北京南站軌道層橋梁結構特點

白鴻國,劉祥君,施 威

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

新建北京南站共設13個站臺、24條到發線,站房包括鐵路綜合站房、地下換乘大廳、地下車庫、環形高架橋、9 m高架層和雨篷。此外,還包括地鐵4號線、14號線、市郊鐵路和公交、出租等市政交通設施。

站房主體結構地上2層,局部設有夾層；地下共3層,其中地下1層局部設有車庫夾層,地下2層和地下3層分別為北京地鐵4號線和14號線的站臺層。主站房從下到上依次為地鐵14號線、地鐵4號線、-11.75 m地下2層頂板、±0.0 m地面站臺(軌道層和站臺層)、+9 m高架候車層及無站臺柱雨棚的立體整體結構(圖1)。

2 結構形式

北京南站軌道層橋梁結構總建筑面積約11萬m2,總長400 m、總寬348 m。根據北京南站整體站房結構的需要,軌道層橋梁結構打破橋梁常規設計模式,采用了縱、橫梁格構體系,與9.0 m高架層、地下層連為一整體,真正實現了國內鐵路第一個“站橋合一”站房結構形式。

圖1 北京南站站房整體結構剖面示意(單位：mm)

結構沿順股道方向和垂直軌道方向(弧型)各設置兩道通長變形縫,將軌道層橋梁結構分成了3個區共9個結構單元,分別為Ⅰ區(包括Ⅰ-1區、Ⅰ-2區和Ⅰ-3區)、Ⅱ區(包括Ⅱ-1區、Ⅱ-2區和Ⅱ-3區)和Ⅲ區(包括Ⅲ-1區、Ⅲ-2區和Ⅲ-3區),變形縫通高貫通設置。北京南站軌道層橋梁結構分區布置如圖2所示。

Ⅱ-1區、Ⅱ-2區、Ⅱ-3區為站房主體結構,典型柱網尺寸均為13.5 m×20.6 m,采用混合結構框架形式。地下1層主要采用圓鋼管混凝土柱,柱外徑1.8 m,部分不出地面的結構柱采用圓形截面鋼筋混凝土結構,柱外徑1.8 m,部分樓梯處為1.2 m。根據軌道限界需要,9.0 m高架層結構柱采用矩形鋼管混凝土柱,一般為1.2 m×1.6 m和1.2 m×1.2 m,上、下結構柱位置對應并貫通。高架進站大廳和屋蓋主體采用鋼結構,樓板采用鋼筋混凝土板,屋面板為輕質金屬夾芯板。從整體結構形式來看,站房主體結構與民用或高層建筑形式相同。

圖2 北京南站軌道層橋梁結構分區布置(單位：m)

但北京南站軌道層橋梁結構在主要功能和受力特點上,其承受24股道列車疲勞活載的作用,軌道層橋梁結構的形式還應滿足橋梁設計剛度和強度,因此在梁形的選擇和構造的處理上應結合橋梁設計的要求和經驗。

因此結合整體結構形式和橋梁結構的要求,所有軌道層橋梁結構各區均采用鋼筋混凝土結構,板厚400 mm和500 mm,主要梁截面如下：Ⅰ區、Ⅲ區,雙向框架梁1.8 m×1.7 m；Ⅱ區,縱向框架梁1.8 m×1.7 m,橫向框架梁1.8 m×2.0 m。所有各區框架梁梁端均采用加腋形式,尺寸為3 m(寬)×1 m(高),各區軌道邊次縱梁均為1.2 m×1.6 m。鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱采用型鋼牛腿連接,型鋼牛腿內置于混凝土梁內。

3 軌道層橋梁結構特點[1～2]

(1)是利用現代化站房建筑中的軌道層橋梁結構實現橋梁功能的成功典范,實現了站房建筑與橋梁使用功能性統一

軌道層橋梁結構是直接承載鐵路列車、進出站人群、進站汽車等活荷載,以及站臺結構物和各種設備的橋梁結構,同時也是高架候車層與地下層的荷載傳遞及轉換結構,是南站整體建筑結構的一部分。在實現軌道層橋梁結構的橋梁功能過程中,在保證車站整體功能的科學、合理布局的前提下,摒棄了傳統“條、帶狀”橋梁結構的設計理念,首次采用了“站橋合一”的整體結構體系,從而實現了站房建筑與橋梁使用功能性的統一(圖3)。

圖3 軌道層橋梁結構實現房、橋功能性統一

(2)是橋梁結構與建筑結構相融合的成功實踐,實現了北京南站總體結構設計的系統性[3～4]

軌道層橋梁結構既是南站整體建筑結構的一部分，也是承載列車動活載的橋梁結構。軌道層橋梁結構在滿足鐵路橋梁功能要求的強度、剛度、穩定性、耐久性等的同時,也滿足整體建筑結構的承載能力和使用功能。

軌道層橋梁結構的設計符合鐵路橋梁的有關規范、規程體系的同時,又符合建筑規范體系的要求,是軌道層橋梁結構設計中的技術重點。在設計中本著安全、可靠、經濟、適用、系統最優的設計理念,并沒采取將兩套規程、規范體系簡單的加以疊加,而是認真地研究了兩套規范體系的具體規定,結合軌道層橋梁結構的具體功能要求和結構受力特點將兩套規范體系加以融合采用,從而實現了總體結構設計的系統最優,完成了結構形式的統一。

(3)是在橋梁結構設計中引入建筑結構設計理念的成功案例,實現了軌道層橋梁結構設計的先進性

在軌道層橋梁結構上整體布置了13個站臺、24股道,同時車站既有到發車列也有通過車列,所以多線列車活載的縱向力傳遞、多跨長聯鋼筋混凝土連續剛架橋的溫度力等問題是控制軌道層橋梁結構設計的技術難點,按此要求應根據受力確定聯長,聯長較短。而為了滿足整體建筑結構的功能性要求和整體結構設計系統最優的目標,軌道層橋梁結構的結構尺寸、跨徑及聯長的選擇受到了極大的制約,按此要求應按功能及建筑整體性確定聯長,聯長很大。設計中結合軌道層橋梁結構處于車站整體建筑結構的中間層的具體情況,借鑒了建筑結構在溫度力計算方面的設計理念,解決了溫度荷載的取值問題,并通過了工程實踐的最終檢驗。

(4)是合理結構層合理布局、合理采用新材料、新技術、新工藝的成功實踐,實現了結構設計的安全性、可靠性、經濟性

軌道層橋梁結構采用“房橋合一”結構形式,不僅為地上9 m高架站廳及屋面結構提供牢固、穩定的剛度基礎,為地下車庫及地下換乘大廳提供封閉的屋頂,而且為地下一層結構屋頂的防水提供了便利條件?！胺繕蚝弦弧苯Y構形式實現了站臺結構與軌道梁板形成綜合管線布置通道,為站房主體減少了綜合管線布置層,降低了站房的總高度,進而節約了北京南站的投資,產生了很好的經濟效益。

為保證軌道層橋梁結構的耐久性,在軌道層橋梁結構混凝土中添加了提高混凝土抗裂性、抗滲性的纖維素纖維新材料。

(5)是因地制宜、合理設計的成功典范,實現了結構設計的創新性[5～6]

軌道層橋梁結構根據整體結構形式和自身結構特點,首次采用房橋合一結構體系實現了大型鐵路客站多元化功能需求。其功能需求決定了房橋合一是整體結構形式的最佳選擇,使橋梁結構與房屋結構在形式和受力特點統一于北京南站軌道層橋梁結構之中,真正實現了房橋合一結構體系,這在國內大型客站設計中尚屬首次。

為滿足站房中心區域的鋼管混凝土結構柱上下貫通的要求,在軌道層橋梁結構設計中根據具體情況,采用鋼-混凝土新型組合節點實現了軌道層方—圓柱連接與鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱連接,首次提出了大噸位型鋼混凝土聯結過渡方式節點概念。根據北京南站地下1層圓鋼管柱與1層矩形鋼管柱在軌道層連接節點區域多重荷載交匯、受力復雜和軌道層橋梁結構梁、柱構件尺寸大、荷載大而復雜的特點。采用設置厚板橫隔的方式實現方-圓柱組合節點連接,并通過鋼管內側及外側肋板來傳遞荷載,并開創性地提出大噸位型鋼混凝土聯結過渡方式節點概念,通過在鋼筋混凝土梁內設置鋼牛腿的技術方案,實現了連接鋼筋混凝土梁與上、下鋼管混凝土柱的組合節點連接。此節點既滿足了建筑結構的要求也滿足了軌道層橋梁結構的橋梁功能要求,同時也大大降低了施工難度，提高了施工效率。

軌道層橋梁結構梁柱連接如圖4所示，軌道層橋梁結構梁柱節點如圖5所示。

圖4 軌道層橋梁結構梁柱連接(單位：mm)

圖5 軌道層橋梁結構梁柱節點

4 結語

北京南站誕生于2008年奧運年,帶有奧運年誕生的結構所共同具有的時代性和結構的先進性,而作為北京南站的軌道層橋梁結構在設計上先進性特點更為鮮明。軌道層橋梁結構作為站房建筑形式的一部分,有效的將現代化站房建筑的特點引進橋梁設計，將橋梁和站房的功能性統一,體現了整體站房布局的先進性；軌道層橋梁結構作為站房結構形式的一部分,是將橋梁結構形式與建筑結構形式和橋梁規范與建筑結構規范相融合的成功案例,增強了北京南站總體結構設計的系統性,近而體現了整體站房結構的先進性；軌道層橋梁結構作為單獨的設計單元,在設計上合理的將建筑結構設計理念引入橋梁設計中,實現了軌道層橋梁結構設計的先進性；軌道層橋梁結構在對節點處理上具有獨特的構造處理,能夠為類似的節點處理作為指導,有其創新性特點。

北京南站軌道層橋梁結構不僅在站房建筑的整體格局、整體結構形式上體現了建筑和橋梁的形式和結構上的融合,而且在軌道層橋梁結構單體設計理念、結構形式、設計方式和節點處理上體現了建筑和橋梁形式和內容上的合一,真正實現了“房橋合一”的結構形式。

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[2] 鄭 健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008.

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