广州南站桥建合建结构设计综述

蔡德强

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉　430063)

广州南站桥建合建结构设计综述

蔡德强

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉430063)

摘要：广州南站桥建合建结构巧妙的将房建与桥梁融为一体，但同时由于其共同受力，协调变形，给设计带来了巨大挑战，对广州南站桥建合建结构体系的建立、设计原则、抗震设计及振动性能研究等进行重点论述，结果表明：广州南站传力明确，设计理念可靠，具有良好的抗震性能，旅客舒适性及安全性均能得到保障。

关键词：广州南站；铁路客站；桥建合建结构；抗震；振动

广州南站是超大型桥建合建的综合结构体系，从下到上依次为铁路桥梁结构、候车层框架结构、屋顶大跨度钢结构，屋顶雨棚柱全部支撑在铁路桥墩上，候车层则整体全部落于铁路桥梁上，广州南站为国内首座真正意义上的桥建合建结构形式超大型铁路客站。

广州南站以带岭南特色的芭蕉叶为造型元素。屋面中央薄壳型双曲采光带将长短错落有致、层层叠叠的叶片状雨棚统一成整体，整个建筑以其优美的曲线和独特造型，彰显出鲜明的地域特色和交通建筑特性。广州南站于2010年1月30日正式投入使用。广州南站俯视如图1所示。

图1　广州南站俯视

1工程概况

广州南站位于广州市番禹区钟村镇，距广州市中心17 km。广州南站衔接武广、贵广、南广、广深港、广珠城际等多条铁路线路，共15台28线，总建筑面积48.6万m2，是华南地区核心的交通枢纽。

整个广州南站根据功能需要，将整个车站从下而上规划为地铁层、地面层、高架站台层、高架候车层几个层面，并采用了桥建合建的新型客站形式，从而使广州南站成为一个集高速铁路、地铁、市郊铁路和公交、长途汽车、出租车、社会车等市政交通设施为一体的大型综合交通枢纽。车站剖面如图2所示。

图2　广州南站剖面

2广州南站结构体系

2.1广州南站的建筑设计

广州南站结合站场的高架布置形式，设计采取“上进下出”的设计构思，将车站分为5层，其中地下2层，地上3层。

负二层为同步建设的广州地铁轨道层；负一层为地铁站厅以及停车场、设备用房等；地面层为铁路进、出站大厅，售票厅，停车场等；地上第二层为轨道层(铁路站台层)，东侧设高架落客平台，可直达基本站台；地上第三层是候车层，为主要候车区域，西侧设有高架落客平台，可直达候车层。

2.2桥建合建结构体系的构建

作为桥建合建的大型公共交通枢纽建筑，广州南站首先必须在满足建筑既定功能的前提下处理好地铁、铁路桥梁、站房建筑结构间的相互关系；其次，应结合独特的建筑外形和通透、灵动的室内空间，运用结构概念和基本原理确定合适的大跨结构方案，去实现建筑的设计理念。这是广州南站构建整个结构体系、各个结构分体系乃至主要构件形式和细部节点设计的基本结构设计思想。

2.2.1站房建筑结构

广州南站屋顶长为525 m，宽为232 m，柱网尺寸主要为68 m×64 m、68 m×32 m，采用钢桁架支承的预应力索拱和索壳两种结构体系的组合而成的空间钢结构体系。

中间屋顶采光带采用索壳结构形式，由网格状的钢管组成，每个网格的边长为3～4 m，壳体的下方施加预应力拉索，下部的拉索对壳体结构的稳定及抗风可起到很好的效果。屋顶的跨度为34～60 m。由于屋顶钢结构以弧形为主，对温度荷载相对不敏感，屋顶暂不设伸缩缝。候车室屋顶钢结构透视见图3。

无站台柱雨棚钢结构部分采用索拱结构形式，拱的跨度为68～87 m，大部分预应力索弯曲方向与拱为同一方向。无站台柱雨棚候车室屋顶钢结构分为左右两部分，各部分相互独立，左侧无站台柱雨棚钢结构透视见图4。

图3　屋顶透视

图4　左侧雨棚透视

2.2.2铁路桥梁结构

上部的建筑结构柱网必须满足建筑功能需求，下部的铁路桥梁结构也需尽量服从建筑布局，标准跨距采用32 m，铁路桥梁中央主跨为了跨越正在建设中的广州地铁，主跨采用64 m；上部候车厅为预应力混凝土框架体系，纵向总长度200 m，其纵向柱间距32 m或16 m，无法直接跨越地铁，考虑直接落于铁路桥梁上，由于候车厅柱反力达20 000多kN，一般连续梁无法在跨中承受如此大集中力，因此结合建筑美学要求，铁路桥梁采用了V构连续梁，充分利用V构三角撑支承候车厅柱竖向力，并将竖向荷载及水平荷载传递到主墩及其基础。

对于单独的铁路桥梁结构，由于其纵向刚度较大，故一般习惯以“放”的设计理念，采用条状、静定体系来释放梁体的纵向变形，减小因温度等产生的不利荷载效应；而对于房建结构，其刚度较小，结合其使用功能考虑，一般习惯以“固”的设计理念，要求其支撑体不能发生明显的变位。为了解决此矛盾，设计时巧妙利用V构连续梁主墩固结，边墩释放的特点，巧妙支撑上部候车厅层结构，既满足了上部结构的支撑要求，又使桥梁结构本身“固”、“放”协调，从而形成浑然一体的桥建合建结构体系。

纵向结构体系如图5所示。

根据轨道及站台布置形式，车站范围铁路桥梁由19座桥梁组成，单座桥梁横向刚度较弱，由于广州南站位于7度地震区，上部候车厅层抗震及稳定性能要求其承力基础稳固，刚度强大，因此横向利用站台横梁将多座桥梁连成整体，形成稳固的空间框架体系，同时，铁路桥梁顺铁路方向通过站台结构设置7道隐蔽的变形缝，以消除温度应力产生的不利影响。

图5　纵向结构体系(单位：m)

横向结构体系如图6所示。

图6　横向结构体系(单位：m)

2.2.3桥建合建结构体系传力途径

桥建合建结构体系传力的关键是如何将上部房建荷载传递给桥梁结构，广州南站结构体系传力途径非常明确，即屋顶雨棚柱直接落于桥墩上，雨棚荷载通过雨棚柱传递给桥墩，而候车厅层柱全部落在铁路桥梁梁部，候车厅层荷载通过框架柱直接传递给铁路桥梁。

2.2.4桥建合建结构体系的设计原则

根据结构特性，广州南站从下而上依次包含有地铁结构、铁路桥梁结构、站房及雨棚建筑结构，是一种桥建合建的混合建筑。3种结构形式、荷载、特性有较大区别，设计所遵循的理论体系也不尽相同。目前国内外关于“桥建合建”的铁路客站结构，特别是广州南站这种典型的梁桥式“桥建合一”铁路客站结构的研究成果及有关技术规范标准内容甚少，而国内相应的铁路客站结构研究成果及有关技术规范标准内容基本是空白，设计实践也非常有限。

将广州南站桥建合建结构从铁路桥梁梁面进行水平分割研究其受力体系，梁面以上为候车层结构及屋顶雨棚结构，其除了承力基础为铁路桥梁外，其余均与常规房建结构相同，因此对于候车层及屋顶雨棚结构均按照房建规范进行荷载组合及计算是合适的；而对于铁路桥梁，其除了承受常规铁路桥梁荷载外，还需承受上部候车层及雨棚等房建荷载，这直接导致铁路桥梁结构变得异常复杂，但是即便这样，铁路桥梁的受力本质并没有变，而且按铁路规范采用容许应力法设计相对保守及安全，因此，对铁路桥梁设计时仍可采用常用设计方法，将上部房建荷载按其标准值与其他荷载一起按照铁路规范组合，再进行桥梁结构的检算是可行的。站台层效果见图7。

图7　站台层效果

由于铁路桥梁承受的房建荷载所占其承受的总荷载比重较大，因此对铁路桥梁结构受力性能的研究应对上部房建结构荷载予以重点考虑，房建荷载数值的准确性直接影响到桥梁设计的安全，同时，铁路桥梁结构刚度对上部站房结构整体性能又直接影响，因此设计中建立了全面反映站房结构、铁路桥梁结构及其二者连接关系的整体分析模型，由于站房结构和桥梁结构依据的规范体系不尽相同，在荷载输入和结果提取上，采取在同一模型上“各自施加，整体计算、各取所需”的原则”。

3广州南站抗震设计

广州南站所处场地处于地震基本烈度7度区，基本地震加速度为0.10g，动反应谱特征周期0.35 s，场地土类型属中软场地土，地下水埋深较浅，在7度地震力作用下，易发生软土震陷。

广州南站桥建合建结构为立体空间结构，地震作用下各部分结构之间的相互耦合及协同变形效应非常明显，因此，有必要研究清楚7度地震力作用下整体结构的安全性能。

设计中建立整体有限元模型(图8)对广州南站整体结构进行抗震性能分析，将土体与群桩的相互作用模拟成弹簧约束，考虑地震时液化土层的液化效应。

图8　整体有限元模型

其总地震输入按多遇地震、设计地震和罕遇地震3级，地震输入组合为纵向+竖向和横向+竖向，分析方法包括弹性反应谱、非线性时程方法等。主要结论如下：

(1)屋顶结构相对候车层及铁路桥梁来说刚度较弱，在地震作用下其主要以局部振动为主，不会对下部候车层及桥梁结构地震响应产生大的影响；

(2)主站房铁路桥梁与候车厅层、屋顶层之间存在非常复杂的动力相互作用，因此能较好地反应不同的结构之间的动力相互作用，其结构动力特性与一般的连续梁桥有很大的不同，各振型周期较为连续，局部振动较为丰富；

(3)主站房结构多点激励下的扭转效应增大更加明显，这主要是由于站房结构质量和刚度分布均匀，在一致激励下扭转很小的原因；

(4)作为整个车站的承力基础，铁路桥梁整体上具有较好的抗震性能，在多遇地震下，墩身以及基础各部分强度均满足强度检算要求，在设计地震作用下，单纯依赖支座难以抵御地震水平力，墩顶设置弹塑性防震挡块；在罕遇地震作用下，参照规范的简化方法和非线性时程分析结果均表明，墩身位移延性满足性能要求，且有较大的安全余量；

(5)铁路桥梁与主站房两侧无柱雨棚之间的动力相互作用较弱，其结构动力特性基本不受雨棚部分的影响，纵横向特征性振型明显。

此外，广州南站结构节点种类较多、构造复杂，在结构抗震体系中，节点连接往往是抗震体系中的关键与薄弱部位，节点的破坏往往导致结构传力路径的丧失，并可能导致结构垮塌。因此，在设计中还对广州南站关键节点的抗震性能开展了试验研究，以验证相关的设计是否合理，典型节点试验模型见图9、图10。

图9　Y形节点

图10　T形节点

4列车振动影响分析与控制研究

广州南站客专场及城际场均有高速列车通过，由于上部候车层全部支撑在铁路桥梁上，因此高速列车在桥上通过时，除了列车本身的平稳性及安全性需要考虑外，其振动对上部候车层的影响也需进行充分研究，这种列车与站房结构的相互影响研究在国内外均很少，因此有必要通过动力耦合体系仿真方法，来研究解决高速列车与铁路桥梁及站房结构相互作用时的动力问题。

整体计算模型见图11。

图11　整体计算模型

设计时分别建立列车与等效铁路桥梁力学模型(将上部结构简化成刚度约束及重力传递)以及铁路桥梁与上部站房结构力学模型，对列车的乘坐舒适度、候车厅的安全性及候车旅客舒适度进行分析，得出以下结论：

(1)铁路桥梁动力响应、列车行车安全性以及乘坐舒适度均满足要求；

(2)基于德国《DIN4150规范》建筑物安全的振动控制标准，列车激励下候车大厅楼板、雨棚网壳、中央网壳的振动小于控制标准值，且安全裕量较大，远不足以引起车站结构的安全问题；

(3)基于《人体舒适的振级计算方法》(ISO 2631/1—1985)及《城市区域环境振动标准》 (GB10070—88)中关于混合区、商业中心区昼间和夜间对环境振动的控制标准(昼间75 dB，夜间72 dB)，对各种工况下计算得到的候车大厅楼板的最大振级均小于控制值，满足人体舒适性要求。

5结语

(1)广州南站采用了真正意义上的桥建合一结构体系，巧妙地将房建与桥梁融为一体，外表美观大气，但结构形式异常复杂，给设计带来了很大的难度，设计中对结构的复杂性给予了翔实可靠的研究，确保了结构源头上的安全性，同时也对今后类似的超大型站房起到了很好的借鉴作用。

(2)广州南站桥梁结构刚度对站房结构整体刚度的影响不可忽略，对整体结构的基本性能研究遵循“整体建模、各取所需”的基本原则，重点关注站房结构与桥梁结构的相互影响。

(3)广州南站融合建筑和桥梁两种结构特征，结构构件刚度及重力分布在水平方向和竖直方向都有很大的不均匀性，设计中应尽量使刚度和强度变化均匀，减少车站结构形成薄弱部位的因素，努力降低变形集中的程度，并采取相应的抗震构造措施提高结构的变形能力。研究结果表明，广州南站具有良好的抗震性能。

(4)高速列车通过站房时的对站房结构产生的振动影响不可忽略，需建立车与结构动力耦合仿真体系，来研究解决车辆-桥梁-站房系统的动力学相互作用问题。研究结果及实践证明，广州南站整体结构具有良好的动力性能，高速列车通过时人员的舒适性及结构的安全性均能得到很好的保障。

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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

中图分类号：TU248.1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.037

文章编号：1004-2954(2015)06-0164-05

作者简介：蔡德强(1979—)，男，高级工程师，2000年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail：47371866@qq.com。

收稿日期：2014-01-21； 修回日期：2014-02-06