析研究[C]∥2009 中國鐵路客站技術(shù)國際交流會論文集.北京：人民交通出版社，2010.

[10]金福海，史娣，張曉江，吳智勇.武漢站橋建合建結(jié)構(gòu)設計[C]∥2009中國鐵路客站技術(shù)國際交流會論文集.北京：人民交通出版社，2010.

[11]鄭健，沈中偉，蔡申夫.中國當代鐵路客站設計理論探索[M].北京：人民交通出版社，2009.

[12]夏禾，陳英俊.車—梁—墩體系動力相互作用分析[J].土木工程學報，1992，25(2)：4-12.

Design of Combination Structure of Bridge and Building in Guangzhou Nan Railway Station

CAI De-qiang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063, China)

Abstract：Guangzhou Nan railway station is an ingenious design of the combination of elevated bridge with building structure. The combination of railway bridge with station building poses great challenge to deal with the co-stressing and coordinative deformation. This paper addresses some key problems of the combination structure in terms of system establishment， design principle， seismic design and vibration characteristics. The results show that the force transmission is clear， the design concept is reliable and the seismic performance is excellent， and passengers are ensured comfort and safety.

Key words：Guangzhou Nan railway station; Railway passenger station; Combination structure of bridge and building; Anti-earthquake; Vibration

中圖分類號：TU248.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.037

文章編號：1004-2954(2015)06-0164-05

作者簡介：蔡德強(1979—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè)，工學學士，E-mail：47371866@qq.com。

收稿日期：2014-01-21； 修回日期：2014-02-06