殷 静

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

随着城镇化的发展，城市人口剧增，作为人们出行的重要交通建筑——铁路旅客站房的建设规模越来越大。其功能布局、交通流线须更加方便、快捷、舒适，同时还要有效节约土地资源。建桥合一的站房形式正是契合了这种需求而在一些大型、特大型站房设计中被采用。其中有一种建桥合一的站房将铁路桥梁承轨层融入房屋结构中，由房屋结构构件直接承受列车动荷载。这类站房通常主要由地下层(接驳城市地铁)、地面层(出站厅、停车场、设备层等)、承轨层(列车运营)、高架候车层与高架车道及落客平台、局部商业夹层、大跨屋面等组成，在结构设计中既要遵循建筑结构规范又要满足桥梁规范的要求，因而引起了结构设计上的诸多值得重点关注与分析处理的问题。

1 结构体系及单元划分

1.1 结构体系

由房屋结构直接承受列车动载的建桥合一站房，其结构体系的典型特征主要有：①应建筑空间使用的要求，站房纵、横向跨度多为超过18 m以上的大跨度。②承轨层除了承担桥梁及站台自重、人群荷载以及其他上部荷载外，还要承受列车运行荷载，负荷较重。同时，从铁路桥梁的角度看，列车的运行使得承轨层墩柱有沿轨道方向的承载抗推及控制纵向变位的要求。从房屋建筑的角度看，结构的纵、横双向都应具备较好的刚度，在水平风荷载、地震荷载等作用下变形得到有效控制，满足规范的要求。③承轨层以上高架候车厅为满足人们对空间舒适度的要求，其屋盖跨度达百米以上已屡见不鲜。

综合上述要求，站房结构设计时常将承轨层及以下部分采用型钢混凝土框架梁柱形式作为首选，因为型钢混凝土墩柱能够提供较好的抗推刚度，型钢梁也能够承担较大荷载下的抗弯、抗剪、抗扭要求，从而优于纯钢框架结构或预应力钢筋混凝土结构等，具有抗动载疲劳、耐久性好、运营维护简单、梁柱节点施工方便、工程经济性好等优点。对于高架候车厅屋盖，通常采用大跨度钢结构拱桁架结构、网壳结构、预应力索拱或索壳结构等形式。由此，形成了建桥合一站房上柔下刚的组合结构体系。典型的站房有红岛站(图1)、潍坊站、济南东站(图2、图3)、昆明南站、雄安站，都采用了型钢混凝土框架结构体系作为承轨层结构。

图1 红岛站局部剖面(左半部分)

图2 济南东站纵剖面

图3 济南东站局部横剖面

1.2 结构单元划分

由于建桥合一的铁路旅客站房具有很大的建筑体量，其建筑总长度常常超过500 m，远远超出了规范容许的混凝土或钢结构的长度，属于纵、横双向超长结构。为有效解决超长结构温度应力及混凝土收缩徐变引起的裂缝控制问题同时兼顾结构体系的规则性要求，在尽可能满足建筑功能布局及空间需求的情况下须对整个结构体系进行合理的单元划分。如雄安站房沿轨道和垂直轨道方向建筑总长分别为606.0,355.5 m，结构混凝土部分沿轨道和垂直轨道方向各设4,3道变形缝，划分为12个结构单元;钢屋盖部分考虑到建筑效果，沿轨道和垂直轨道方向分别设1,2道变形缝,划分为6个结构单元。

对于这种组合结构的单元进行划分常遇到一个问题：由于建筑造型及美观要求，单元划分后下部混凝土部分结构单元长度远小于屋面钢结构变形缝设置的长度，使得钢屋盖部分跨越下部2个或以上混凝土结构单元(如图4)，造成上下结构分缝位置不一致，形成了多塔连体结构。因此在结构设计中应整体建模进行结构动力特性分析计算，分析各部分之间刚度、荷载差异以及协同工作的程度及状态，选择合理的钢屋盖与混凝土接口的边界条件，采取新型的连接方式以适应变形需求，从而使结构变形协调。

图4 雄安站屋盖跨缝

值得注意的是，由于上部大跨度钢结构屋盖具有自重轻、强度高、构件截面纤细、阻尼较小、非线性等原因，在整体计算中常常有许多结构振型表现为钢屋盖局部的振动，因此计算要保证足够多的振型数量，以使结构质量参与系数达到90%以上。此外，由于高速铁路正线上列车过站速度快，引起荷载及振动大以及正线梁体结构容许变形、变位要求、自振频率要求更为严苛，因此在设计中也常常将正线承轨墩柱和梁体结构与站房结构构件分缝处理，以规避由此带来的整个结构构件截面配筋率加大等后果，有利于提高工程经济性。例如，红岛站正线与房屋结构完全分开,如图5所示。

图5 红岛站铁路正线与到发线房屋结构分缝

2 荷载取值

建桥合一站房除考虑常规普通建筑的恒载、活载、风、雪、地震等荷载外，还应把对构件内力计算有较大影响的列车荷载和温度荷载考虑到结构整体计算中。

2.1 列车荷载

承轨层作为单一铁路桥梁结构直接承受列车动荷载。依照TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》[1]，作用于承轨梁上的主要列车荷载有：①列车竖向静活载为ZK或ZC标准活载，承轨梁计算时还应考虑其动力作用，取列车静活载乘以动力系数(1+μ)。②列车制动力或牵引力应按计算长度内列车竖向静活载的10%计算。③列车横向摇摆力在垂直线路方向依铁路设计标准取值。在建筑结构计算中，由于多数结构软件无法模拟动荷载，因此须对第①类列车荷载进行等效。等效原则及方法是：将该类荷载按照桥梁影响线方法计算得到承轨梁最大弯矩、剪力，通过试算楼面均布荷载使承轨层构件满足最大弯矩和最大剪力的包络值。对于第②,③种荷载可以将其按照集中力作用于最不利节点位置。

2.2 温度荷载

尽管建桥合一站房设置了变形缝进行结构单元的划分，但是每个独立结构单元仍然会出现超长情况，因此有必要进行温度应力的计算。同时，TB 10002—2017也将温度应力作为附加力的一种，其温度荷载的取值需考虑均匀温差和日照温差引起的应力以及超静定结构混凝土收缩的影响。均匀温差的计算应从构件合龙时的温度算起，最高、低温度按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]选取，混凝土收缩的影响则可以用降温温差处理。

2.3 荷载组合与构件设计

承轨层构件承受列车动荷载，既是建筑结构构件又是桥梁结构构件，因此在设计中既要满足建筑结构设计规范的要求又要满足桥梁规范的要求。然而，建筑结构规范和桥梁规范在荷载组合及构件设计方法上存在差异，设计中可取下面2种方法计算结果的包络值以使结构设计偏于安全。①承轨层活荷载按照 TB 10002—2017的规定并考虑最不利布置等效后的荷载取值，其组合值系数、准永久值系数等参照汽车荷载的系数取值；温度作用效应的组合值系数、频遇值系数、准永久值系数分别取为0.6,0.5,0.4，根据GB 50009—2012 及GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[3]进行组合(抗震情况下)，得到构件的设计内力，按照承载力极限状态和正常使用极限状态进行构件设计并使其满足强度、裂缝、变形等要求。②承轨层活荷载按TB 10002—2017的规定并考虑最不利布置取值，列车荷载作为主力，温度应力为附加力，遵照TB 10002—2017及GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》[4]进行荷载组合，得到构件的内力后按照TB 10092—2017《铁路桥涵钢筋混凝土结构设计规范》[5]的容许应力法进行构件设计，其裂缝、变形控制等亦须遵循桥梁规范。

3 抗震设计

3.1 抗震参数

我国目前在建筑结构计算中抗震参数的选取主要依据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[6]中的相关规定并结合地震安全性评价报告偏于安全取值。

3.2 抗震性能化

铁路站房人员密度大，地震发生时，人员疏散工作难度较高，灾后恢复工作在短期内难以完成。建桥合一站房由于功能需要其结构选型复杂，结构布置上常常同时存在多种不规则布置、刚度或质量分布不均匀、超长超大跨度等问题，再加之承轨层的特殊性，常属于多项不规则复杂结构或超限结构，因此根据结构特征需要进行抗震性能设计，以实现结构抗震整体宏观性目标和多种量化目标，达到小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震目标。例如在昆明南站(8度0.2g设防，乙类，第三组，特征同期Tg=0.45 s)，设计中将抗震性能目标确定为：站房所有的构件在多遇地震下满足抗震性能水准1，即满足弹性设计要求;在中震作用下，采取有效的抗震措施后保证构件稍加修理即可使用,关键节点和重要构件如承轨层梁和柱、支承大跨屋面的柱、转换梁等满足抗震性能水准2，高架层以上变形控制满足抗震性能水准3;在大震作用下，满足抗震性能水准4的要求[7]。再如济南东站(7度0.1g设防)156 m跨双曲面落地拱结构钢屋面，将主拱、主拱斜柱、支承柱、屋面交叉支撑与铸钢节点按中震弹性设计，而主拱、主拱斜柱、支承柱与铸钢节点按照大震不屈服即抗震性能水准4的要求设计[8]。

3.3 结构整体计算

建桥合一站房多为复杂不规则结构，在结构计算中除了对下部混凝土结构、上部钢屋盖结构分别计算外，还需整体建模计算，进行必要的动力特性分析，找到结构的薄弱环节。可采用反应谱法和时程分析法相结合对结构进行弹塑性分析。如在多遇地震下进行反应谱的计算，可以得出结构进入弹塑性状态时结构整体最大地震反应。在大震情况下采用多点输入下的时程分析法，可求得结构在模拟的地震运动全过程中的位移、速度响应，较准确地找到结构薄弱环节。需注意的是，根据TB 10002—2017中承轨层设计使用年限为100年的要求，应在结构计算中依GB 50011—2010对地震力进行调整放大。除此以外，建桥合一站房还需进行抗连续倒塌设计[9]，如列车脱轨引起的局部构件破坏导致的整个结构受损范围分析等，确保结构不因局部损坏造成整体坍塌。

4 关键节点细部设计

在对站房进行静、动力分析后，应加强薄弱部位或关键节点的抗震构造，主要有：①承轨层梁柱连接抗震节点;②与计算边界条件相适应的连接节点，如雄安站适应变形要求的屋盖滑动支座(图6);③站房端部承轨层与相邻站外桥梁的连接;④特殊支撑或支座节点，如济南东站拱形钢屋面柱脚(图7)。

图6 雄安站屋盖滑动支座

图7 济南东站主拱、拱脚斜柱及支承柱(单位：mm)

5 结论

1)以建筑结构构件承受列车动荷载的建桥合一站房承轨层以下部分选用型钢混凝土框架结构体系是合适的。

2)应对超长大跨结构进行合理的单元划分，每个单元仍应参与到整体结构计算分析中，发现结构薄弱部位，对薄弱部位和关键节点加强构造设计。

3)关键部位抗震性能化设计、抗连续倒塌分析等是确保小震不坏、中震可修、大震不倒目标的重要方法。

4)考虑列车动荷载的最不利布置并按照建筑结构和桥梁结构规范要求的荷载组合方式计算后进行构件的包络设计是偏于安全的。