廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

蔡德強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢　430063)

廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

蔡德強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shí)由于其共同受力，協(xié)調(diào)變形，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)廣州南站橋建合建結(jié)構(gòu)體系的建立、設(shè)計(jì)原則、抗震設(shè)計(jì)及振動(dòng)性能研究等進(jìn)行重點(diǎn)論述，結(jié)果表明：廣州南站傳力明確，設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：廣州南站；鐵路客站；橋建合建結(jié)構(gòu)；抗震；振動(dòng)

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(guó)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(zhǎng)短錯(cuò)落有致、層層疊疊的葉片狀雨棚統(tǒng)一成整體，整個(gè)建筑以其優(yōu)美的曲線和獨(dú)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(tái)28線，總建筑面積48.6萬(wàn)m2，是華南地區(qū)核心的交通樞紐。

整個(gè)廣州南站根據(jù)功能需要，將整個(gè)車站從下而上規(guī)劃為地鐵層、地面層、高架站臺(tái)層、高架候車層幾個(gè)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(gè)集高速鐵路、地鐵、市郊鐵路和公交、長(zhǎng)途汽車、出租車、社會(huì)車等市政交通設(shè)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(shè)計(jì)

廣州南站結(jié)合站場(chǎng)的高架布置形式，設(shè)計(jì)采取“上進(jìn)下出”的設(shè)計(jì)構(gòu)思，將車站分為5層，其中地下2層，地上3層。

負(fù)二層為同步建設(shè)的廣州地鐵軌道層；負(fù)一層為地鐵站廳以及停車場(chǎng)、設(shè)備用房等；地面層為鐵路進(jìn)、出站大廳，售票廳，停車場(chǎng)等；地上第二層為軌道層(鐵路站臺(tái)層)，東側(cè)設(shè)高架落客平臺(tái)，可直達(dá)基本站臺(tái)；地上第三層是候車層，為主要候車區(qū)域，西側(cè)設(shè)有高架落客平臺(tái)，可直達(dá)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(guān)系；其次，應(yīng)結(jié)合獨(dú)特的建筑外形和通透、靈動(dòng)的室內(nèi)空間，運(yùn)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(shí)現(xiàn)建筑的設(shè)計(jì)理念。這是廣州南站構(gòu)建整個(gè)結(jié)構(gòu)體系、各個(gè)結(jié)構(gòu)分體系乃至主要構(gòu)件形式和細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。

2.2.1站房建筑結(jié)構(gòu)

廣州南站屋頂長(zhǎng)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(yù)應(yīng)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(gè)網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為3～4 m，殼體的下方施加預(yù)應(yīng)力拉索，下部的拉索對(duì)殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及抗風(fēng)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(duì)溫度荷載相對(duì)不敏感，屋頂暫不設(shè)伸縮縫。候車室屋頂鋼結(jié)構(gòu)透視見(jiàn)圖3。

無(wú)站臺(tái)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(yù)應(yīng)力索彎曲方向與拱為同一方向。無(wú)站臺(tái)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(dú)立，左側(cè)無(wú)站臺(tái)柱雨棚鋼結(jié)構(gòu)透視見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)跨距采用32 m，鐵路橋梁中央主跨為了跨越正在建設(shè)中的廣州地鐵，主跨采用64 m；上部候車廳為預(yù)應(yīng)力混凝土框架體系，縱向總長(zhǎng)度200 m，其縱向柱間距32 m或16 m，無(wú)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(dá)20 000多kN，一般連續(xù)梁無(wú)法在跨中承受如此大集中力，因此結(jié)合建筑美學(xué)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(chǔ)。

對(duì)于單獨(dú)的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，由于其縱向剛度較大，故一般習(xí)慣以“放”的設(shè)計(jì)理念，采用條狀、靜定體系來(lái)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(yīng)；而對(duì)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(xí)慣以“固”的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)巧妙利用V構(gòu)連續(xù)梁主墩固結(jié)，邊墩釋放的特點(diǎn)，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(tái)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(chǔ)穩(wěn)固，剛度強(qiáng)大，因此橫向利用站臺(tái)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(shí)，鐵路橋梁順鐵路方向通過(guò)站臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)置7道隱蔽的變形縫，以消除溫度應(yīng)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(guān)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(guò)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(guò)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)所遵循的理論體系也不盡相同。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)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(guān)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容甚少，而國(guó)內(nèi)相應(yīng)的鐵路客站結(jié)構(gòu)研究成果及有關(guān)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容基本是空白，設(shè)計(jì)實(shí)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(jìn)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(chǔ)為鐵路橋梁外，其余均與常規(guī)房建結(jié)構(gòu)相同，因此對(duì)于候車層及屋頂雨棚結(jié)構(gòu)均按照房建規(guī)范進(jìn)行荷載組合及計(jì)算是合適的；而對(duì)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(dǎo)致鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜，但是即便這樣，鐵路橋梁的受力本質(zhì)并沒(méi)有變，而且按鐵路規(guī)范采用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)相對(duì)保守及安全，因此，對(duì)鐵路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)仍可采用常用設(shè)計(jì)方法，將上部房建荷載按其標(biāo)準(zhǔn)值與其他荷載一起按照鐵路規(guī)范組合，再進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的檢算是可行的。站臺(tái)層效果見(jiàn)圖7。

圖7　站臺(tái)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(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的研究應(yīng)對(duì)上部房建結(jié)構(gòu)荷載予以重點(diǎn)考慮，房建荷載數(shù)值的準(zhǔn)確性直接影響到橋梁設(shè)計(jì)的安全，同時(shí)，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)剛度對(duì)上部站房結(jié)構(gòu)整體性能又直接影響，因此設(shè)計(jì)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(guān)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(jì)算、各取所需”的原則”。

3廣州南站抗震設(shè)計(jì)

廣州南站所處場(chǎng)地處于地震基本烈度7度區(qū)，基本地震加速度為0.10g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s，場(chǎng)地土類型屬中軟場(chǎng)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(yīng)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(shè)計(jì)中建立整體有限元模型(圖8)對(duì)廣州南站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)液化土層的液化效應(yīng)。

圖8　整體有限元模型

其總地震輸入按多遇地震、設(shè)計(jì)地震和罕遇地震3級(jí)，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(yīng)譜、非線性時(shí)程方法等。主要結(jié)論如下：

(1)屋頂結(jié)構(gòu)相對(duì)候車層及鐵路橋梁來(lái)說(shuō)剛度較弱，在地震作用下其主要以局部振動(dòng)為主，不會(huì)對(duì)下部候車層及橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)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(fù)雜的動(dòng)力相互作用，因此能較好地反應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力相互作用，其結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)較為豐富；

(3)主站房結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)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(lì)下扭轉(zhuǎn)很小的原因；

(4)作為整個(gè)車站的承力基礎(chǔ)，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(chǔ)各部分強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度檢算要求，在設(shè)計(jì)地震作用下，單純依賴支座難以抵御地震水平力，墩頂設(shè)置彈塑性防震擋塊；在罕遇地震作用下，參照規(guī)范的簡(jiǎn)化方法和非線性時(shí)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?jī)蓚?cè)無(wú)柱雨棚之間的動(dòng)力相互作用較弱，其結(jié)構(gòu)動(dòng)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(diǎn)種類較多、構(gòu)造復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)抗震體系中，節(jié)點(diǎn)連接往往是抗震體系中的關(guān)鍵與薄弱部位，節(jié)點(diǎn)的破壞往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力路徑的喪失，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌。因此，在設(shè)計(jì)中還對(duì)廣州南站關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的抗震性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)是否合理，典型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖9、圖10。

圖9　Y形節(jié)點(diǎn)

圖10　T形節(jié)點(diǎn)

4列車振動(dòng)影響分析與控制研究

廣州南站客專場(chǎng)及城際場(chǎng)均有高速列車通過(guò)，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(guò)時(shí)，除了列車本身的平穩(wěn)性及安全性需要考慮外，其振動(dòng)對(duì)上部候車層的影響也需進(jìn)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(guó)內(nèi)外均很少，因此有必要通過(guò)動(dòng)力耦合體系仿真方法，來(lái)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(shí)的動(dòng)力問(wèn)題。

整體計(jì)算模型見(jiàn)圖11。

圖11　整體計(jì)算模型

設(shè)計(jì)時(shí)分別建立列車與等效鐵路橋梁力學(xué)模型(將上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xué)模型，對(duì)列車的乘坐舒適度、候車廳的安全性及候車旅客舒適度進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)鐵路橋梁動(dòng)力響應(yīng)、列車行車安全性以及乘坐舒適度均滿足要求；

(2)基于德國(guó)《DIN4150規(guī)范》建筑物安全的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，列車激勵(lì)下候車大廳樓板、雨棚網(wǎng)殼、中央網(wǎng)殼的振動(dòng)小于控制標(biāo)準(zhǔn)值，且安全裕量較大，遠(yuǎn)不足以引起車站結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題；

(3)基于《人體舒適的振級(jí)計(jì)算方法》(ISO 2631/1—1985)及《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》 (GB10070—88)中關(guān)于混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)晝間和夜間對(duì)環(huán)境振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)(晝間75 dB，夜間72 dB)，對(duì)各種工況下計(jì)算得到的候車大廳樓板的最大振級(jí)均小于控制值，滿足人體舒適性要求。

5結(jié)語(yǔ)

(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(fù)雜，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度，設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給予了翔實(shí)可靠的研究，確保了結(jié)構(gòu)源頭上的安全性，同時(shí)也對(duì)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(duì)站房結(jié)構(gòu)整體剛度的影響不可忽略，對(duì)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(diǎn)關(guān)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(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使剛度和強(qiáng)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(yīng)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(guò)站房時(shí)的對(duì)站房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)影響不可忽略，需建立車與結(jié)構(gòu)動(dòng)力耦合仿真體系，來(lái)研究解決車輛-橋梁-站房系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)相互作用問(wèn)題。研究結(jié)果及實(shí)踐證明，廣州南站整體結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力性能，高速列車通過(guò)時(shí)人員的舒適性及結(jié)構(gòu)的安全性均能得到很好的保障。

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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(hào)：TU248.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.037

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0164-05

作者簡(jiǎn)介：蔡德強(qiáng)(1979—)，男，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：47371866@qq.com。

收稿日期：2014-01-21； 修回日期：2014-02-06