廣州南站橋建合建結構設計綜述

蔡德強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢　430063)

廣州南站橋建合建結構設計綜述

蔡德強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢430063)

摘要：廣州南站橋建合建結構巧妙的將房建與橋梁融為一體，但同時由于其共同受力，協調變形，給設計帶來了巨大挑戰，對廣州南站橋建合建結構體系的建立、設計原則、抗震設計及振動性能研究等進行重點論述，結果表明：廣州南站傳力明確，設計理念可靠，具有良好的抗震性能，旅客舒適性及安全性均能得到保障。

關鍵詞：廣州南站；鐵路客站；橋建合建結構；抗震；振動

廣州南站是超大型橋建合建的綜合結構體系，從下到上依次為鐵路橋梁結構、候車層框架結構、屋頂大跨度鋼結構，屋頂雨棚柱全部支撐在鐵路橋墩上，候車層則整體全部落于鐵路橋梁上，廣州南站為國內首座真正意義上的橋建合建結構形式超大型鐵路客站。

廣州南站以帶嶺南特色的芭蕉葉為造型元素。屋面中央薄殼型雙曲采光帶將長短錯落有致、層層疊疊的葉片狀雨棚統一成整體，整個建筑以其優美的曲線和獨特造型，彰顯出鮮明的地域特色和交通建筑特性。廣州南站于2010年1月30日正式投入使用。廣州南站俯視如圖1所示。

圖1　廣州南站俯視

1工程概況

廣州南站位于廣州市番禹區鐘村鎮，距廣州市中心17 km。廣州南站銜接武廣、貴廣、南廣、廣深港、廣珠城際等多條鐵路線路，共15臺28線，總建筑面積48.6萬m2，是華南地區核心的交通樞紐。

整個廣州南站根據功能需要，將整個車站從下而上規劃為地鐵層、地面層、高架站臺層、高架候車層幾個層面，并采用了橋建合建的新型客站形式，從而使廣州南站成為一個集高速鐵路、地鐵、市郊鐵路和公交、長途汽車、出租車、社會車等市政交通設施為一體的大型綜合交通樞紐。車站剖面如圖2所示。

圖2　廣州南站剖面

2廣州南站結構體系

2.1廣州南站的建筑設計

廣州南站結合站場的高架布置形式，設計采取“上進下出”的設計構思，將車站分為5層，其中地下2層，地上3層。

負二層為同步建設的廣州地鐵軌道層；負一層為地鐵站廳以及停車場、設備用房等；地面層為鐵路進、出站大廳，售票廳，停車場等；地上第二層為軌道層(鐵路站臺層)，東側設高架落客平臺，可直達基本站臺；地上第三層是候車層，為主要候車區域，西側設有高架落客平臺，可直達候車層。

2.2橋建合建結構體系的構建

作為橋建合建的大型公共交通樞紐建筑，廣州南站首先必須在滿足建筑既定功能的前提下處理好地鐵、鐵路橋梁、站房建筑結構間的相互關系；其次，應結合獨特的建筑外形和通透、靈動的室內空間，運用結構概念和基本原理確定合適的大跨結構方案，去實現建筑的設計理念。這是廣州南站構建整個結構體系、各個結構分體系乃至主要構件形式和細部節點設計的基本結構設計思想。

2.2.1站房建筑結構

廣州南站屋頂長為525 m，寬為232 m，柱網尺寸主要為68 m×64 m、68 m×32 m，采用鋼桁架支承的預應力索拱和索殼兩種結構體系的組合而成的空間鋼結構體系。

中間屋頂采光帶采用索殼結構形式，由網格狀的鋼管組成，每個網格的邊長為3～4 m，殼體的下方施加預應力拉索，下部的拉索對殼體結構的穩定及抗風可起到很好的效果。屋頂的跨度為34～60 m。由于屋頂鋼結構以弧形為主，對溫度荷載相對不敏感，屋頂暫不設伸縮縫。候車室屋頂鋼結構透視見圖3。

無站臺柱雨棚鋼結構部分采用索拱結構形式，拱的跨度為68～87 m，大部分預應力索彎曲方向與拱為同一方向。無站臺柱雨棚候車室屋頂鋼結構分為左右兩部分，各部分相互獨立，左側無站臺柱雨棚鋼結構透視見圖4。

圖3　屋頂透視

圖4　左側雨棚透視

2.2.2鐵路橋梁結構

上部的建筑結構柱網必須滿足建筑功能需求，下部的鐵路橋梁結構也需盡量服從建筑布局，標準跨距采用32 m，鐵路橋梁中央主跨為了跨越正在建設中的廣州地鐵，主跨采用64 m；上部候車廳為預應力混凝土框架體系，縱向總長度200 m，其縱向柱間距32 m或16 m，無法直接跨越地鐵，考慮直接落于鐵路橋梁上，由于候車廳柱反力達20 000多kN，一般連續梁無法在跨中承受如此大集中力，因此結合建筑美學要求，鐵路橋梁采用了V構連續梁，充分利用V構三角撐支承候車廳柱豎向力，并將豎向荷載及水平荷載傳遞到主墩及其基礎。

對于單獨的鐵路橋梁結構，由于其縱向剛度較大，故一般習慣以“放”的設計理念，采用條狀、靜定體系來釋放梁體的縱向變形，減小因溫度等產生的不利荷載效應；而對于房建結構，其剛度較小，結合其使用功能考慮，一般習慣以“固”的設計理念，要求其支撐體不能發生明顯的變位。為了解決此矛盾，設計時巧妙利用V構連續梁主墩固結，邊墩釋放的特點，巧妙支撐上部候車廳層結構，既滿足了上部結構的支撐要求，又使橋梁結構本身“固”、“放”協調，從而形成渾然一體的橋建合建結構體系。

縱向結構體系如圖5所示。

根據軌道及站臺布置形式，車站范圍鐵路橋梁由19座橋梁組成，單座橋梁橫向剛度較弱，由于廣州南站位于7度地震區，上部候車廳層抗震及穩定性能要求其承力基礎穩固，剛度強大，因此橫向利用站臺橫梁將多座橋梁連成整體，形成穩固的空間框架體系，同時，鐵路橋梁順鐵路方向通過站臺結構設置7道隱蔽的變形縫，以消除溫度應力產生的不利影響。

圖5　縱向結構體系(單位：m)

橫向結構體系如圖6所示。

圖6　橫向結構體系(單位：m)

2.2.3橋建合建結構體系傳力途徑

橋建合建結構體系傳力的關鍵是如何將上部房建荷載傳遞給橋梁結構，廣州南站結構體系傳力途徑非常明確，即屋頂雨棚柱直接落于橋墩上，雨棚荷載通過雨棚柱傳遞給橋墩，而候車廳層柱全部落在鐵路橋梁梁部，候車廳層荷載通過框架柱直接傳遞給鐵路橋梁。

2.2.4橋建合建結構體系的設計原則

根據結構特性，廣州南站從下而上依次包含有地鐵結構、鐵路橋梁結構、站房及雨棚建筑結構，是一種橋建合建的混合建筑。3種結構形式、荷載、特性有較大區別，設計所遵循的理論體系也不盡相同。目前國內外關于“橋建合建”的鐵路客站結構，特別是廣州南站這種典型的梁橋式“橋建合一”鐵路客站結構的研究成果及有關技術規范標準內容甚少，而國內相應的鐵路客站結構研究成果及有關技術規范標準內容基本是空白，設計實踐也非常有限。

將廣州南站橋建合建結構從鐵路橋梁梁面進行水平分割研究其受力體系，梁面以上為候車層結構及屋頂雨棚結構，其除了承力基礎為鐵路橋梁外，其余均與常規房建結構相同，因此對于候車層及屋頂雨棚結構均按照房建規范進行荷載組合及計算是合適的；而對于鐵路橋梁，其除了承受常規鐵路橋梁荷載外，還需承受上部候車層及雨棚等房建荷載，這直接導致鐵路橋梁結構變得異常復雜，但是即便這樣，鐵路橋梁的受力本質并沒有變，而且按鐵路規范采用容許應力法設計相對保守及安全，因此，對鐵路橋梁設計時仍可采用常用設計方法，將上部房建荷載按其標準值與其他荷載一起按照鐵路規范組合，再進行橋梁結構的檢算是可行的。站臺層效果見圖7。

圖7　站臺層效果

由于鐵路橋梁承受的房建荷載所占其承受的總荷載比重較大，因此對鐵路橋梁結構受力性能的研究應對上部房建結構荷載予以重點考慮，房建荷載數值的準確性直接影響到橋梁設計的安全，同時，鐵路橋梁結構剛度對上部站房結構整體性能又直接影響，因此設計中建立了全面反映站房結構、鐵路橋梁結構及其二者連接關系的整體分析模型，由于站房結構和橋梁結構依據的規范體系不盡相同，在荷載輸入和結果提取上，采取在同一模型上“各自施加，整體計算、各取所需”的原則”。

3廣州南站抗震設計

廣州南站所處場地處于地震基本烈度7度區，基本地震加速度為0.10g，動反應譜特征周期0.35 s，場地土類型屬中軟場地土，地下水埋深較淺，在7度地震力作用下，易發生軟土震陷。

廣州南站橋建合建結構為立體空間結構，地震作用下各部分結構之間的相互耦合及協同變形效應非常明顯，因此，有必要研究清楚7度地震力作用下整體結構的安全性能。

設計中建立整體有限元模型(圖8)對廣州南站整體結構進行抗震性能分析，將土體與群樁的相互作用模擬成彈簧約束，考慮地震時液化土層的液化效應。

圖8　整體有限元模型

其總地震輸入按多遇地震、設計地震和罕遇地震3級，地震輸入組合為縱向+豎向和橫向+豎向，分析方法包括彈性反應譜、非線性時程方法等。主要結論如下：

(1)屋頂結構相對候車層及鐵路橋梁來說剛度較弱，在地震作用下其主要以局部振動為主，不會對下部候車層及橋梁結構地震響應產生大的影響；

(2)主站房鐵路橋梁與候車廳層、屋頂層之間存在非常復雜的動力相互作用，因此能較好地反應不同的結構之間的動力相互作用，其結構動力特性與一般的連續梁橋有很大的不同，各振型周期較為連續，局部振動較為豐富；

(3)主站房結構多點激勵下的扭轉效應增大更加明顯，這主要是由于站房結構質量和剛度分布均勻，在一致激勵下扭轉很小的原因；

(4)作為整個車站的承力基礎，鐵路橋梁整體上具有較好的抗震性能，在多遇地震下，墩身以及基礎各部分強度均滿足強度檢算要求，在設計地震作用下，單純依賴支座難以抵御地震水平力，墩頂設置彈塑性防震擋塊；在罕遇地震作用下，參照規范的簡化方法和非線性時程分析結果均表明，墩身位移延性滿足性能要求，且有較大的安全余量；

(5)鐵路橋梁與主站房兩側無柱雨棚之間的動力相互作用較弱，其結構動力特性基本不受雨棚部分的影響，縱橫向特征性振型明顯。

此外，廣州南站結構節點種類較多、構造復雜，在結構抗震體系中，節點連接往往是抗震體系中的關鍵與薄弱部位，節點的破壞往往導致結構傳力路徑的喪失，并可能導致結構垮塌。因此，在設計中還對廣州南站關鍵節點的抗震性能開展了試驗研究，以驗證相關的設計是否合理，典型節點試驗模型見圖9、圖10。

圖9　Y形節點

圖10　T形節點

4列車振動影響分析與控制研究

廣州南站客專場及城際場均有高速列車通過，由于上部候車層全部支撐在鐵路橋梁上，因此高速列車在橋上通過時，除了列車本身的平穩性及安全性需要考慮外，其振動對上部候車層的影響也需進行充分研究，這種列車與站房結構的相互影響研究在國內外均很少，因此有必要通過動力耦合體系仿真方法，來研究解決高速列車與鐵路橋梁及站房結構相互作用時的動力問題。

整體計算模型見圖11。

圖11　整體計算模型

設計時分別建立列車與等效鐵路橋梁力學模型(將上部結構簡化成剛度約束及重力傳遞)以及鐵路橋梁與上部站房結構力學模型，對列車的乘坐舒適度、候車廳的安全性及候車旅客舒適度進行分析，得出以下結論：

(1)鐵路橋梁動力響應、列車行車安全性以及乘坐舒適度均滿足要求；

(2)基于德國《DIN4150規范》建筑物安全的振動控制標準，列車激勵下候車大廳樓板、雨棚網殼、中央網殼的振動小于控制標準值，且安全裕量較大，遠不足以引起車站結構的安全問題；

(3)基于《人體舒適的振級計算方法》(ISO 2631/1—1985)及《城市區域環境振動標準》 (GB10070—88)中關于混合區、商業中心區晝間和夜間對環境振動的控制標準(晝間75 dB，夜間72 dB)，對各種工況下計算得到的候車大廳樓板的最大振級均小于控制值，滿足人體舒適性要求。

5結語

(1)廣州南站采用了真正意義上的橋建合一結構體系，巧妙地將房建與橋梁融為一體，外表美觀大氣，但結構形式異常復雜，給設計帶來了很大的難度，設計中對結構的復雜性給予了翔實可靠的研究，確保了結構源頭上的安全性，同時也對今后類似的超大型站房起到了很好的借鑒作用。

(2)廣州南站橋梁結構剛度對站房結構整體剛度的影響不可忽略，對整體結構的基本性能研究遵循“整體建模、各取所需”的基本原則，重點關注站房結構與橋梁結構的相互影響。

(3)廣州南站融合建筑和橋梁兩種結構特征，結構構件剛度及重力分布在水平方向和豎直方向都有很大的不均勻性，設計中應盡量使剛度和強度變化均勻，減少車站結構形成薄弱部位的因素，努力降低變形集中的程度，并采取相應的抗震構造措施提高結構的變形能力。研究結果表明，廣州南站具有良好的抗震性能。

(4)高速列車通過站房時的對站房結構產生的振動影響不可忽略，需建立車與結構動力耦合仿真體系，來研究解決車輛-橋梁-站房系統的動力學相互作用問題。研究結果及實踐證明，廣州南站整體結構具有良好的動力性能，高速列車通過時人員的舒適性及結構的安全性均能得到很好的保障。

參考文獻：

[1]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]沈順高，張微敬，等.大跨度機庫結構多點輸入地震反應分析[J]. 土木工程學報，2008(2)：17-21.

[3]游又能.橋建合一式高架車站設計在莞惠城際軌道交通中的應用研究[J].鐵道標準設計，2012(8)：121-125，136.

[4]盛平，王軼，張楠，甄偉.大型站橋合一客站建筑的舒適度研究[J].建筑結構，2009(12):43-45.

[5]盛暉，李傳成.綠色鐵路旅客建筑設計探討[J].鐵道經濟研究，2010(1):24-30.

[6]周永禮，楊靜.橋建合一高架車站收縮、徐變及溫度力影響的分析[J].鐵道標準設計，2009(1):31-33.

[7]史娣.武漢站橋建合建結構橋梁設計關鍵技術研究[J].橋梁建設，2008(6):34-36.

[8]沈婷，陳強.新廣州火車站結構初步設計介紹[C]∥2007中國鐵路客站技術國際交流會論文集.北京：中國鐵道出版社，2008.

[9]盛平，陳強，等.廣州新客站主站房抗震性能分析研究[C]∥2009 中國鐵路客站技術國際交流會論文集.北京：人民交通出版社，2010.

[10]金福海，史娣，張曉江，吳智勇.武漢站橋建合建結構設計[C]∥2009中國鐵路客站技術國際交流會論文集.北京：人民交通出版社，2010.

[11]鄭健，沈中偉，蔡申夫.中國當代鐵路客站設計理論探索[M].北京：人民交通出版社，2009.

[12]夏禾，陳英俊.車—梁—墩體系動力相互作用分析[J].土木工程學報，1992，25(2)：4-12.

Design of Combination Structure of Bridge and Building in Guangzhou Nan Railway Station

CAI De-qiang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063, China)

Abstract：Guangzhou Nan railway station is an ingenious design of the combination of elevated bridge with building structure. The combination of railway bridge with station building poses great challenge to deal with the co-stressing and coordinative deformation. This paper addresses some key problems of the combination structure in terms of system establishment， design principle， seismic design and vibration characteristics. The results show that the force transmission is clear， the design concept is reliable and the seismic performance is excellent， and passengers are ensured comfort and safety.

Key words：Guangzhou Nan railway station; Railway passenger station; Combination structure of bridge and building; Anti-earthquake; Vibration

中圖分類號：TU248.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.037

文章編號：1004-2954(2015)06-0164-05

作者簡介：蔡德強(1979—)，男，高級工程師，2000年畢業于西南交通大學土木工程專業，工學學士，E-mail：47371866@qq.com。

收稿日期：2014-01-21； 修回日期：2014-02-06