殷 靜

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市人口劇增，作為人們出行的重要交通建筑——鐵路旅客站房的建設規(guī)模越來越大。其功能布局、交通流線須更加方便、快捷、舒適，同時還要有效節(jié)約土地資源。建橋合一的站房形式正是契合了這種需求而在一些大型、特大型站房設計中被采用。其中有一種建橋合一的站房將鐵路橋梁承軌層融入房屋結構中，由房屋結構構件直接承受列車動荷載。這類站房通常主要由地下層(接駁城市地鐵)、地面層(出站廳、停車場、設備層等)、承軌層(列車運營)、高架候車層與高架車道及落客平臺、局部商業(yè)夾層、大跨屋面等組成，在結構設計中既要遵循建筑結構規(guī)范又要滿足橋梁規(guī)范的要求，因而引起了結構設計上的諸多值得重點關注與分析處理的問題。

1 結構體系及單元劃分

1.1 結構體系

由房屋結構直接承受列車動載的建橋合一站房，其結構體系的典型特征主要有：①應建筑空間使用的要求，站房縱、橫向跨度多為超過18 m以上的大跨度。②承軌層除了承擔橋梁及站臺自重、人群荷載以及其他上部荷載外，還要承受列車運行荷載，負荷較重。同時，從鐵路橋梁的角度看，列車的運行使得承軌層墩柱有沿軌道方向的承載抗推及控制縱向變位的要求。從房屋建筑的角度看，結構的縱、橫雙向都應具備較好的剛度，在水平風荷載、地震荷載等作用下變形得到有效控制，滿足規(guī)范的要求。③承軌層以上高架候車廳為滿足人們對空間舒適度的要求，其屋蓋跨度達百米以上已屢見不鮮。

綜合上述要求，站房結構設計時常將承軌層及以下部分采用型鋼混凝土框架梁柱形式作為首選，因為型鋼混凝土墩柱能夠提供較好的抗推剛度，型鋼梁也能夠承擔較大荷載下的抗彎、抗剪、抗扭要求，從而優(yōu)于純鋼框架結構或預應力鋼筋混凝土結構等，具有抗動載疲勞、耐久性好、運營維護簡單、梁柱節(jié)點施工方便、工程經(jīng)濟性好等優(yōu)點。對于高架候車廳屋蓋，通常采用大跨度鋼結構拱桁架結構、網(wǎng)殼結構、預應力索拱或索殼結構等形式。由此，形成了建橋合一站房上柔下剛的組合結構體系。典型的站房有紅島站(圖1)、濰坊站、濟南東站(圖2、圖3)、昆明南站、雄安站，都采用了型鋼混凝土框架結構體系作為承軌層結構。

圖1 紅島站局部剖面(左半部分)

圖2 濟南東站縱剖面

圖3 濟南東站局部橫剖面

1.2 結構單元劃分

由于建橋合一的鐵路旅客站房具有很大的建筑體量，其建筑總長度常常超過500 m，遠遠超出了規(guī)范容許的混凝土或鋼結構的長度，屬于縱、橫雙向超長結構。為有效解決超長結構溫度應力及混凝土收縮徐變引起的裂縫控制問題同時兼顧結構體系的規(guī)則性要求，在盡可能滿足建筑功能布局及空間需求的情況下須對整個結構體系進行合理的單元劃分。如雄安站房沿軌道和垂直軌道方向建筑總長分別為606.0,355.5 m，結構混凝土部分沿軌道和垂直軌道方向各設4,3道變形縫，劃分為12個結構單元;鋼屋蓋部分考慮到建筑效果，沿軌道和垂直軌道方向分別設1,2道變形縫,劃分為6個結構單元。

對于這種組合結構的單元進行劃分常遇到一個問題：由于建筑造型及美觀要求，單元劃分后下部混凝土部分結構單元長度遠小于屋面鋼結構變形縫設置的長度，使得鋼屋蓋部分跨越下部2個或以上混凝土結構單元(如圖4)，造成上下結構分縫位置不一致，形成了多塔連體結構。因此在結構設計中應整體建模進行結構動力特性分析計算，分析各部分之間剛度、荷載差異以及協(xié)同工作的程度及狀態(tài)，選擇合理的鋼屋蓋與混凝土接口的邊界條件，采取新型的連接方式以適應變形需求，從而使結構變形協(xié)調。

圖4 雄安站屋蓋跨縫

值得注意的是，由于上部大跨度鋼結構屋蓋具有自重輕、強度高、構件截面纖細、阻尼較小、非線性等原因，在整體計算中常常有許多結構振型表現(xiàn)為鋼屋蓋局部的振動，因此計算要保證足夠多的振型數(shù)量，以使結構質量參與系數(shù)達到90%以上。此外，由于高速鐵路正線上列車過站速度快，引起荷載及振動大以及正線梁體結構容許變形、變位要求、自振頻率要求更為嚴苛，因此在設計中也常常將正線承軌墩柱和梁體結構與站房結構構件分縫處理，以規(guī)避由此帶來的整個結構構件截面配筋率加大等后果，有利于提高工程經(jīng)濟性。例如，紅島站正線與房屋結構完全分開,如圖5所示。

圖5 紅島站鐵路正線與到發(fā)線房屋結構分縫

2 荷載取值

建橋合一站房除考慮常規(guī)普通建筑的恒載、活載、風、雪、地震等荷載外，還應把對構件內力計算有較大影響的列車荷載和溫度荷載考慮到結構整體計算中。

2.1 列車荷載

承軌層作為單一鐵路橋梁結構直接承受列車動荷載。依照TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》[1]，作用于承軌梁上的主要列車荷載有：①列車豎向靜活載為ZK或ZC標準活載，承軌梁計算時還應考慮其動力作用，取列車靜活載乘以動力系數(shù)(1+μ)。②列車制動力或牽引力應按計算長度內列車豎向靜活載的10%計算。③列車橫向搖擺力在垂直線路方向依鐵路設計標準取值。在建筑結構計算中，由于多數(shù)結構軟件無法模擬動荷載，因此須對第①類列車荷載進行等效。等效原則及方法是：將該類荷載按照橋梁影響線方法計算得到承軌梁最大彎矩、剪力，通過試算樓面均布荷載使承軌層構件滿足最大彎矩和最大剪力的包絡值。對于第②,③種荷載可以將其按照集中力作用于最不利節(jié)點位置。

2.2 溫度荷載

盡管建橋合一站房設置了變形縫進行結構單元的劃分，但是每個獨立結構單元仍然會出現(xiàn)超長情況，因此有必要進行溫度應力的計算。同時，TB 10002—2017也將溫度應力作為附加力的一種，其溫度荷載的取值需考慮均勻溫差和日照溫差引起的應力以及超靜定結構混凝土收縮的影響。均勻溫差的計算應從構件合龍時的溫度算起，最高、低溫度按照GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》[2]選取，混凝土收縮的影響則可以用降溫溫差處理。

2.3 荷載組合與構件設計

承軌層構件承受列車動荷載，既是建筑結構構件又是橋梁結構構件，因此在設計中既要滿足建筑結構設計規(guī)范的要求又要滿足橋梁規(guī)范的要求。然而，建筑結構規(guī)范和橋梁規(guī)范在荷載組合及構件設計方法上存在差異，設計中可取下面2種方法計算結果的包絡值以使結構設計偏于安全。①承軌層活荷載按照 TB 10002—2017的規(guī)定并考慮最不利布置等效后的荷載取值，其組合值系數(shù)、準永久值系數(shù)等參照汽車荷載的系數(shù)取值；溫度作用效應的組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準永久值系數(shù)分別取為0.6,0.5,0.4，根據(jù)GB 50009—2012 及GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》[3]進行組合(抗震情況下)，得到構件的設計內力，按照承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行構件設計并使其滿足強度、裂縫、變形等要求。②承軌層活荷載按TB 10002—2017的規(guī)定并考慮最不利布置取值，列車荷載作為主力，溫度應力為附加力，遵照TB 10002—2017及GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規(guī)范》[4]進行荷載組合，得到構件的內力后按照TB 10092—2017《鐵路橋涵鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》[5]的容許應力法進行構件設計，其裂縫、變形控制等亦須遵循橋梁規(guī)范。

3 抗震設計

3.1 抗震參數(shù)

我國目前在建筑結構計算中抗震參數(shù)的選取主要依據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[6]中的相關規(guī)定并結合地震安全性評價報告偏于安全取值。

3.2 抗震性能化

鐵路站房人員密度大，地震發(fā)生時，人員疏散工作難度較高，災后恢復工作在短期內難以完成。建橋合一站房由于功能需要其結構選型復雜，結構布置上常常同時存在多種不規(guī)則布置、剛度或質量分布不均勻、超長超大跨度等問題，再加之承軌層的特殊性，常屬于多項不規(guī)則復雜結構或超限結構，因此根據(jù)結構特征需要進行抗震性能設計，以實現(xiàn)結構抗震整體宏觀性目標和多種量化目標，達到小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震目標。例如在昆明南站(8度0.2g設防，乙類，第三組，特征同期Tg=0.45 s)，設計中將抗震性能目標確定為：站房所有的構件在多遇地震下滿足抗震性能水準1，即滿足彈性設計要求;在中震作用下，采取有效的抗震措施后保證構件稍加修理即可使用,關鍵節(jié)點和重要構件如承軌層梁和柱、支承大跨屋面的柱、轉換梁等滿足抗震性能水準2，高架層以上變形控制滿足抗震性能水準3;在大震作用下，滿足抗震性能水準4的要求[7]。再如濟南東站(7度0.1g設防)156 m跨雙曲面落地拱結構鋼屋面，將主拱、主拱斜柱、支承柱、屋面交叉支撐與鑄鋼節(jié)點按中震彈性設計，而主拱、主拱斜柱、支承柱與鑄鋼節(jié)點按照大震不屈服即抗震性能水準4的要求設計[8]。

3.3 結構整體計算

建橋合一站房多為復雜不規(guī)則結構，在結構計算中除了對下部混凝土結構、上部鋼屋蓋結構分別計算外，還需整體建模計算，進行必要的動力特性分析，找到結構的薄弱環(huán)節(jié)?？刹捎梅磻V法和時程分析法相結合對結構進行彈塑性分析。如在多遇地震下進行反應譜的計算，可以得出結構進入彈塑性狀態(tài)時結構整體最大地震反應。在大震情況下采用多點輸入下的時程分析法，可求得結構在模擬的地震運動全過程中的位移、速度響應，較準確地找到結構薄弱環(huán)節(jié)。需注意的是，根據(jù)TB 10002—2017中承軌層設計使用年限為100年的要求，應在結構計算中依GB 50011—2010對地震力進行調整放大。除此以外，建橋合一站房還需進行抗連續(xù)倒塌設計[9]，如列車脫軌引起的局部構件破壞導致的整個結構受損范圍分析等，確保結構不因局部損壞造成整體坍塌。

4 關鍵節(jié)點細部設計

在對站房進行靜、動力分析后，應加強薄弱部位或關鍵節(jié)點的抗震構造，主要有：①承軌層梁柱連接抗震節(jié)點;②與計算邊界條件相適應的連接節(jié)點，如雄安站適應變形要求的屋蓋滑動支座(圖6);③站房端部承軌層與相鄰站外橋梁的連接;④特殊支撐或支座節(jié)點，如濟南東站拱形鋼屋面柱腳(圖7)。

圖6 雄安站屋蓋滑動支座

圖7 濟南東站主拱、拱腳斜柱及支承柱(單位：mm)

5 結論

1)以建筑結構構件承受列車動荷載的建橋合一站房承軌層以下部分選用型鋼混凝土框架結構體系是合適的。

2)應對超長大跨結構進行合理的單元劃分，每個單元仍應參與到整體結構計算分析中，發(fā)現(xiàn)結構薄弱部位，對薄弱部位和關鍵節(jié)點加強構造設計。

3)關鍵部位抗震性能化設計、抗連續(xù)倒塌分析等是確保小震不壞、中震可修、大震不倒目標的重要方法。

4)考慮列車動荷載的最不利布置并按照建筑結構和橋梁結構規(guī)范要求的荷載組合方式計算后進行構件的包絡設計是偏于安全的。