郭 燕

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

合肥南站主站房承軌層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭 燕

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

合肥南站站房由售票、廣廳、高架候車、出站廳等客運(yùn)服務(wù)部分、車站辦公管理服務(wù)用房及設(shè)備用房組成，站房面積約為9.92×104m2，主站房最大平面尺寸為170.0 m×279.65 m，為地上3層(局部4層)大跨度、大平面框架結(jié)構(gòu)。承軌層采用“鋼骨混凝土柱+普通鋼筋混凝土柱+鋼骨混凝土梁+普通鋼筋混凝土梁”結(jié)構(gòu)，提高了出站層的建筑凈空和使用面積，結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能且施工方便。承軌層結(jié)構(gòu)分別根據(jù)橋梁規(guī)范的概率極限法和建筑規(guī)范的容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

橋建合一； 鋼骨柱； 鋼骨梁； 承軌梁； 概率極限法； 容許應(yīng)力法

1 合肥南站主站房概況

合肥南站站房為國(guó)內(nèi)鐵路樞紐站房，由售票、廣廳、高架候車、出站廳等客運(yùn)服務(wù)部分、車站辦公管理服務(wù)用房及設(shè)備用房組成，站房面積約為9.92×104m2。合肥南站車站建筑部分主站房分為地上二層、地下三層，局部設(shè)置夾層。其中地下三層為地鐵1、5號(hào)線站臺(tái)層；地下二層為地鐵1、4、5號(hào)線共用站廳層，采用鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，并與站房柱結(jié)為整體；地下一層為站房客流疏散和軌道交通客流交換廳，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(部分型鋼混凝土結(jié)構(gòu))。

主站房地面層為列車通過(guò)層，即承軌層(-2.150 m)。采用雙向平面框架結(jié)構(gòu)，部分為型鋼梁柱，樓板為無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆板。橋建合一，框架梁上分別承受承軌結(jié)構(gòu)體系和站臺(tái)板梁板結(jié)構(gòu)體系。

2 合肥南站承軌層結(jié)構(gòu)體系

合肥南站主站房采用鐵路軌道橋梁和房屋建筑融合在一起的橋建合一結(jié)構(gòu)體系，即列車從站房中的承軌層通過(guò)或停留上下旅客。承軌層結(jié)構(gòu)采用雙向框架結(jié)構(gòu)(框架結(jié)構(gòu)中的框架柱即是橋墩，框架梁即是橋面梁)。

2.1 承軌層結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)

2.1.1 橋建合一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在建筑層高一定的條件下，盡可能地減小框架梁的結(jié)構(gòu)高度和框架柱的截面尺寸，增加出站層的凈空高度和使用面積，主站房中承軌層以上站房的結(jié)構(gòu)柱在站場(chǎng)范圍內(nèi)與承軌層柱重合，且承軌層采用雙向剛接框架結(jié)構(gòu)，形成橋建合一的站房結(jié)構(gòu)。承軌層結(jié)構(gòu)既是橋梁結(jié)構(gòu)，又是站房的底層結(jié)構(gòu)(屬于建筑結(jié)構(gòu))。承軌層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足鐵路橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)范、規(guī)程和規(guī)定，但上述兩種結(jié)構(gòu)采用的規(guī)范、規(guī)程和規(guī)定差別較大，最主要的差別如下：

(1)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為100年；而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限一般也為50年，若采用100年的設(shè)計(jì)使用年限，則在荷載取值及組合方面均要調(diào)整[1]。

(2)設(shè)計(jì)方法不同。鐵路橋梁結(jié)構(gòu)一般采用允許應(yīng)力法；建筑結(jié)構(gòu)采用概率極限狀態(tài)法。

(3)荷載取值和組合方式不同，且橋梁結(jié)構(gòu)需考慮動(dòng)載，建筑結(jié)構(gòu)以靜載為主。

(4)對(duì)結(jié)構(gòu)豎向和水平方向的變形(包括差異變形)的要求，鐵路橋梁規(guī)范[2，3]遠(yuǎn)高于建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)定。

2.1.2 結(jié)構(gòu)分縫

主站房雙向平面尺寸均很大，且位于7度區(qū)，溫度作用和地震作用均為其主要作用，兩種作用(尤其是溫度作用)在大平面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的側(cè)向變形較大，難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的要求。為此，在樓蓋平面設(shè)計(jì)防震縫將大平面結(jié)構(gòu)分為相對(duì)較小的平面結(jié)構(gòu)單元，以降低溫度作用，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。

2.2 承軌層結(jié)構(gòu)

2.2.1 結(jié)構(gòu)防震縫的設(shè)置

承軌層的樓面標(biāo)高為-2.150 m，在垂直于軌道方向，利用正線的橋梁結(jié)構(gòu)和北站房防震縫的分割將平面框架南北向分成四部分，自南向北分別為170 m×93.65 m(A～E軸)，170 m×116.8 m(G～M軸)，170 m×92.8 m(P～3/S軸)，170 m×57.85 m(T～Y軸)。

分縫后，站臺(tái)層橋梁部分最大平面尺寸為170 m×116.8 m，較大幅度地降低了結(jié)構(gòu)中的溫度作用，以滿足鐵路橋梁在最不利荷載作用下，橫向位移引起的梁端水平折角不大于1‰的要求。

站房范圍內(nèi)順軌方向柱距為(12+20×2+21+24+21+20×2+12)m，而垂直于軌道方向柱距為10.5 ～13.5 m。

2.2.2 承軌層橋梁結(jié)構(gòu)體系

承軌層橋梁結(jié)構(gòu)采用“鋼骨混凝土柱+普通鋼筋混凝土柱+鋼骨混凝土梁+普通鋼筋混凝土梁+無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板”結(jié)構(gòu)體系，有以下特點(diǎn)：

(1)鋼骨混凝土柱與鋼骨混凝土梁的梁柱節(jié)點(diǎn)，框架梁內(nèi)大部分縱筋不穿越柱中鋼骨，與鋼骨柱連接的鋼筋采用加勁板加強(qiáng)，并采用螺紋連接，方便施工，確保梁柱節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量。

(2)順軌向柱距為10.5～13.5 m，垂直軌道方向最大柱距為24 m，雙向框架梁截面高度均為2.4 m，梁下結(jié)構(gòu)凈空高度(即出站層凈空高度)為6.25 m，有效地增加了出站廳層的凈空，達(dá)到預(yù)期目的。

(3)站臺(tái)采用普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土小柱支承于梁上，如圖1的站臺(tái)板層垂直軌道方向結(jié)構(gòu)剖面示意圖，以減小結(jié)構(gòu)自重，方便施工。

圖1 站臺(tái)板層垂直軌道方向結(jié)構(gòu)剖面示意

(4)承軌層結(jié)構(gòu)除板采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力外，其余結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土或鋼骨混凝土梁，無(wú)預(yù)應(yīng)力梁，有利于加快施工進(jìn)度。

2.2.3 結(jié)構(gòu)材料

鋼筋混凝土柱及型鋼混凝土柱的混凝土采用C50，梁和板采用C45。鋼筋采用HRB335和HPB235鋼筋。鋼骨混凝土柱中的鋼材采用Q345B鋼板制作。

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

3.1 分析模型和分析軟件

作為橋建合一結(jié)構(gòu)，將主站房橋梁結(jié)構(gòu)和站房結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析。整體結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS GEN(Version 7.30)程序。承軌層橋梁結(jié)構(gòu)采用MIDAS CIVIL 2006 V7.41版本中的鐵路橋梁模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保構(gòu)件設(shè)計(jì)與鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)相吻合。站場(chǎng)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分別滿足文獻(xiàn)[7]、[8]的要求。

3.2 站房建筑主要荷載和作用

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，主體站房耐久性為100年,南北站房耐久性為50年。

3.2.1 承軌層模型的主要荷載取值

(1)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)(2006年版)取值。

(2)基本風(fēng)壓W0=0.40 kN/m2(按100年一遇取值) ，地面粗糙度類別為B類，體型系數(shù)按規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較,以取大值為原則取值。

(3)基本雪壓S0=0.70 kN/m2(按100年一遇取值)。

(4)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。主站房建筑抗震設(shè)防類別為乙類建筑，按設(shè)防裂度7度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，按設(shè)防裂度8度采取抗震措施。

根據(jù)《滬漢蓉快速鐵路引入合肥樞紐南環(huán)線工程合肥南站》(許可證號(hào)：震地安證甲字第零二八號(hào)，震地安證甲字第零一三號(hào)) 提供的50年超越概率63%場(chǎng)地地震反應(yīng)譜動(dòng)參數(shù)確定和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008版)提供的50年超越概率63%的場(chǎng)地地震反應(yīng)譜動(dòng)參數(shù)確定，阻尼比0.05。

(5)溫度作用：根據(jù)合肥市的氣象資料，合肥市的平均氣溫7月份最高為28.1℃,1月份最高為2.6℃，全年平均氣溫15.7℃，氣候溫和?？紤]結(jié)構(gòu)合龍環(huán)境溫度為10～15℃,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溫度作用取值為升溫15℃和降溫10℃。

(6)恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：各功能房間恒載標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)建筑專業(yè)提供的“材料做法表”、“房間裝修用料表”、“室內(nèi)裝修做法表”計(jì)算。

鋼筋混凝土容重取26.0 kN/m3。結(jié)構(gòu)構(gòu)件(板、梁、柱)自重由程序自動(dòng)計(jì)算。

(7)列車荷載作用：

列車荷載(由橋梁專業(yè)負(fù)責(zé)提供并輸入)，考慮了以下8種荷載：軌道結(jié)構(gòu)重量(12.5 kN/m2)、制動(dòng)力單線、制動(dòng)力雙線、橫向搖擺力、ZK荷載單線(66.3 kN/m)、ZK荷載雙線(66.3 kN/m)、空車活荷載(10.0 kN/m)、ZK荷載滿載(49.7 kN/m)。

(8)收縮徐變作用：承軌層結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土梁、柱、板構(gòu)件均考慮了1 500天的收縮徐變作用影響。

3.2.2 荷載組合主要控制工況

各荷載的分項(xiàng)系數(shù)、組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值。

3.3 承軌層橋梁結(jié)構(gòu)荷載和組合

3.3.1 荷載

橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為100年，承軌層鐵路橋梁結(jié)構(gòu)荷載及組合按鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范確定。主要荷載如下：

(1)恒載(主力)：上部建筑結(jié)構(gòu)恒載+活載；承軌層結(jié)構(gòu)自重及附加設(shè)備重；混凝土收縮與徐變作用；基礎(chǔ)變位作用。

(2)活載(主力)：豎向活荷載(ZK標(biāo)準(zhǔn)活載)；列車豎向動(dòng)力作用；長(zhǎng)鋼軌縱向水平力；橫向搖擺力；站臺(tái)層人群荷載。

(3)附加力：制動(dòng)力和牽引力；風(fēng)荷載；溫度作用。

(4)特殊荷載：地震作用；長(zhǎng)鋼軌斷軌力；消防荷載。

3.3.2 荷載組合

考慮到火車荷載在連續(xù)梁上的不利布置，利用影響線計(jì)算方法，找出在移動(dòng)火車荷載下連續(xù)梁在支座和跨中的最大彎矩和梁端的最大剪力，并依此進(jìn)行連接梁的構(gòu)件設(shè)計(jì)。荷載組合按橋梁規(guī)范執(zhí)行，根據(jù)實(shí)際線路加載工況進(jìn)行列車組合。組合原則：(1)同一根鋼軌的伸縮力、繞曲力、斷軌力相互獨(dú)立，不作疊加；(2)伸縮力、繞曲力、斷軌力不與同線的離心力、牽引力或制動(dòng)力等組合；(3)伸縮力、繞曲力按主力考慮，斷軌力按特殊荷載考慮。設(shè)計(jì)控制工況為：恒+動(dòng)活載+人群+降溫。

荷載組合分別按主力、主力+附加力和有車(無(wú)車)抗震進(jìn)行組合，取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 構(gòu)件設(shè)計(jì)

根據(jù)MIDAS程序的分析，可得出構(gòu)件內(nèi)力值,再根據(jù)內(nèi)力進(jìn)行核算，核算結(jié)果如表1所示：

表1 框架梁核算結(jié)果

表2 柱核算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)合肥南站主站房結(jié)構(gòu)在多遇地震下反應(yīng)譜分析、多遇地震彈性里程分析、多維多點(diǎn)地震反應(yīng)分析、中震彈性分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析表明，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足現(xiàn)行規(guī)范及建設(shè)部對(duì)超限高層建筑的要求[4]。

(2)橋建合一承軌層結(jié)構(gòu)選用鋼骨混凝土柱+鋼筋混凝土柱+鋼骨混凝土梁+鋼筋混凝土梁+無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板的結(jié)構(gòu)，作為重要鐵路交通建筑按建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按鐵路橋梁規(guī)范復(fù)核。

(3)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)選型和布置，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆勒鹂p設(shè)置，樓蓋結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

(4)框架梁設(shè)計(jì)時(shí)，由于地震、溫度、收縮徐變等作用,使得框架梁的梁端負(fù)彎距遠(yuǎn)大于跨中正彎距。為了避免框架梁負(fù)筋過(guò)多過(guò)密,可將框架梁的負(fù)彎距考慮削峰，相應(yīng)乘以0.9的系數(shù)。

(5)考慮樁土共用作用后，由溫度作用產(chǎn)生的最大柱底彎矩可降低15%[10]。

(6)橋建合一承軌層結(jié)構(gòu)的計(jì)算必須分別按有關(guān)建筑規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范圍進(jìn)行計(jì)算，在滿足各自對(duì)應(yīng)規(guī)范所要求的強(qiáng)度、變形、裂縫的前提下，取兩者之間的大值作為構(gòu)件的截面和實(shí)際配筋。

[1] GB50153-2008 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) [S]

[2] 鐵建設(shè)[2007]47號(hào) 新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[3] TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范 [S]

[4] 合肥南站站房工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查報(bào)告[R].2008

[5] 韓林海，楊有福. 現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù) [M]. 2版, 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

[6] 邱劍，葉志雄，溫四清，謝先義. 承軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用鐵路規(guī)范與建筑規(guī)范的比較 [J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2012,(11):78-81

[7] GB50111-2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]

[8] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]

[9] 周德良，李霆，熊森, 等. 鄭州東站站房主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J]. 建筑結(jié)構(gòu),2011,(7):50-58

[10] 中鐵二院，西南交通大學(xué)巖土工程系地基基礎(chǔ)研究所.合肥南站國(guó)鐵和地鐵結(jié)構(gòu)整體基礎(chǔ)沉降及沉降差計(jì)算分析報(bào)告[R].2010

郭燕(1983～)，女，工程師，一級(jí)注冊(cè)建造師。

U291.6+1

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[定稿日期]2015-01-19