某铁路火车站地下通廊承轨层结构设计分析

2022-09-17郭峻嘉

科技与创新 2022年18期

郭峻嘉

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100071）

1 研究背景

高速铁路已成为中国的国际名片，中国运营高铁里程位列世界首位，高铁火车站的数量不断增加。火车站站型与线路标高、场坪标高、站房规模相关，其中大型火车站中高火车站站型占有相当大的比例。高架车站指站房和候车厅位于铁路线路上方，站房跨过铁路线路，站房人流流线多采用“上进下出”，从建筑功能上大致分为地下出站通廊层、承轨层、站台层、候车大厅层、二层商业层、屋盖。

由于正线列车时速高，对结构各项指标要求严格，正线列车行驶区域必须采用桥梁结构。对于非正线列车行驶区域承轨层的结构分为“桥-建”合一结构形式和“桥-建”分离结构形式。“桥-建”合一结构形式为房屋结构和桥梁结构是一个整体结构。“桥-建”分离结构形式为列车行驶区域为桥梁结构，非列车区域为房屋结构，两者通过防震缝分开，是2个独立的结构。“桥-建”合一结构形式的承轨层作为列车行驶区域，也是火车站站房结构的组成部分，因此，“桥-建”合一结构形式的承轨层结构设计的特殊性为结构设计需同时满足房建规范及铁路桥涵规范的要求。

2 工程概况

该火车站站房规模40 000 m2，站型为高架车站站型，由高架站房和线侧站房2 部分组成。采用上进下出的人流流线组织方式。车站车场规模为7 台17 线，并为远期城际铁路的接入预留了3 台5 线。站房分为地下城市通廊层、承轨层、站台层、候车大厅层、二层商业层、屋盖。站房剖面示意图如图1所示。

图1 站房剖面示意图

城市通廊顶板为承轨层，建筑平面尺寸顺轨方向51.2 m，垂轨方向232.3 m。站场22 条线路，其中到发线20 条，正线2 条，正线设计时速350 km/h。车站正线结构为双线三跨连续梁桥。到发线及站台下结构采用“桥-建”合一结构形式。桥梁结构和“桥-建”合一的站房结构通过防震缝分开，因此2 道正线桥梁将承轨层结构分成3 部分，最长部分长度87.6 m。承轨层平面示意图如图2所示。

图2 承轨层平面示意图

3 结构主要控制技术指标

承轨层主体结构按民用建筑房屋规范按极限状态设计方法设计。同时需满足铁路桥规设计要求，部分技术指标是按2个规范体系双重控制，采用包罗设计结果。具体技术指标如下。

建筑结构的安全等级为一级，结构重要性系数1.1。本工程抗震设防类别为重点设防（乙类）。抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度0.10g；设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类。特征周期为0.45 s。设计使用年限为100年，耐久性设计年限为100年。如图3所示，列车竖向活载纵向计算采用ZK 活载[1]，移动荷载按规范考虑动力系数。

图3 列车ZK 活载示意图

在温度荷载[2]方面，考虑的项目所在地气候和施工工期，整体结构施工时的合龙温度为12～15 ℃，考虑升温降温区段；混凝土收缩作用按降温10 ℃设计考虑。

在沉降控制值方面，正线桥梁基础沉降量为20 mm，相邻两墩柱间沉降差为5 mm；到发线结构柱基础沉降量为30 mm，相邻两柱基础沉降差为15 mm。同时沉降控制值需满足GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中关于基础沉降量、沉降差的相关规定。

4 承轨层设计与分析

为保证结构整体计算的准确性，设计者将承轨层与上部高架层、屋盖进行整体建模，充分考虑上部高架层、屋盖的刚度效应。在整体模型中，在承轨层施加恒载、活载、风荷载、列车荷载和地震作用及温度作用，在其他各层施加恒载、活载、风荷载和地震作用及温度作用，分别采用盈建科设计软件及Midas Civil 软件进行分析计算，采用房建规范和桥梁规范包络设计。

4.1 承轨层柱网优化

结合车站上部高架候车厅的柱网及地下通廊出站口布置，在不影响建筑效果的前提下，对承轨层柱网进行加密。高架候车厅的垂轨向的典型柱网为21.5 m，结合出站口位置，承轨层垂轨向增加2 列柱子，加密柱网后承轨层垂轨向的典型柱网为7.25 m+7.00 m+7.25 m。承轨层顺轨向的典型柱网按地下通廊的宽度和上部高架候车厅的柱位确定为13.6 m+24 m+13.6 m。加密柱网后，每条轨道中心线均在一跨柱距内，缩短了承轨梁的计算长度，降低了单个承轨梁承受的列车荷载。加密柱网有效减小了梁截面，尤其是降低了梁高。虽然增加了结构柱，但地下通廊在建筑上无大空间的要求，此举有效改善了地下通廊的建筑净空，提高了乘客的舒适性。

4.2 承轨层结构柱设计

承轨层柱采用普通钢筋混凝土柱，混凝土强度等级为C50。根据是否支撑上部高架候车厅柱，柱截面分为2 种，分别为1 800 mm×1 600 mm 和1 600 mm×1 600 mm。

由于承轨层长度达到87.6 m，属于超长结构，需要考虑温度作用。同时轨道层梁截面大、板厚大，平面内刚度大，导致温度作用明显。混凝土收缩和降温工况组合时，温降区段最大，温度作用最大，在与其他工况组合，此组合为柱设计的控制工况。

4.3 承轨层梁板设计

承轨层根据使用功能分为行驶列车的轨行区和旅客站台部分的站台区。承轨层采用主次梁体系。梁板混凝土强度等级为C40。承轨层垂轨向主梁尺寸为1.2 m×2.6 m，顺轨向根据跨度不同主梁尺寸分别为0.9 m×2.4 m、0.9 m×2.0 m。

轨行区在轨道中心线正下方设一道次梁，24 m 跨度次梁尺寸为1.1 m×2.4 m，13.6 m 跨度次梁尺寸为1.1 m×2.0 m，轨行区板厚为400 mm。

站台区上方为站台小结构，站台小结构采用框架结构体系，出轨向为两跨，顺轨向通过结构缝断开，控制结构长度。根据站台小结构立柱定位，在站台区布置一道次梁，24 m 跨度次梁尺寸为0.7 m×2.0 m，13.6 m 跨度次梁尺寸为0.7 m×1.6 m。站台区板厚200 mm。承轨层垂轨方向典型结构布置断面图如图4所示。

图4 承轨层垂轨方向典型结构布置断面图

4.4 基础设计

本工程场地区域土层自地表向下主要分布黏土层、粉质黏土层和较薄的细砂层。由于铁路到发线与正线列车最高时速不同，对于建筑的沉降控制标准也不一样，铁路正线下沉降要求更为严格，故到发线与正线对应基础设计有所不同。

到发线下承轨层基础采用钻孔灌注桩+承台防水板基础，灌注桩桩径800 mm，桩长53 m，桩端持力层为粉质黏土层。桩基采用单一桩端后注浆工艺，提高单桩承载力，并能减小桩基沉降量。单柱下的桩数根据上部荷载不同分别为5 根、6 根或9 根。

正线桥梁墩台基础与相邻承轨层柱下基础采用联合承台基础，为保证基础设计一致性，联合承台下桩基的桩长桩径与承轨层下桩基础一致，桩端持力层为粉质黏土层，桩基采用单一桩端后注浆工艺。根据正线桥梁沉降要求，桥梁墩台与承轨层联合基础的桩数为18 根，保证满足正线轨道对沉降量的要求。

车站基础设计沉降计算同时满足铁路轨道沉降允许值和建筑桩基沉降允许值。

4.5 计算模型分析

首先，采用盈建科建筑结构设计软件进行结构设计。在盈建科软件中对整体车站主体结构建模，将列车移动荷载乘以动力系数，转化为静荷载施加在结构上。通过有限元分析计算，软件按房建规范设计构件的配筋，结构满足房建规范要求。

再次，采用Midas Civil 分析软件进行铁路桥涵规范复核设计。在Midas Civil 软件中对整体车站主体结构建模，按铁路规范在模型中施加混凝土收缩作用和脱轨力、挠曲力、制动力、伸缩力等轨道作用；施加移动荷载，定义车辆荷载、车道线，定义车道荷载工况。通过有限元分析计算，得到梁柱的受力结果，提取梁柱受力数据，按铁路桥梁允许应力法复核承轨框架梁柱的配筋。

4.6 设计中需要注意事项

承轨层由于属于超长结构，并且梁柱构件尺寸大，整体刚度大，计算分析时需考虑温度作用及混凝土收缩的影响。通过施加温度作用及混凝土收缩作用，经分析计算后，结构边部梁柱受温度作用及混凝土收缩作用的影响较大，梁柱端部弯矩增大较多，房屋建筑结构设计软件计算得到的梁柱配筋结果一般不能满足铁路桥涵规范的要求，需增加梁柱截面或梁柱配筋；中部结构梁柱受温度作用及混凝土收缩作用的影响较小，梁柱端部弯矩增加较小，铁路桥涵规范计算得到的结构配筋小于房屋建筑结构设计软件计算得到的梁柱配筋结果，应按房屋建筑结构设计软件计算结构配筋。在结构设计时需要2 种方法对照验算，得出包络的结构配筋结果。