高架火车站结构设计与分析

高架火车站结构设计与分析发表时间：2015-05-25T10:36:01.330Z 来源：《工程管理前沿》2015年第6期供稿作者：牛新安[导读] 所谓高架火车站，就是将铁路站场与铁路站房及城市轨道交通车站等设计为一体。

牛新安（铁四院建筑设计研究院）提要为了真正实现铁路交通与城市市内交通的无缝衔接、尽可能节省城市土地资源，现高铁及城际铁路已大量采用了高架火车站的建筑形式。

作为城市地标性大型公共建筑之一的火车站，人们对其美观要求也越来越高，结构选型需最大限度地配合建筑师的建筑创意，使结构造型与建筑造型形成有机的统一，并充分考虑使用功能、设备安装、施工便利和投资控制等因素，从而高度实现车站结构设计的安全性、合理性、经济性的统一。

关键词高架火车站结构设计与分析1工程概况所谓高架火车站，就是将铁路站场与铁路站房及城市轨道交通车站等设计为一体，其主体结构主要由城市城市轨道交通车站层、站台层、站房层等组成。

比如深圳北火车站其地下层为出租车停车场及地铁车站、地面层为站台层、二层为站房层、三层为轻轨车站，又比如珠海火车站其地下层为公交车及出租车停车场、地面层为站房层、二层为站台层。

这些高架火车站均真正实现了铁路交通与市内交通的“零”换乘、极大地方便了人门的出行，又大量节省了宝贵的城市土地。

但这同时对其结构设计提出了许多新的课题和巨大挑战，它既不是单一的房屋结构、也不是单一的桥梁结构，而是房屋与桥梁结合的结构体系。

下面仅就典型高架火车站珠海火车站的结构设计做一些介绍与分析。

珠海火车站是广珠城际主线上的终点站，同时又是城市城轨交通与长途汽车站、公交车场、出租车场及社会车辆停车场接驳点，也是通往澳门的重要通道，为珠海市的地标性大型建筑。

珠海站位于珠海市拱北口岸西侧隔界河与澳门相望。

车站高架于拱北口岸边检汽车通道上，其南侧距边防通道围墙约25m，拟建的港珠澳大桥在该范围以隧道方式通过，广珠城际延长线的珠海换乘站拟建于隧道的上方。

该站停靠城际列车和长途列车，设6条到发线，采用四台六线布置形式，两侧设侧式站台各1座、中间设岛式站台2座；站台上覆钢结构雨棚；站房位于高架线路的正下方称为线下站，车站规模为大型站；车站标准桥墩距为32.7米，站房层集中布置在车站中间七跨桥墩范围内。

地下停车库建筑面积70612.80㎡，站房层建筑面积20106.22㎡，站台雨棚水平投影面积为36476.65㎡。

图1：珠海高架火车站鸟瞰图2主要设计原则首层及地下室结构体系为站桥合一（即站房、雨棚与行车的桥梁结构合为一体）的现浇钢筋混凝土框架结构，站台雨棚采用钢结构站台无柱雨棚。

通过在站台两侧设置钢骨混凝土转换梁、柱来支撑站台上部的钢结构雨棚。

对于站桥合一结构，轨道梁及支撑轨道梁的梁墩及基础需满足铁路桥涵相关规范中100年设计使用年限要求，结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1；站房主体结构的设计使用年限及设计基准期均为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，但站房结构的耐久性按100年设计；站台雨棚屋面系统结构安全等级按一级、结构重要性系数为1.1。

本地区建筑抗震设防烈度为7度；站房综合楼抗震设防类别为重点设防类，按8度采取抗震措施，站房混凝土框架结构抗震等级为二级；站台雨棚的抗震设防类别为标准设防类，按7度进行抗震计算和采取抗震措施。

3站房及地下室主体结构设计根据使用功能、地下室防水、结构的整体性及投资控制等多方面综合分析比较，本工程采用“站桥合一”的钢筋混凝土框架结构形式。

站房结构主要承受建筑荷载，按“建筑结构规范”采用的是概率极限状态法设计。

由于站房及地下室主梁与桥墩结构刚接，站房及地下室结构与桥墩形成框架结构体系共同承担列车动荷载的作用。

线下式车站的用房均位于承轨梁及站台梁的下方，承轨梁及站台梁均按屋面防水要求进行防水构造设计。

为了站厅内部形成开敞的大空间、减少站厅内部结构柱的数量，站厅内除桥墩立柱外不增设结构柱，仅设置了一层钢结构防水顶棚；考虑到列车过站产生的噪音及重要设备房屋面防水要求，两侧设备及管理用房增设了一层钢筋混凝土结构屋面（结构柱与地下室对应）。

钢结构防水顶棚及钢筋混凝土屋面均采用主次梁板结构体系。

中部站厅部分设置的一层钢结构防水顶棚钢结构与承轨结构一端采用固定铰支座、另一端采用活动铰支座，有效地解决了首层结构的伸缩问题。

4承轨结构承轨结构为直接承受列车动荷载的结构，主要包括轨道梁、桥墩帽梁、桥墩立柱及桥基础。

站台范围桥墩采用轨道梁与站台梁共用的五柱式桥墩，帽梁与桥墩立柱组成门形框架结构。

轨道梁采用预应力钢筋混凝土箱梁，并通过盆式橡胶支座支撑于桥墩帽梁上；双岛双侧式站台梁采用以工字形箱梁截面为基准，两工字梁之间设搭板的方式；墩柱为钢筋混凝土结构，帽梁采用预应力钢筋混凝土结构。

桥面布置形式与构造如图2所示。

图2：桥面布置形式与构造图从图2可以看出，桥墩帽梁与中间三立柱按刚接设计而铰支于边立柱之上。

有效地解决了桥墩帽梁与边立柱刚接弯矩较大的问题，大大改善了边支座的节点应力，同时也释放了桥墩帽梁纵向部分收缩及温度应力。

5站台雨棚结构珠海站台雨棚纵向（东西向）全长566.5m，南北向宽（单榀钢架包括悬挑部分总长）75.5m，站台雨棚顶点标高27.688m（相对于室内地面，余同）；钢拱架两脚间最大跨度68.08米，柱距为8.175米。

拱架一端柱为弯曲拱架竖向段，另一端设置人字柱；人字柱柱脚同拱架最高点设置预应力索，两相邻跨拱架在中点标高相同处设置了连系桁架，钢架柱脚上方向相同邻跨设置联系桁架。

因结构超长设置了多个结构分区，每个分区两端跨各设置横向水平支撑，保证形成独立结构稳定体系。

5.1 结构造型与建筑造型有机的统一珠海车站雨棚的立面造型设计上引入了“飞鸟”和“握手”两个设计寓意。

雨棚结构选型最大限度地配合建筑师的建筑创意，使雨棚的结构造型与建筑造型形成有机的统一。

根据该形态特点、并结合下部结构柱网以及列车的通行要求，确定该雨棚采用由人字柱支撑的交叉悬臂拱架（相邻两榀沿中轴完成对称）、檩条、拉索、屋面联系桁架、柱间支撑桁架、屋面支撑组成的结构体系。

5.2 结构计算模型本工程使用中国建筑科学研究院PK.PMCAD工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（2008年版）进行结构计算分析，地震作用和风荷载按两个主轴方向作用。

钢结构屋面计算模型如图3所示。

其悬臂拱架、人字柱、拉索、屋面联系桁架、柱间联系桁架、屋面支撑、檩条采用梁单元模拟，同时考虑实际连接方式，将拱架支座、人字柱柱顶及柱脚、柱间联系桁架端部的弯矩、扭矩释放以模拟铰节点，拉索采用端弯矩、扭矩释放的梁单元模拟。

为了更真实地模拟实际结构，采用上部钢结构与下部混凝土结构整体建模分析的方法，以得到转换梁对雨棚钢结构更准确的支承刚度。

图3：站台雨棚整体模型5.3 屋面系统设计本工程50年一遇基本风压0.85 kN/m2，地面粗糙度为A类。

站台雨棚钢结构因其重量轻、刚度小的特点，属于风敏感结构。

经验算，雨棚结构设计中风荷载为主要控制荷载。

该站台雨棚建筑体型为曲线状，与《建筑结构荷载规范》表7.3.1中体型相差较大。

通过对其进行整体风洞试验及列车快速过站CFD数值模拟分析，取得较准确的风荷载。

经试验分析，雨棚边缘、檐口、车站两端头风压较《荷载规范》取值增大较多。

设计中对风压较大处的雨棚屋面主、次结构及其与屋面板的连接均予以加强。

5.4 伸缩缝的设置由于钢结构雨棚位于最上层，受温度影响较大，故其变形较大。

该结构伸缩缝的设置难点是如何解决钢结构雨棚与承轨结构既联为一体，又各自具有独立的变形能力的问题。

承轨结构轨道梁、站台梁铰支于桥墩帽梁之上，自身具备变形能力。

研究确定雨棚一般沿纵向每隔2个桥垮设置一道温度伸缩缝，每区段钢骨混凝土转换梁一端或两端紧邻桥墩柱设置一根钢骨混凝土转换柱、余与桥墩帽梁刚结，较好地解决了钢结构雨棚与承轨结构各自具有独立的变形能力的问题。

5.5 结构设计方案的比选和优化站台雨棚主要钢构件组成如图4所示。

图4：站台雨棚主要钢构件组成图在设计过程中，分别按在悬臂拱架最高点不加设及加设拉索进行结构计算及受力分析，计算结果发现加设拉索后大大改善了悬臂拱架的整体受力性能。

通过加设拉索，同时加强中间联系桁架的连接及其它优化措施，使得雨棚悬臂拱架的截面大大减小、雨棚用钢量相应大大减小。

另外，在设计过程中，悬臂拱架与其下的钢骨混凝土转换梁之间分别按固接和铰接两种连接方式进行计算和分析，计算结果发现固接连接引起的转换梁扭矩很大，导致转换梁截面及用钢量较大；悬臂拱架与转换梁的连接按铰接连接时，转换梁只承受来自雨棚柱的轴向力，使得转换梁的受力性能大大优化，相应其截面及用钢量大大减小。

5.6 节点设计通过对有限元计算结果进行分析并与模型试验进行比较，研究确定连接节点传力的有效性，研究连接节点局部变形及板件屈曲情况。

提出了刚架及人字撑与钢骨混凝土转换梁连接节点、人字撑与转换梁的连接节点的合理构造形式，确定了节点域长度、构件壁厚以及加劲肋厚度等几何参数，以保证节点承载力高于构件承载力。

钢架柱脚与转换梁、钢架悬臂端与人字柱及拉索铰接节点如图6所示。

图5：钢架柱脚与转换梁及钢架悬臂端与人字柱及拉索铰接节点详图6基础设计6.1 地下室基础由于场区为厚层的软土、饱和砂层及风化层，根据场地的岩土条件和技术可行性及经济合理性的综合分析，本工程采用嵌岩端承桩，选择稳定弱风化岩作桩端持力层；钻孔灌注桩直径700mm，穿过淤泥层的桩根据成孔需要加设钢护筒，钢护筒厚8mm。

6.2 珠海站增设地下室前后站房基础投资增减情况珠海站临海、地下水位基本平室外设计地面，经计算地下室基础由抗拔桩控制（不含深入地下室的桥墩基础）。

由于站房位于地下室的正上方，站房荷载正好可以抵消一部分地下水的浮力，站房荷载反而会减少抗拔桩基的数量。

故地下室顶板面以下的二层地下室、基础（不含深入地下室的桥墩柱、基础）及其支护系统全部由珠海市投资。

深入地下室的桥墩柱虽然增加了高度，但桩基长度相应减少，所以桥墩柱、基础总的投资也未增加。

珠海站初步设计初期珠海市尚未提出在其下方修建城市用车场，故初步设计初期站房基础按钻孔灌注桩基进行了设计，同时考虑了对室内软土地坪采用￠500水泥搅拌桩进行处理，珠海站增设地下室后相应节省了该部分的投资。

7结语通过对珠海高架火车站结构体系的大量分析和优化工作，使得结构选型最大限度地配合建筑师的建筑创意，使得建筑结构与承轨结构形成有机的结合，使得车站结构布置简洁、受力合理、传力明确、施工便利，并有效地控制了工程投资。

实现了建筑功能性、美观性与结构安全性、合理性、经济性的有机的统一。

在设计过程中对一些重难点进行的专项分析和各设计阶段工程投资增减情况的分析，可供类似工程参考。