北京南站轨道层桥梁结构特点

白鸿国,刘祥君,施 威

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

新建北京南站共设13个站台、24条到发线,站房包括铁路综合站房、地下换乘大厅、地下车库、环形高架桥、9 m高架层和雨篷。此外,还包括地铁4号线、14号线、市郊铁路和公交、出租等市政交通设施。

站房主体结构地上2层,局部设有夹层；地下共3层,其中地下1层局部设有车库夹层,地下2层和地下3层分别为北京地铁4号线和14号线的站台层。主站房从下到上依次为地铁14号线、地铁4号线、-11.75 m地下2层顶板、±0.0 m地面站台(轨道层和站台层)、+9 m高架候车层及无站台柱雨棚的立体整体结构(图1)。

2 结构形式

北京南站轨道层桥梁结构总建筑面积约11万m2,总长400 m、总宽348 m。根据北京南站整体站房结构的需要,轨道层桥梁结构打破桥梁常规设计模式,采用了纵、横梁格构体系,与9.0 m高架层、地下层连为一整体,真正实现了国内铁路第一个“站桥合一”站房结构形式。

图1 北京南站站房整体结构剖面示意(单位：mm)

结构沿顺股道方向和垂直轨道方向(弧型)各设置两道通长变形缝,将轨道层桥梁结构分成了3个区共9个结构单元,分别为Ⅰ区(包括Ⅰ-1区、Ⅰ-2区和Ⅰ-3区)、Ⅱ区(包括Ⅱ-1区、Ⅱ-2区和Ⅱ-3区)和Ⅲ区(包括Ⅲ-1区、Ⅲ-2区和Ⅲ-3区),变形缝通高贯通设置。北京南站轨道层桥梁结构分区布置如图2所示。

Ⅱ-1区、Ⅱ-2区、Ⅱ-3区为站房主体结构,典型柱网尺寸均为13.5 m×20.6 m,采用混合结构框架形式。地下1层主要采用圆钢管混凝土柱,柱外径1.8 m,部分不出地面的结构柱采用圆形截面钢筋混凝土结构,柱外径1.8 m,部分楼梯处为1.2 m。根据轨道限界需要,9.0 m高架层结构柱采用矩形钢管混凝土柱,一般为1.2 m×1.6 m和1.2 m×1.2 m,上、下结构柱位置对应并贯通。高架进站大厅和屋盖主体采用钢结构,楼板采用钢筋混凝土板,屋面板为轻质金属夹芯板。从整体结构形式来看,站房主体结构与民用或高层建筑形式相同。

图2 北京南站轨道层桥梁结构分区布置(单位：m)

但北京南站轨道层桥梁结构在主要功能和受力特点上,其承受24股道列车疲劳活载的作用,轨道层桥梁结构的形式还应满足桥梁设计刚度和强度,因此在梁形的选择和构造的处理上应结合桥梁设计的要求和经验。

因此结合整体结构形式和桥梁结构的要求,所有轨道层桥梁结构各区均采用钢筋混凝土结构,板厚400 mm和500 mm,主要梁截面如下：Ⅰ区、Ⅲ区,双向框架梁1.8 m×1.7 m；Ⅱ区,纵向框架梁1.8 m×1.7 m,横向框架梁1.8 m×2.0 m。所有各区框架梁梁端均采用加腋形式,尺寸为3 m(宽)×1 m(高),各区轨道边次纵梁均为1.2 m×1.6 m。钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱采用型钢牛腿连接,型钢牛腿内置于混凝土梁内。

3 轨道层桥梁结构特点[1～2]

(1)是利用现代化站房建筑中的轨道层桥梁结构实现桥梁功能的成功典范,实现了站房建筑与桥梁使用功能性统一

轨道层桥梁结构是直接承载铁路列车、进出站人群、进站汽车等活荷载,以及站台结构物和各种设备的桥梁结构,同时也是高架候车层与地下层的荷载传递及转换结构,是南站整体建筑结构的一部分。在实现轨道层桥梁结构的桥梁功能过程中,在保证车站整体功能的科学、合理布局的前提下,摒弃了传统“条、带状”桥梁结构的设计理念,首次采用了“站桥合一”的整体结构体系,从而实现了站房建筑与桥梁使用功能性的统一(图3)。

图3 轨道层桥梁结构实现房、桥功能性统一

(2)是桥梁结构与建筑结构相融合的成功实践,实现了北京南站总体结构设计的系统性[3～4]

轨道层桥梁结构既是南站整体建筑结构的一部分，也是承载列车动活载的桥梁结构。轨道层桥梁结构在满足铁路桥梁功能要求的强度、刚度、稳定性、耐久性等的同时,也满足整体建筑结构的承载能力和使用功能。

轨道层桥梁结构的设计符合铁路桥梁的有关规范、规程体系的同时,又符合建筑规范体系的要求,是轨道层桥梁结构设计中的技术重点。在设计中本着安全、可靠、经济、适用、系统最优的设计理念,并没采取将两套规程、规范体系简单的加以叠加,而是认真地研究了两套规范体系的具体规定,结合轨道层桥梁结构的具体功能要求和结构受力特点将两套规范体系加以融合采用,从而实现了总体结构设计的系统最优,完成了结构形式的统一。

(3)是在桥梁结构设计中引入建筑结构设计理念的成功案例,实现了轨道层桥梁结构设计的先进性

在轨道层桥梁结构上整体布置了13个站台、24股道,同时车站既有到发车列也有通过车列,所以多线列车活载的纵向力传递、多跨长联钢筋混凝土连续刚架桥的温度力等问题是控制轨道层桥梁结构设计的技术难点,按此要求应根据受力确定联长,联长较短。而为了满足整体建筑结构的功能性要求和整体结构设计系统最优的目标,轨道层桥梁结构的结构尺寸、跨径及联长的选择受到了极大的制约,按此要求应按功能及建筑整体性确定联长,联长很大。设计中结合轨道层桥梁结构处于车站整体建筑结构的中间层的具体情况,借鉴了建筑结构在温度力计算方面的设计理念,解决了温度荷载的取值问题,并通过了工程实践的最终检验。

(4)是合理结构层合理布局、合理采用新材料、新技术、新工艺的成功实践,实现了结构设计的安全性、可靠性、经济性

轨道层桥梁结构采用“房桥合一”结构形式,不仅为地上9 m高架站厅及屋面结构提供牢固、稳定的刚度基础,为地下车库及地下换乘大厅提供封闭的屋顶,而且为地下一层结构屋顶的防水提供了便利条件。“房桥合一”结构形式实现了站台结构与轨道梁板形成综合管线布置通道,为站房主体减少了综合管线布置层,降低了站房的总高度,进而节约了北京南站的投资,产生了很好的经济效益。

为保证轨道层桥梁结构的耐久性,在轨道层桥梁结构混凝土中添加了提高混凝土抗裂性、抗渗性的纤维素纤维新材料。

(5)是因地制宜、合理设计的成功典范,实现了结构设计的创新性[5～6]

轨道层桥梁结构根据整体结构形式和自身结构特点,首次采用房桥合一结构体系实现了大型铁路客站多元化功能需求。其功能需求决定了房桥合一是整体结构形式的最佳选择,使桥梁结构与房屋结构在形式和受力特点统一于北京南站轨道层桥梁结构之中,真正实现了房桥合一结构体系,这在国内大型客站设计中尚属首次。

为满足站房中心区域的钢管混凝土结构柱上下贯通的要求,在轨道层桥梁结构设计中根据具体情况,采用钢-混凝土新型组合节点实现了轨道层方—圆柱连接与钢筋混凝土梁与上、下钢管混凝土柱连接,首次提出了大吨位型钢混凝土联结过渡方式节点概念。根据北京南站地下1层圆钢管柱与1层矩形钢管柱在轨道层连接节点区域多重荷载交汇、受力复杂和轨道层桥梁结构梁、柱构件尺寸大、荷载大而复杂的特点。采用设置厚板横隔的方式实现方-圆柱组合节点连接,并通过钢管内侧及外侧肋板来传递荷载,并开创性地提出大吨位型钢混凝土联结过渡方式节点概念,通过在钢筋混凝土梁内设置钢牛腿的技术方案,实现了连接钢筋混凝土梁与上、下钢管混凝土柱的组合节点连接。此节点既满足了建筑结构的要求也满足了轨道层桥梁结构的桥梁功能要求,同时也大大降低了施工难度，提高了施工效率。

轨道层桥梁结构梁柱连接如图4所示，轨道层桥梁结构梁柱节点如图5所示。

图4 轨道层桥梁结构梁柱连接(单位：mm)

图5 轨道层桥梁结构梁柱节点

4 结语

北京南站诞生于2008年奥运年,带有奥运年诞生的结构所共同具有的时代性和结构的先进性,而作为北京南站的轨道层桥梁结构在设计上先进性特点更为鲜明。轨道层桥梁结构作为站房建筑形式的一部分,有效的将现代化站房建筑的特点引进桥梁设计，将桥梁和站房的功能性统一,体现了整体站房布局的先进性；轨道层桥梁结构作为站房结构形式的一部分,是将桥梁结构形式与建筑结构形式和桥梁规范与建筑结构规范相融合的成功案例,增强了北京南站总体结构设计的系统性,近而体现了整体站房结构的先进性；轨道层桥梁结构作为单独的设计单元,在设计上合理的将建筑结构设计理念引入桥梁设计中,实现了轨道层桥梁结构设计的先进性；轨道层桥梁结构在对节点处理上具有独特的构造处理,能够为类似的节点处理作为指导,有其创新性特点。

北京南站轨道层桥梁结构不仅在站房建筑的整体格局、整体结构形式上体现了建筑和桥梁的形式和结构上的融合,而且在轨道层桥梁结构单体设计理念、结构形式、设计方式和节点处理上体现了建筑和桥梁形式和内容上的合一,真正实现了“房桥合一”的结构形式。

[1] 刘志军.铁路旅客车站设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2] 郑 健.中国高速铁路桥梁[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3] TB10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范[S].

[4] GB50010—2002，混凝土结构设计规范[S].

[5] TB10002.2—2005，铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[6] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].