某鐵路火車站地下通廊承軌層結構設計分析

郭峻嘉

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100071）

1 研究背景

高速鐵路已成為中國的國際名片，中國運營高鐵里程位列世界首位，高鐵火車站的數量不斷增加。火車站站型與線路標高、場坪標高、站房規模相關，其中大型火車站中高火車站站型占有相當大的比例。高架車站指站房和候車廳位于鐵路線路上方，站房跨過鐵路線路，站房人流流線多采用“上進下出”，從建筑功能上大致分為地下出站通廊層、承軌層、站臺層、候車大廳層、二層商業層、屋蓋。

由于正線列車時速高，對結構各項指標要求嚴格，正線列車行駛區域必須采用橋梁結構。對于非正線列車行駛區域承軌層的結構分為“橋-建”合一結構形式和“橋-建”分離結構形式。“橋-建”合一結構形式為房屋結構和橋梁結構是一個整體結構。“橋-建”分離結構形式為列車行駛區域為橋梁結構，非列車區域為房屋結構，兩者通過防震縫分開，是2個獨立的結構。“橋-建”合一結構形式的承軌層作為列車行駛區域，也是火車站站房結構的組成部分，因此，“橋-建”合一結構形式的承軌層結構設計的特殊性為結構設計需同時滿足房建規范及鐵路橋涵規范的要求。

2 工程概況

該火車站站房規模40 000 m2，站型為高架車站站型，由高架站房和線側站房2 部分組成。采用上進下出的人流流線組織方式。車站車場規模為7 臺17 線，并為遠期城際鐵路的接入預留了3 臺5 線。站房分為地下城市通廊層、承軌層、站臺層、候車大廳層、二層商業層、屋蓋。站房剖面示意圖如圖1所示。

圖1 站房剖面示意圖

城市通廊頂板為承軌層，建筑平面尺寸順軌方向51.2 m，垂軌方向232.3 m。站場22 條線路，其中到發線20 條，正線2 條，正線設計時速350 km/h。車站正線結構為雙線三跨連續梁橋。到發線及站臺下結構采用“橋-建”合一結構形式。橋梁結構和“橋-建”合一的站房結構通過防震縫分開，因此2 道正線橋梁將承軌層結構分成3 部分，最長部分長度87.6 m。承軌層平面示意圖如圖2所示。

圖2 承軌層平面示意圖

3 結構主要控制技術指標

承軌層主體結構按民用建筑房屋規范按極限狀態設計方法設計。同時需滿足鐵路橋規設計要求，部分技術指標是按2個規范體系雙重控制，采用包羅設計結果。具體技術指標如下。

建筑結構的安全等級為一級，結構重要性系數1.1。本工程抗震設防類別為重點設防（乙類）。抗震設防烈度為7°，設計基本地震加速度0.10g；設計地震分組為第一組。場地類別為Ⅲ類。特征周期為0.45 s。設計使用年限為100年，耐久性設計年限為100年。如圖3所示，列車豎向活載縱向計算采用ZK 活載[1]，移動荷載按規范考慮動力系數。

圖3 列車ZK 活載示意圖

在溫度荷載[2]方面，考慮的項目所在地氣候和施工工期，整體結構施工時的合龍溫度為12～15 ℃，考慮升溫降溫區段；混凝土收縮作用按降溫10 ℃設計考慮。

在沉降控制值方面，正線橋梁基礎沉降量為20 mm，相鄰兩墩柱間沉降差為5 mm；到發線結構柱基礎沉降量為30 mm，相鄰兩柱基礎沉降差為15 mm。同時沉降控制值需滿足GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中關于基礎沉降量、沉降差的相關規定。

4 承軌層設計與分析

為保證結構整體計算的準確性，設計者將承軌層與上部高架層、屋蓋進行整體建模，充分考慮上部高架層、屋蓋的剛度效應。在整體模型中，在承軌層施加恒載、活載、風荷載、列車荷載和地震作用及溫度作用，在其他各層施加恒載、活載、風荷載和地震作用及溫度作用，分別采用盈建科設計軟件及Midas Civil 軟件進行分析計算，采用房建規范和橋梁規范包絡設計。

4.1 承軌層柱網優化

結合車站上部高架候車廳的柱網及地下通廊出站口布置，在不影響建筑效果的前提下，對承軌層柱網進行加密。高架候車廳的垂軌向的典型柱網為21.5 m，結合出站口位置，承軌層垂軌向增加2 列柱子，加密柱網后承軌層垂軌向的典型柱網為7.25 m+7.00 m+7.25 m。承軌層順軌向的典型柱網按地下通廊的寬度和上部高架候車廳的柱位確定為13.6 m+24 m+13.6 m。加密柱網后，每條軌道中心線均在一跨柱距內，縮短了承軌梁的計算長度，降低了單個承軌梁承受的列車荷載。加密柱網有效減小了梁截面，尤其是降低了梁高。雖然增加了結構柱，但地下通廊在建筑上無大空間的要求，此舉有效改善了地下通廊的建筑凈空，提高了乘客的舒適性。

4.2 承軌層結構柱設計

承軌層柱采用普通鋼筋混凝土柱，混凝土強度等級為C50。根據是否支撐上部高架候車廳柱，柱截面分為2 種，分別為1 800 mm×1 600 mm 和1 600 mm×1 600 mm。

由于承軌層長度達到87.6 m，屬于超長結構，需要考慮溫度作用。同時軌道層梁截面大、板厚大，平面內剛度大，導致溫度作用明顯。混凝土收縮和降溫工況組合時，溫降區段最大，溫度作用最大，在與其他工況組合，此組合為柱設計的控制工況。

4.3 承軌層梁板設計

承軌層根據使用功能分為行駛列車的軌行區和旅客站臺部分的站臺區。承軌層采用主次梁體系。梁板混凝土強度等級為C40。承軌層垂軌向主梁尺寸為1.2 m×2.6 m，順軌向根據跨度不同主梁尺寸分別為0.9 m×2.4 m、0.9 m×2.0 m。

軌行區在軌道中心線正下方設一道次梁，24 m 跨度次梁尺寸為1.1 m×2.4 m，13.6 m 跨度次梁尺寸為1.1 m×2.0 m，軌行區板厚為400 mm。

站臺區上方為站臺小結構，站臺小結構采用框架結構體系，出軌向為兩跨，順軌向通過結構縫斷開，控制結構長度。根據站臺小結構立柱定位，在站臺區布置一道次梁，24 m 跨度次梁尺寸為0.7 m×2.0 m，13.6 m 跨度次梁尺寸為0.7 m×1.6 m。站臺區板厚200 mm。承軌層垂軌方向典型結構布置斷面圖如圖4所示。

圖4 承軌層垂軌方向典型結構布置斷面圖

4.4 基礎設計

本工程場地區域土層自地表向下主要分布黏土層、粉質黏土層和較薄的細砂層。由于鐵路到發線與正線列車最高時速不同，對于建筑的沉降控制標準也不一樣，鐵路正線下沉降要求更為嚴格，故到發線與正線對應基礎設計有所不同。

到發線下承軌層基礎采用鉆孔灌注樁+承臺防水板基礎，灌注樁樁徑800 mm，樁長53 m，樁端持力層為粉質黏土層。樁基采用單一樁端后注漿工藝，提高單樁承載力，并能減小樁基沉降量。單柱下的樁數根據上部荷載不同分別為5 根、6 根或9 根。

正線橋梁墩臺基礎與相鄰承軌層柱下基礎采用聯合承臺基礎，為保證基礎設計一致性，聯合承臺下樁基的樁長樁徑與承軌層下樁基礎一致，樁端持力層為粉質黏土層，樁基采用單一樁端后注漿工藝。根據正線橋梁沉降要求，橋梁墩臺與承軌層聯合基礎的樁數為18 根，保證滿足正線軌道對沉降量的要求。

車站基礎設計沉降計算同時滿足鐵路軌道沉降允許值和建筑樁基沉降允許值。

4.5 計算模型分析

首先，采用盈建科建筑結構設計軟件進行結構設計。在盈建科軟件中對整體車站主體結構建模，將列車移動荷載乘以動力系數，轉化為靜荷載施加在結構上。通過有限元分析計算，軟件按房建規范設計構件的配筋，結構滿足房建規范要求。

再次，采用Midas Civil 分析軟件進行鐵路橋涵規范復核設計。在Midas Civil 軟件中對整體車站主體結構建模，按鐵路規范在模型中施加混凝土收縮作用和脫軌力、撓曲力、制動力、伸縮力等軌道作用；施加移動荷載，定義車輛荷載、車道線，定義車道荷載工況。通過有限元分析計算，得到梁柱的受力結果，提取梁柱受力數據，按鐵路橋梁允許應力法復核承軌框架梁柱的配筋。

4.6 設計中需要注意事項

承軌層由于屬于超長結構，并且梁柱構件尺寸大，整體剛度大，計算分析時需考慮溫度作用及混凝土收縮的影響。通過施加溫度作用及混凝土收縮作用，經分析計算后，結構邊部梁柱受溫度作用及混凝土收縮作用的影響較大，梁柱端部彎矩增大較多，房屋建筑結構設計軟件計算得到的梁柱配筋結果一般不能滿足鐵路橋涵規范的要求，需增加梁柱截面或梁柱配筋；中部結構梁柱受溫度作用及混凝土收縮作用的影響較小，梁柱端部彎矩增加較小，鐵路橋涵規范計算得到的結構配筋小于房屋建筑結構設計軟件計算得到的梁柱配筋結果，應按房屋建筑結構設計軟件計算結構配筋。在結構設計時需要2 種方法對照驗算，得出包絡的結構配筋結果。

5 結論

本車站地下通廊承軌層結構為“橋-建”合一結構形式，采用鋼筋混凝土框架結構體系，通過盈建科軟件及Midas Civil 軟件計算分析，包絡設計滿足房建規范及鐵路橋涵規范相關要求。

車站地下通廊承軌層結構可通過合理布置柱網，減小承軌層梁截面，降低結構構件高度，提高地下通廊建筑凈高，改善乘客的乘車體驗。