合肥南站主站房承軌層結構設計

郭 燕

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

合肥南站主站房承軌層結構設計

郭 燕

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

合肥南站站房由售票、廣廳、高架候車、出站廳等客運服務部分、車站辦公管理服務用房及設備用房組成，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、大平面框架結構。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”結構，提高了出站層的建筑凈空和使用面積，結構具有較好的抗震性能且施工方便。承軌層結構分別根據橋梁規(guī)范的概率極限法和建筑規(guī)范的容許應力法進行設計。

橋建合一； 鋼骨柱； 鋼骨梁； 承軌梁； 概率極限法； 容許應力法

1 合肥南站主站房概況

合肥南站站房為國內鐵路樞紐站房，由售票、廣廳、高架候車、出站廳等客運服務部分、車站辦公管理服務用房及設備用房組成，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，局部設置夾層。其中地下三層為地鐵1、5號線站臺層；地下二層為地鐵1、4、5號線共用站廳層，采用鋼筋混凝土箱型框架結構，并與站房柱結為整體；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構(部分型鋼混凝土結構)。

主站房地面層為列車通過層，即承軌層(-2.150 m)。采用雙向平面框架結構，部分為型鋼梁柱，樓板為無粘結預應力現澆板。橋建合一，框架梁上分別承受承軌結構體系和站臺板梁板結構體系。

2 合肥南站承軌層結構體系

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構體系，即列車從站房中的承軌層通過或停留上下旅客。承軌層結構采用雙向框架結構(框架結構中的框架柱即是橋墩，框架梁即是橋面梁)。

2.1 承軌層結構主要特點

2.1.1 橋建合一的結構設計

為了在建筑層高一定的條件下，盡可能地減小框架梁的結構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構柱在站場范圍內與承軌層柱重合，且承軌層采用雙向剛接框架結構，形成橋建合一的站房結構。承軌層結構既是橋梁結構，又是站房的底層結構(屬于建筑結構)。承軌層結構設計需同時滿足鐵路橋梁結構和建筑結構的規(guī)范、規(guī)程和規(guī)定，但上述兩種結構采用的規(guī)范、規(guī)程和規(guī)定差別較大，最主要的差別如下：

(1)鐵路橋梁結構的設計基準期和設計使用年限均為100年；而建筑結構的設計基準期為50年，設計使用年限一般也為50年，若采用100年的設計使用年限，則在荷載取值及組合方面均要調整[1]。

(2)設計方法不同。鐵路橋梁結構一般采用允許應力法；建筑結構采用概率極限狀態(tài)法。

(3)荷載取值和組合方式不同，且橋梁結構需考慮動載，建筑結構以靜載為主。

(4)對結構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]遠高于建筑結構的規(guī)定。

2.1.2 結構分縫

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)在大平面結構中產生的側向變形較大，難以滿足橋梁結構側向變形的要求。為此，在樓蓋平面設計防震縫將大平面結構分為相對較小的平面結構單元，以降低溫度作用，減小結構的側向變形。

2.2 承軌層結構

2.2.1 結構防震縫的設置

承軌層的樓面標高為-2.150 m，在垂直于軌道方向，利用正線的橋梁結構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構中的溫度作用，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 承軌層橋梁結構體系

承軌層橋梁結構采用“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+無粘結預應力混凝土板”結構體系，有以下特點：

(1)鋼骨混凝土柱與鋼骨混凝土梁的梁柱節(jié)點，框架梁內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，并采用螺紋連接，方便施工，確保梁柱節(jié)點的施工質量。

(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，梁下結構凈空高度(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，達到預期目的。

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

圖1 站臺板層垂直軌道方向結構剖面示意

(4)承軌層結構除板采用無粘結預應力外，其余結構均為鋼筋混凝土或鋼骨混凝土梁，無預應力梁，有利于加快施工進度。

2.2.3 結構材料

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 結構分析與設計

3.1 分析模型和分析軟件

作為橋建合一結構，將主站房橋梁結構和站房結構整體建模進行分析。整體結構分析采用MIDAS GEN(Version 7.30)程序。承軌層橋梁結構采用MIDAS CIVIL 2006 V7.41版本中的鐵路橋梁模塊進行設計，以確保構件設計與鐵路橋梁標準相吻合。站場結構的抗震設計分別滿足文獻[7]、[8]的要求。

3.2 站房建筑主要荷載和作用

設計基準期：設計基準期為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)活荷載標準值按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2001)(2006年版)取值。

(2)基本風壓W0=0.40 kN/m2(按100年一遇取值) ，地面粗糙度類別為B類，體型系數按規(guī)范和風洞試驗結果比較,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)抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10 g，設計地震分組為第一組，地震動反應譜特征周期為0.35 s。主站房建筑抗震設防類別為乙類建筑，按設防裂度7度進行抗震設計，按設防裂度8度采取抗震措施。

根據《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：震地安證甲字第零二八號，震地安證甲字第零一三號) 提供的50年超越概率63%場地地震反應譜動參數確定和《建筑抗震設計規(guī)范》(2008版)提供的50年超越概率63%的場地地震反應譜動參數確定，阻尼比0.05。

(5)溫度作用：根據合肥市的氣象資料，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]結構合龍環(huán)境溫度為10～15℃,結構設計中溫度作用取值為升溫15℃和降溫10℃。

(6)恒荷載標準值：各功能房間恒載標準值依據建筑專業(yè)提供的“材料做法表”、“房間裝修用料表”、“室內裝修做法表”計算。

鋼筋混凝土容重取26.0 kN/m3。結構構件(板、梁、柱)自重由程序自動計算。

(7)列車荷載作用：

列車荷載(由橋梁專業(yè)負責提供并輸入)，考慮了以下8種荷載：軌道結構重量(12.5 kN/m2)、制動力單線、制動力雙線、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：承軌層結構對混凝土梁、柱、板構件均考慮了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

各荷載的分項系數、組合值系數、頻遇值系數按《建筑結構荷載規(guī)范》取值。

3.3 承軌層橋梁結構荷載和組合

3.3.1 荷載

橋梁結構的設計基準期和設計使用年限均為100年，承軌層鐵路橋梁結構荷載及組合按鐵路橋梁相關規(guī)范確定。主要荷載如下：

(1)恒載(主力)：上部建筑結構恒載+活載；承軌層結構自重及附加設備重；混凝土收縮與徐變作用；基礎變位作用。

(2)活載(主力)：豎向活荷載(ZK標準活載)；列車豎向動力作用；長鋼軌縱向水平力；橫向搖擺力；站臺層人群荷載。

(3)附加力：制動力和牽引力；風荷載；溫度作用。

(4)特殊荷載：地震作用；長鋼軌斷軌力；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，利用影響線計算方法，找出在移動火車荷載下連續(xù)梁在支座和跨中的最大彎矩和梁端的最大剪力，并依此進行連接梁的構件設計。荷載組合按橋梁規(guī)范執(zhí)行，根據實際線路加載工況進行列車組合。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。設計控制工況為：恒+動活載+人群+降溫。

荷載組合分別按主力、主力+附加力和有車(無車)抗震進行組合，取最不利組合進行設計。

3.4 構件設計

根據MIDAS程序的分析，可得出構件內力值,再根據內力進行核算，核算結果如表1所示：

表1 框架梁核算結果

表2 柱核算結果

4 結束語

(1)合肥南站主站房結構在多遇地震下反應譜分析、多遇地震彈性里程分析、多維多點地震反應分析、中震彈性分析和結構動力彈塑性分析表明，結構具有良好的抗震性能，結構設計能滿足現行規(guī)范及建設部對超限高層建筑的要求[4]。

(2)橋建合一承軌層結構選用鋼骨混凝土柱+鋼筋混凝土柱+鋼骨混凝土梁+鋼筋混凝土梁+無粘結預應力混凝土板的結構，作為重要鐵路交通建筑按建筑結構規(guī)范進行設計，并按鐵路橋梁規(guī)范復核。

(3)通過合理的結構選型和布置，并進行適當的防震縫設置，樓蓋結構具有良好的經濟技術指標。

(4)框架梁設計時，由于地震、溫度、收縮徐變等作用,使得框架梁的梁端負彎距遠大于跨中正彎距。為了避免框架梁負筋過多過密,可將框架梁的負彎距考慮削峰，相應乘以0.9的系數。

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

(6)橋建合一承軌層結構的計算必須分別按有關建筑規(guī)范和鐵路橋梁規(guī)范圍進行計算，在滿足各自對應規(guī)范所要求的強度、變形、裂縫的前提下，取兩者之間的大值作為構件的截面和實際配筋。

[1] GB50153-2008 工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準 [S]

[2] 鐵建設[2007]47號 新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規(guī)定[S]

[3] TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規(guī)范 [S]

[4] 合肥南站站房工程抗震設防專項審查報告[R].2008

[5] 韓林海，楊有福. 現代鋼筋混凝土結構技術 [M]. 2版, 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007

[6] 邱劍，葉志雄，溫四清，謝先義. 承軌結構設計采用鐵路規(guī)范與建筑規(guī)范的比較 [J]. 鐵道工程學報,2012,(11):78-81

[7] GB50111-2006 鐵路工程抗震設計規(guī)范 [S]

[8] GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范 [S]

[9] 周德良，李霆，熊森, 等. 鄭州東站站房主體結構設計 [J]. 建筑結構,2011,(7):50-58

[10] 中鐵二院，西南交通大學巖土工程系地基基礎研究所.合肥南站國鐵和地鐵結構整體基礎沉降及沉降差計算分析報告[R].2010

郭燕(1983～)，女，工程師，一級注冊建造師。

U291.6+1

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[定稿日期]2015-01-19