昆明南火車站結構設計研究

黃 剛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

鐵路昆明南站位于呈貢新區吳家營片區，車站距西面新建的市行政中心約3 km、距滇池約7 km，距離昆明站約28 km，車站外部造型結合昆明獨有的地域文化特點，演繹“雀舞春城”的主題。新建昆明南客站后，樞紐內將形成昆明站、昆明南站“兩站并重”格局。昆明南站設計總規模為16站臺30條到發線(含正線)，鐵路車場布置渝昆場、滬昆場、云桂場三場。昆明南站車站建筑是新建昆明南站工程中的核心項目，它包括了客運站房(約12萬m2)、站臺雨棚(約8萬m2)、北側軌行區下部架空停車場及換乘空間(約7萬m2)。見圖1。

圖1 昆明南站效果圖

昆明南站地上3層，地下1層。首層為地下1層，地面高程為-10.500 m，用于地下停車場、國鐵出站廳、地鐵入口及設備等。二層為站臺層，站臺面高程為±0.000 m，主要柱網為10.75 m×22 m；三層(9.500 m高程)為高架候車室，在站房外設置了高架車道及落客平臺；候車室四角設置有設備及商業夾層，樓面高程為16.7 m。建筑物室外屋面高度44.5 m。站房順軌方向為226 m，垂直于軌道方向為430.5 m，主要柱網為21.5 m×22 m。

2 主要技術標準及荷載的確定

2.1 主要技術標準

昆明南站采用“橋建合一”的框架結構。根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)[3]1.0.5條的要求，橋梁結構的使用年限為100年。本工程±0.000 m(即承軌層)以下設計使用年限為100年；±0.000 m以上非承軌層結構設計使用年限為50年，混凝土結構耐久性為100年。為了提高站房結構的設計使用年限，在結構設計中采取了以下措施：(1)基本風壓和基本雪壓均按100年一遇取值；(2)建筑結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1；(3)鋼筋混凝土結構設計中采用的混凝土等級、配比及相關參數、鋼筋保護層厚度按照100年使用年限確定。

2.2 抗震參數的確定

《建筑結構抗震設計規范》(GB50007—2010)[1]規范中的昆明南呈貢區地震參數：抗震設防烈度為8度，水平地震影響系數為0.16，設計地震加速度值為0.2g，地震分組為第3組，場地特征周期：0.45 s。昆明南站主站房建筑抗震設防類別為乙類。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)[1]和《高層混凝土結構技術規程》(JGJ3—2010)[2]，昆明南站房框架結構應采用比一級更為有效的抗震構造措施。

昆明南站房融鐵路橋梁與房屋建筑于一體，按照鐵路橋梁設計使用年限100年的要求，小、中震：承軌層按照規范反應譜的1.4倍取值；其他結構為50年規范反應譜。大震按3條地震時程曲線計算結果取包絡，進行了大震動力彈塑性反應分析，根據計算結果有針對性的調整結構布置、構件大小、梁柱配筋等[11]。

在多遇地震(小震)作用下滿足抗震性能第1水準的要求，即昆明南站站房所有構件處于彈性，滿足承載力和變形的要求，保證小震不壞。設防地震(中震)作用下，采用必要的抗震措施保證中震可修的目標可以實現。關鍵節點和重要構件：承軌層梁和柱、支撐屋面結構柱子、轉換梁——承載力性能2，其中高架候車層以上結構變形控制按性能3(中震不屈服)要求；一般構件：其他梁柱、0.000～9.5 m的柱子——性能3。罕遇地震作用下，變形符合規范的要求，采取必要的措施實現大震不倒的目標，滿足抗震性能第4水準的要求[11]。

2.3 溫度作用

由于《鐵路橋涵設計基本規范》[3]溫度作用為附加力，在橋梁組合中不折減，溫度荷載取值考慮混凝土結構收縮和室外溫度變化的影響。《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)昆明地區的基本氣溫：最高為28 ℃，最低為-1 ℃；考慮合龍溫度為10～15 ℃。溫度作用為降溫16 ℃，升溫18 ℃。考慮混凝土收縮-10 ℃和徐變引起的應力松弛系數0.4。

2.4 火車荷載的取值

昆明南站二期恒載采用200 kN/雙線；利用midas gen軟件試算樓面荷載計算構件的內力，將彎矩、剪力包絡值，面荷載按照等效原則取值為20 kN/m2。

考慮到車站只運行客車的條件，列車靜活載取ZK活載；列車動活載按《高速鐵路設計規范》(TB10621—2009)[5]計算，取列車靜活載乘以動力系數(1+μ)。ZK標準荷載形式見圖2。

圖2 ZK標準荷載形式(單位：m)

將列車活載加載圖示等效成均布面荷載的方式處理，并在結構設計時考慮列車活荷載的最不利布置，保證構件的截面設計滿足受力要求，即將ZK荷載施加于midas civil軟件利用影響線計算結果，試算樓面均布荷載使梁柱各構件滿足彎矩、剪力的包絡值，考慮動力沖擊系數μ=1.2，活載取值為20 kN/m2。

橫向搖擺力取100 kN，其作用點位于垂直于線路方向的結構層(±0.000高程)，每一結構區段只考慮一個橫向搖擺力。列車制動力和牽引力按列車豎向靜活載的10%計算。制動力與牽引力是順軌方向的水平力，以集中力按不利位置考慮就行。鋼軌伸縮力按35 kN/軌/柱計算，設計時，首先計算出該軌道下部的承重柱數目，從而計算出該根軌道的伸縮力，該伸縮力為沿軌道方向的水平力，作用于沿軌道方向的樓層(±0.000高程)。斷軌力只考慮一線一軌，其他線考慮鋼軌伸縮力。

3 設計分析思路探討

承軌結構層及站臺層主要用于火車停靠及旅客上下車使用。該層采用鋼筋混凝土框架結構，主框架梁及承托列車軌道次梁為鋼骨混凝土梁，框架柱為鋼骨鋼筋混凝土柱。本層作為承托列車的主要載體，其構件設計應滿足鐵路工程相關設計規范的要求；同時，本層作為上部站房結構的一部分，也必須滿足相關民用建筑設計規范的要求，因此本層結構設計必須兼顧鐵路工程和民用建筑的相關要求。為此，特按如下要求進行設計[7，10]。

(1)采用整體模型進行計算，承軌層活荷載按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)中的規定并根據昆明南站房的具體布置取值，鑒于樞紐型車站，列車經過和停留頻繁，列車荷載作為可變荷載，其組合值系數、頻遇值系數和準永久系數采用了與汽車庫中汽車可變荷載相同的系數；在不同的設計組合中，對溫度作用效應的組合值系數取0.6，頻遇值系數取0.5，準永久值系數取0.4。

按照《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)中的規定，參照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)進行荷載組合并結合昆明南站房結構的特殊性，考慮列車在線路上不同位置和站場內的不同位置對承軌層的不利影響，求出各構件的設計內力，并根據此內力進行構件設計?？拐鹪O計時，分別進行多遇地震、設防地震和罕遇地震下的地震計算，結構安全等級為一級。

(2)采用整體模型進行計算，承軌層活荷載按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)中的規定并根據昆明南站房的具體布置取值，采用《鐵路橋涵設計基本規范》中的規定進行荷載組合，考慮列車在線路上不同位置和站場內的不同位置對承軌層的不利影響，求出各構件的包絡內力，并根據此內力按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)的容許應力法進行構件設計。

來的親戚朋友，也要放炮仗。比較特別的是，見不到嗩吶，整個葬禮，既見不到嗩吶，也見不到敲鑼打鼓的娛樂場面。大概能夠娛樂的，就只有蘆笙了（唯一的鼓在棺材邊掛著，不能隨便敲）。

抗震計算采用整體計算模型，計算參數采用《鐵路工程抗震設計規范》(TB50111—2006)設計地震的設計參數，計算出構件的包絡內力，并根據此內力按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》[4]的容許應力法進行構件設計。

對比方法(1)和方法(2)構件配筋結果，在滿足各自對應規范所要求的強度、變形、裂縫的前提下，取兩者之間的大值作為構件的實際配筋[12]。

4 結構設計主要控制標準

多遇地震作用下鋼骨混凝土柱層間位移角限值：1/550；罕遇地震作用下鋼骨混凝土柱層間位移角限值：1/50；多遇地震作用下鋼管混凝土柱層間位移角限值：1/300；罕遇地震作用下鋼管混凝土柱層間位移角限值1/50。鋼管混凝土框架風荷載作用下層間相對位移與層高之比不大于1/400；雨棚鋼管混凝土柱風荷載作用下層間相對位移與層高之比不大于1/150。在建筑規范中，承軌層梁、板裂縫控制等級為三級，環境類別為一類，最大裂縫為0.3 mm，在橋梁結構中一般大氣條件下的無防護措施鋼筋混凝土結構構件裂縫寬度不超過0.2 mm，因此昆明南站的承軌層梁、板裂縫按照0.2 mm控制；其他建筑結構梁、板裂縫寬度不大于0.3 mm。

梁式橋跨結構由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度不超過L/800(邊跨)，L/700(中跨)。在列車搖擺力、離心力和風力的作用下，梁體的水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4 000。

5 站房結構分析

5.1 結構布置

昆明南站主站房平面尺寸226 m×430.5 m，按照《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)和《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)的要求，為避免過大的溫度應力對結構產生不利影響，順軌方向通過設置兩道變形縫將平面分割成三部分，分別位于Q、H軸，橫軌方向也通過設置兩道變形縫將平面分割成B1、B2、B3三部分。在承軌層(±0.000 m)以下采用雙柱設縫，縫寬150 mm，高架層(9.500 m)采用鋼桁架布置于一個柱跨，一端滑動，一端固定。屋面在Q～R軸、H～G軸橫軌向桁架跨中設置伸縮縫，如圖3所示。

圖3 變形縫處剖面

5.2 站房結構分析

昆明南站站房結構及雨棚結構分析主要應用了PKPM和MIDAS/GEN軟件(7.8.0)進行分析設計。PKPM主要是分區進行匡算結構，MIDAS主要分析屋面、整體模型以及雨棚等，梁、柱及桁架采用梁單元，板采用薄殼單元，為考慮樓板結構的剛度作用，結構整體計算時將樓面結構梁進行了偏置。

5.2.1 整體計算模型

圖4 站房結構整體模型

5.2.2 模態分析

質量按照重力荷載代表值進行計算，9.5 m高架候車室樓板按照彈性樓板考慮。結構的振動周期及頻率見表1。

表1 整體結構自振周期

結構主要振動形態見圖5。

圖5 整體模型振型圖

前3階振型為Y向平動，第4階振型為X向平動，第5、6階振型為X向平動+扭轉，第7階振型為扭轉。通過觀察振型，可發現前45階振型主要為鋼結構屋蓋的振動，從第46階振型開始出現下部框架結構樓面板的整體豎向振動，因而下部混凝土框架結構的剛度較上部鋼屋蓋結構要大得多。

5.2.3 站房結構分析

昆明南站B區站房混凝土結構在地震作用下層間位移角計算結果見表2，X方向為順軌方向，Y方向為垂軌方向，單向地震考慮了5%的偶然偏心影響。其中承軌層為小震100年規范反應譜計算結果，其他層為50年計算結果。

表2 B區單向地震作用下層間位移角計算結果

5.2.4 屋面計算分析

在荷載組合作用下，屋面桁架豎向最大位移，詳見圖6，最大應力比詳見圖7。

圖6 空間桁架結構標準組合下豎向位移(最大0.171 m)

圖7 空間桁架結構主構件應力比云圖

在X、Y向單向地震作用下，屋面桁架的最大水平位移分別為114、154 mm。

屋面空間桁架最大應力比0.9，桁架弦桿應力比控制在0.85以下。支撐屋面鋼管混凝土柱最大應力比0.81。中震下的支撐屋蓋鋼管混凝土柱最大應力比為0.96，保持彈性狀態，順軌向的層間位移1/256，垂軌向的層間位移1/235，能滿足性能2要求。

5.2.5 中震計算分析

由于承軌層的設計使用年限為100年，對于承軌層的地震效應，還考慮了1.4的放大系數[1]。以B2區為例，分別進行了50年小震和50年中震(高架層)，以及100年小震和100年中震(承軌層)彈性分析計算。小震和中震下各層的地震剪力和位移見表3、表4。

表3 小震和中震下B2區地震剪力 kN

表4 小震和中震下B2區地震位移

對比小震和中震的計算結果，中震下構件內力增加顯著。按照抗震性能目標，承軌層梁和柱、支撐屋面結構柱子、轉換梁等關鍵節點和構件在中震下應基本完好且基本保持彈性狀態。

6 結論

(1)昆明南站站房混凝土結構采用型鋼混凝土結

構，較好地滿足了建筑功能和平面、空間以及造型的需求，特別是在高烈度地震區域，能保證結構的安全性。

(2)“橋建合一”設計思路即同時滿足房屋建筑結構和鐵路橋結構設計要求，滿足抗震性能的要求，并取其設計效應較大值作為結構設計的依據，是可行、可靠的。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ3—2010 高層建筑混凝土設計規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50007—2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

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