简析南京火车站的结构设计
摘 要：南京火车站是新中国第三代铁路客站的代表。屋面采用钢管混凝柱桅杆斜拉索悬挂结构，楼面、地下室采用超长混凝土，地铁站从站房正下方斜穿而过，基础采用冲孔灌注桩。设计中融合了多种结构技术，文章阐述其设计要点及成果。
关键词：铁路站房；斜拉索结构；超长结构；地铁下穿；冲孔灌注桩
0引言
南京铁路旅客站房工程位于南京古城之北。站房东西长270m，南北进深53．5m，下1层，地上3层，站房总建筑面积41 000m2，旅客最高聚集人数1万人。地铁南京站与主站房呈80度斜交穿过，实现零换乘。
南京站房设计采用桅杆斜拉索悬挂结构，支撑屋面的18根桅杆塔柱倾斜地直刺天空，每根桅杆上设四根斜拉索与屋面相连，悬挂起钢结构屋面，像一艘竖起桅杆、拉满风帆的巨轮停泊在美丽的玄武湖畔。向北倾斜的桅杆在平面上呈弧形排列，对应站前玄武湖的湖岸线。建筑下部坚实厚重的混凝土基座与其上部轻盈的结构形成鲜明对比。达到了功能性、标志性和文化性的有机结合，成为南京市、江苏省乃至中国铁路史上的标志性建筑。
1地基与基础
场区地貌上属于掩埋冲沟（漫滩）—岗地过渡地带，区内中部覆盖层薄，向东、西逐渐变厚，土层厚度变化大，分布不稳定，强度差异较大。岩体极为复杂，浅部风化层厚、强度低、遇水软化强烈，整个场地为建筑抗震不利地段。
采用冲击成孔钻孔灌注桩，单桩承载 力 设 计 值6 500 ～125 000KN，桩 径1．2m。因岩面变化陡峭，地质勘测基本采用每柱一孔，局部基岩露面采用浅基础，局部桩长达40m以上。
地铁南京站位于站房6～8轴下方，且与主站房呈80度斜交穿过，地铁结构外框24．8m，上部覆土2．5m。考虑地铁结构的受力特点，站房与地铁结构不能结合，站房位于地铁上的柱需通过托梁转换。站房柱底荷载除有较大的竖向力（约7 000KN），还有较大的柱底弯矩（斜桅杆钢管柱达10 000KN．M），给设计带来了挑战。
设计采用3m的人工挖孔桩（兼做地铁的围护桩），利用覆土层空间设1．8m×2．2m托梁，在柱脚处托梁侧面设纵向联系梁，即平衡梁平面外的柱底弯矩，又增强了托梁侧刚。托梁按一级构件设计，对其强度、位移（挠度）、裂缝及变形对上部结构的影响进行了详细分析，并补充了有限元计算。
2屋面桅杆斜拉索悬挂结构
2．1设计方案的选择
南京站房设计结合屋盖下玻璃幕墙形式进行了三个设计方案的比较：垂直索方案、斜索方案、刚架方案。三方案比较如下：
垂直索方案能较好的突出玻璃幕墙的效果，采用此方案，玻璃幕墙的支撑系统必须与主体结构独立出来，仅在水平方向上有联系。这个方案的不足之处是，两条垂直索将对结构产生较大的拉力，侧向刚度不是很强，且不符合结构应有多道设防防线的要求。
斜索方案的受力性态基本同垂直索方案，对结构的工作性能改善不大，而且由于斜索索力有向左的水平分量，导致桅杆柱基底弯矩加大，因此予以放弃。
刚架方案对结构受力是很有利的。侧向刚度明显增强，可减小结构的侧移与内力，特别对减小斜柱的基底弯矩有重要意义。采用此方案，可以将主体结构与玻璃幕墙的支撑系统连为一体。但其不足之处在于，若两侧的垂直钢柱为受压构件，截面较大，对玻璃幕墙的建筑效果有一定影响。
综合考虑，刚架方案对结构是有利的，并将两侧的钢柱调整为受拉构件，实现真正意义上的桅杆柱斜拉索悬挂结构，并满足玻璃幕墙的建筑效果。
2．2计算模型
计算软件采用中国建筑科学研究院结构所开发的空间网格结构计算分析程序MSGS （V8．0）和美国ANSYS公司开发的大型计算软件ANSYS（V5．6．2）两种程序进行计算分析。计算采用空间杆、梁体系有限元整体模型。计算模型将桅杆柱、屋面钢结构、斜拉索、钢筋混凝土柱、柱间连梁等结构构件组合在一起进行共同作用分析。
2．3计算结果分析
桅杆斜拉索悬挂屋盖钢结构的受力特性主要有以下几点：
屋盖结构具有比较明显的平面受力特征，这主要表现在以下两个方面：一是在各静力工况作用下，结构主要表现为横向及竖向位移，纵向位移不显著；二是主梁及桅杆斜柱的平面外弯矩比较小。
为了增加屋盖结构的整体刚度，在各榀横向结构间设置了大量的纵向构件。这些纵向构件的存在，又使整体结构表现出空间受力性态，主要表现在，由于各榀横向结构刚度的不同，
水平荷载在各榀横向结构间存在重分配现象。当屋盖横梁具有采光窗时，由于下斜撑的存在，客观上减小了其跨度。所以，屋盖横梁的内力，愈向建筑中部愈小；而两端不具有采光窗的屋盖横梁，内力是很大的。
一般地，屋盖横梁内力的最大值出现在恒载、活载与积水荷载组合的工况；在恒载与负风压组合工况时，反向弯矩达到最大值。屋盖横梁内力的最大值出现在两端不具有采光窗的轴线上，且往往出现在屋盖横梁与钢管混凝土桅杆柱相交处。斜拉索的内力在恒载、活载与积水荷载组合的工况下达到最大，在恒载与负风压组合工况时最小。
钢管混凝土桅杆柱承受较大的轴力与弯矩，其弯矩在南风作用下（恒载与南风组合工况）达到极值。由于在同一个温度区段，有时钢管混凝土桅杆柱与混凝土结构交接面的标高相差过大，导致明显的水平荷载不均匀分配现象。
尽管结构位于7度设防区，但上部钢结构质量不大，抗震计算对屋面构件内力不起控制作用，而风荷载的作用比地震作用更明显。
3超长结构的温度应力分析及措施
南 京 站 房 主 体 部 分 长270m，宽54．5m，纵向远超过现有《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）中，55m宜设置温度缝的限制和《钢结构设计规范（GBJ17－88）》规范中当建筑物长度大于120m时，宜设置温度缝的限制。设计中采用了抗、放相结合的原则来处理超长结构的温度应力，即通过采取一定的结构措施来释放一部分温度应力，同时利用结构自身抵抗一部分温度应力。
首先分别在⑧轴和
轴设置温度伸缩缝，将结构分为三个温度单元。它们的长度分别为102m、105m和72m。
对各结构区主要通过下列手段对温度应力和混凝土的前期收缩问题加以控制：每一温度区间每隔30～40m设置一道施工后浇带，选择合适的混凝土合拢时间；每一温度区间内对超长楼板采用双梁方式，使楼板温度应力进一步得以控制和释放；对温度应力进行计算，计算温度应力对结构及配筋的影响；跨度较大截面较高的梁，腰筋满足规范规定外，适当增加抗温度应力钢筋；对每一温度区段中部大跨现浇板增设跨中上部抗温度应力钢筋；施工中浇筑混凝土后加强养护。
4结构试验介绍
南京站主站房造型新颖，结构形式复杂，在南京站主站房设计过程中先后进行了风洞试验、斜拉索节点试验和大比例模型震动台试验。
4．1风洞试验
南京站房建筑造型新颖，外形构架极不规则，其风荷载体形系数无论从理论上或是经验中都无法从现行规范中查找。另外，南京站房屋盖为柔性结构，对风荷载极为敏感，风荷载对工程设计有着极为重要的影响。通过主站房缩尺模型的风洞模拟试验，取得了南京站房这样新颖的建筑风荷载体形系数，为结构设计提供了设计参数。
4．2地震模拟振动台试验
震动台试验将验证结构震动特性、结构安全性，查找出了震动薄弱环节，并指导了结构设计。
本结构设防烈度为7度，试验进行了8度设防的罕遇地震作用，结果表明结构在抗震设防方面的安全储备是足够的。
4．3斜拉索锚固节点模型试验
为了检验南京站斜拉索上下节点板设计的合理性、安全性，掌握斜拉索上下节点板的内力分布规律，进行了1：1比例的节点模型试验，试验采用分级加载方式，最大加载为2倍设计索力。
从节点的极限承载能力试验来看，在2倍设计索力的作用下，虽然有局部进入塑性，但节点没有发生整体破坏现象，仍保持正常的承载能力，节点的安全储备达到预定目标。
5结语
本工程已于2004年建成使用，经过几年的运营检验，结构安全可靠，工程设计获铁道部优秀设计一等奖。
桅杆斜拉索悬挂结构体系是一种先进的结构形式，它充分利用高强钢索的受力性能，融合了刚性结构和柔性结构的优点，使结构体系的受力更为合理。桅杆斜拉索悬挂结构是一种柔性大跨结构，对风荷载较为敏感，因此，要充分重视这种结构的风工程研究和设计工作。对于桅杆斜拉索悬挂结构以及由桅杆斜拉索悬挂结构与混凝土组合形成的复杂混合结构必须选取适当的空间有限元程序进行整体分析，以反映结构各部分间的相互影响和作用。对于超长结构要充分考虑温度应力对结构的影响，综合考虑并采取有效的措施。
本工程冲孔嵌岩灌注桩的设计、遇地铁等大跨下穿结构的处理、超长钢筋混凝土的结构裂缝控制措施及轻型屋面的风工程设计对类似工程有一定的参考意义。
参考文献
1沈世钊，徐崇宝，赵臣．悬索结构设计［M］．北京：中国建筑工业出版社，1997
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