桥建合一框架结构站房概述及设计分析
【摘 要】 桥建合一框架结构很好的解决建筑美观和空间利用的问题，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，桥建合一站房结构分析计算涉及桥梁、建筑结构两个专业类别。其结构类型有别于通常的桥梁和建筑结构，目前尚未形成系统的分析、计算方法，叙述了桥建合一框架结构站房的特点，同时从桥梁和建筑结构规范对比入手，总结出符合桥梁、建筑结构和地铁规范中相关要求的站房计算和分析方法。
【关键词】 桥建合一框架结构 极限状态设计法 容许应力法 列车荷载
1 桥建合一框架结构体系
1.1 桥建合一结构站房概述
桥建合一的站房结构形式是针对“列车-桥梁-站房一体化”的站房布局形式的一种全新的结构形式，“桥建合一”的站房结构是指在站房结构中间层架设轨道桥梁，轨道桥梁放在直接伸入地面的桥墩上，上层（候车大厅楼面、局部夹层、雨棚、屋面等）通过轨道桥梁上的竖向结构（混凝土柱、雨棚斜撑等）来支撑，下层（轨道桥以下）设置出站广场、出租车站等。车站中桥梁的盖梁、墩柱、基础为桥梁结构和房建结构共有，形成整体空间结构体系[1]。
2.2 桥建合一结构体系概述
由上可知，“桥建合一”站房结构是桥梁结构和建筑结构（通常是框架结构）两种结构类型相结合的结构，一方面两种结构之间连成一个有机的整体，密切相关，相互影响，另一方面两种结构构件之间相互独立，保持各自的特性。
从两种结构主次类别不同的角度出发，“桥建合一”的结构分为两类：一类以桥梁结构为主的站房结构，另一类是以建筑结构为主的站房结构。
第一类“桥建合一”站房结构是先形成桥梁结构（梁、墩柱、基础），再在桥上布置站厅、站台、雨棚等建筑结构，该类结构实质上是桥梁结构的一种扩展和延伸，其不同的仅仅是部分桥梁构件成为建筑构件的支承点。其主体结构基本按照桥梁设计规范进行设计。新建的武汉站（图 1）和新广州站（图2）均属于这种结构形式。
第二类“桥建合一”站房结构，它完全用建筑构件取代桥梁构件来直接承受列车动荷载作用，它突破了“列车动荷载由桥涵结构承受”的传统观念，从而实现了真正意义上的“建筑上面跑火车”或“建筑里面跑火车”的一种纯框架结构。这样，承轨层的轨道梁作为建筑结构的一部分，支撑于建筑构件上（框架梁、框架柱）。所以这种又称为“桥建合一框架结构”，又被称为“站桥合一”，新建的郑州东站（图3）即采用此种结构形式。
3 桥建合一框架结构体系及其特点
对于常规的桥梁结构和站房的建筑结构，因为两者的使用功能不同，所以两种结构具有完全不同的受力特征。
对于传统的车站，列车荷载或是直接作用于地面，或是由桥涵结构来承受，站房结构主要承受旅客及行人荷载，桥建合一框架结构则是突破了这一传统理念，完全用建筑构件取代了桥梁构件，可以理解为承受列车荷载的纯框架结构。
桥建合一框架结构高度方向上共分以下几层，从上至下分别为屋盖层、高架层、站台层、地下室疏散厅，目前大部分站房还有一层或二层地下层作为地铁层。
地铁层通常为钢筋混凝土箱型框架结构，并以柱与站房结合为整体。出站厅和轨道交通客流交换厅，采用钢筋混凝土框架结构；承轨层和站台层，采用钢筋混凝土框架结构，并以横向框架梁为主受力体系；高架层（候车层），同样采用钢或者混凝土框架结构，屋盖采用大跨空间结构体系。
以南京南站为例，图 4 所示为桥建合一框架结构站房的各层布置。
虽然都是框架结构，针对不同的具体情况，每个站房在每一层的结构形式和材料也有所不同，笔者根据已建和在建的站房总结了站房中各层常用的结构形式和材料，如表 1 所示。
3 车站结构分析设计方法探讨
3.1 结构设计关键点
（1）各层结构体系不同：地下室为钢筋混凝土框架结构，与上部几乎不发生关系；第二层承轨站台层为兼做建筑框架和铁路桥梁结构，以线性结构为主；三层主要采用预应力钢筋混凝土梁结构或钢桁架纵横梁结构；屋顶采用大跨空间钢结构。
（2）各层柱网尺寸和柱的形式不同：地下室层与承轨站台层柱网较小，一般为 10m 左右，采用尺寸较大的钢骨混凝土柱，上部高架层柱网一般为20m 左右由于铁路限界要求，柱尺寸（边长或直径）在1.6m左右，屋顶层的柱网尺寸一般为20m～60m左右，柱的形式一般为钢柱和钢骨混凝土柱。
（3）各层的抗侧刚度不同：主站房结构体系类似框架结构，但又与一般框架结构不同，承轨和站台层兼做建筑框架和铁路桥梁结构，平行轨道方向的抗侧刚度较大，垂直轨道方向的抗侧刚度相对较小。
（4）各层质量不同：二层为承轨站台层，列车通过、到发，旅客上下，恒载和活载都很大，候车高架层恒载和活载相对较小，屋顶为大跨钢结构，质量最轻。
（5）各层分缝不同：承轨站台层被正线分成若干部分，高架候车层根据横轨方向长度分成三部分左右，屋顶钢结构一般不分缝或在做滑动支座用来释放内力。分缝区块的大小、数量并不一致，造成上下层间分缝位置不统一，结构特性不连续。
（6）各层活荷载差异大：地下室及首层主要以车库、办公、机电等荷载为主的承轨站台层以列车类荷载为主，还有人行荷载等；高架候车层主要以候车、商业荷载为主：屋顶以风载、温度荷载为主。
（7）执行规范标准不同，承轨站台层执行建设部颁发的建筑结构设计规范和铁道部颁发的铁路桥梁设计规范；地下室、高架候车层以及屋顶执行建设部颁发的建筑设计规范。
（8）高速列车通过站房对结构的振动影响以及振动的评价标准。
3.2 结构设计方法研究
桥建合一框架站房结构是一种同时涉及了建筑框架结构和铁路桥梁结构的跨学科的结构形式，并不是两种结构形式简单的迭加，结构形式和荷载特点的差别使得桥梁结构规范和建筑结构规范对这种新型结构的规定和指导都不是很完善和全面，所以设计时应从基本的结构原理和计算力学角度出发，综合考虑两种结构的不同的使用功能、荷载效应、受力特点、控制标准、耐久性以及不同的结构可靠度的要求，研究可能出现的荷载工况、荷载组合、加载方式以及整机结构分析方法。
3.2.1 结构使用年限
《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）规定桥涵结构在制造、运送、安装和运营过程中，应具有规定的强度、稳定性、刚度和耐久性要求[2]。桥梁结构应按 100 年正常使用要求设计。
目前建筑结构规范尚无设计基准期为 100 年的活载和地震作用的取值，以及相配套的结构可靠度指标。若建筑结构的设计使用年限为 100 年，关于设计计算的和措施采用以下方法：
设计使用年限：根据《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）1.0.5 条的要求[2]，桥梁结构的设计使用年限为 100 年，承轨站台层以下设计使用年限为 100 年；混凝土结构耐久性为 100 年；承轨站台层以上设计使用年限为 50 年；混凝土结构耐久性为 100 年。
3.2.2 结构设计荷载
桥建合一框架结构是由桥梁和建筑结构共同构成一个完整的结构空间，而建筑结构和桥梁结构有完全不同的荷载取值，单一的建筑结构的构件荷载应按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006 版）取值[3]，单一的桥梁结构的构件荷载应按照《铁路桥涵设计基本规范》对荷载取值的有关规定取值。
针对兼有建筑结构和桥梁结构的桥建合一框架结构，其荷载取值按照以下原则考虑：整个结构中不直接承受列车动荷载的结构构件荷载应按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006 版）取值，直接承受列车动荷载的结构构件荷载应同时考虑《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006版）和《铁路桥涵设计基本规范》对荷载取值的相关规定。此外，当有高速铁路通过站房时，还应满足《高速铁路设计规范》（试行）对荷载取值的相关规定。
3.2.3 结构设计荷载组合
《建筑结构荷载规范》中有如下规定：建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。
①对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合；
②对于长使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合。
桥梁荷载的特殊性和多样性，使得桥梁结构的荷载组合也较为复杂。《铁路桥涵设计基本规范》对桥梁荷载组合作了如下规定：
①应仅考虑主力与一个方向（顺桥或横桥方向）的附加力相结合，如杆件的主要用途为承受某种附加力，则在计算此杆件时，该附加力应按主力考虑；
②流水压力不与冰压力组合，两者也不与制动力或牵引力组合；
③船只或排筏的撞击力、汽车撞击力以及长钢轨断轨力，只计算其中的一种荷载与主力相组合，不与其它附加力组合；
④地震力与其它荷载的组合见国家现行的《铁路工程抗震设计规范》（GBJ ）的规定；
⑤长钢轨纵向力及其与制动力或牵引力的组合，按长钢轨纵向力的有关规定办理。桥梁设计时根据各种结构的不同荷载组合，应将材料基本容许应力和地基容许承载力乘以不同的提高系数，对预应力混凝土结构中的强度及抗裂性计算，还应采用不同的安全系数。
3.2.3 桥梁和建筑结构设计方法
①容许应力设计法
目前我国桥梁设计采用的方法，理论上是以结构构件的计算应力σ不大于有关规范所给定的材料容许应力[σ]的原则来进行设计的方法。一般的设计表达式为：σ≤[σ]。结构构件的计算应力σ按荷载标准值以线性弹性理论计算；容许应力[σ]由规定的材料弹性极限（或极限强度、流限）除以大于 1 的单一安全系数而得[4]。容许应力设计法以线性弹性理论为基础，以构件危险截面的某一点或某一局部的计算应力小于或等于材料的容许应力为准则。是工程结构中的一种传统设计方法，由于单一安全系数是一个笼统的经验系数，其给定的容许应力不能保证各种结构具有比较一致的安全水平，也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响。
②极限状态设计法
极限状态设计法足针对破坏强度设计法的缺点而改进的工程结构设计法。是按某特定状态为极限此状态进行设计、即当以整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此称为该功能的极限状态。它是针对破坏强度设计法的缺点而改进的工程结构设计法。
概率极限状态设计法将工程结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两大类。按照各种结构的特点和使用要求，给出极限状态方程和具体的限值，作为结构设计的依据。用结构的失效概率或可靠指标度量结构可靠度，在结构极限状态方程和结构可靠度之间以概率理论建立关系。这种设计方法即为概率极限状态设计法。其设计式是用荷载或荷载效应、材料性能和几何参数的标准值附以各种分项系数。再加上结构重要性系数来表达。
对承载能力极限状态采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计，对正常使用极限状态按荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计，按下式进行设计计算：
γ· S≤R
γ-结构重要性系数；
S-荷载效应组合的设计值；
R-结构构件抗力设计值。
3.2.4 以房屋建筑规范为依据的设计计算
①计算步骤
在确定结构设计的主要技术标准和设计参数后，整体站房作为房建结构进行计算，通常情况下分为两步：结构分算设计和整体计算设计。
第一步，结构分算:
桥建合一框架结构站房屋盖一般采用大跨空间钢结构，而下部承轨层和站台层多采用混凝土结构，把上下结构分开计算设计，在计算上部结构时，结构支座按照固定支座考虑；在计算下部结构时，提取上部结构的支座反力标准值以荷载形式加入下部结构，进行组合和计算。
通过把整体结构分开计算，可以快速有效地对结构各个部分构件的尺寸和布局有个很好的把握，为下一步调整和优化做好充分的准备。
第二步，整体计算：
在结构分算以后，要对站房结构进行整体计算。
现阶段用于整体计算的常用软件有 PKPM，MIDASGEN 和 SAP2000，其中 MIDASGEN 和SAP2000 都可以建立完整复杂的整体结构模型，由于PKPM是针对框架结构的设计软件，在建立复杂的屋盖时可或者利用 PKPMSAP 软件建立屋盖和站房内其他钢构模型，也可采用另一种简化方法，即将屋盖结构和站房内其他钢结构进行等效代换，楼盖质量保持不变，楼层桁架采用钢梁替换。
整体计算时，参考结构分算得出的结果和布局，进行精确的计算，得出设计内力并依据建筑规范进行构件设计（由软件进行，必要时进行手算）。
②荷载工况及组合
整个结构除承轨站台层外，其余各结构层所有荷载工况及组合按《建筑结构荷载规范》中取值。
由于承轨站台层要承受列车荷载，故在计算时应考虑铁路桥梁荷载的取值和组合。本层活荷载按《铁路桥涵设计基本规范》中的规定并根据站房的具体布置取值，考虑到列车经过和停留频繁，列车荷载作为可变荷载，其组合值系数、频遇值系数和准永久系数采用了与汽车库中汽车可变荷载相同的系数；对于温度荷载，由于《建筑结构荷载规范》中没有明确给出组合值系数、频遇值系数和准永久系数，参照欧洲规范 EN1991-1-5，在不同的设计组合中，对温度作用效应的组合值系数取 0.7，频遇值系数取 0.5，准永久值系数取 0。表 2 为站台层各种荷载所对应的分项系数、组合值系数、频遇值系数和准永久系数取值。
抗震计算参数采用《建筑抗震设计规范》设计地震的设计参数，计算出构件的包络内力，并根据此内力按照《混凝土结构设计规范》的极限状态设计法进行构件设计[5]。
由于站台层采用了框架结构，其整体性比桥梁
结构有明显的改善，荷载组合方式与桥梁结构的组合方式有明显区别，必须考虑火车荷载在框架内的不利布置。由于框架结构的整体性，水平力通过刚性楼盖传递到框架柱，水平荷载的组合可以适当简化。
A 由于每条轨道下均布置连续次梁承托火车荷载，火车荷载按《铁路桥涵设计基本规范》取值，考虑到火车荷载在连续次梁上的不利布置，利用影响线计算方法，找出在移动火车荷载下连续次梁在支座和跨中的最大弯矩和梁端的最大剪力，并依此进行连续梁的构件设计；整体计算中，将梁端最大剪力换算成主框架梁上的集中力以代替火车荷载从而简化计算（等效动活载时取等效静活载下的集中力乘以 （1+μ ））。
B 采用如下线路加载工况：
a．各站场内只有一线等效活荷载，其它线不加载，水平力为单线制动或牵引，其它线为钢轨伸缩力。
b．各站场内只有双线等效活荷载，其它线不加载，水平力为一线制动一线牵引，其它线为钢轨伸缩 力。
c．各站场内考虑一线等效活荷载，其它线加等效静活载，若其它线多于 1 条时，等效静活载、等效活荷载按 75%计算，水平力为一线制动或牵引，不考虑钢轨伸缩力。
d．各站场内考虑双线等效活荷载，其它线加等效静活载，若火车荷载线路多于 2 条时，等效静活载、等效活荷载按 75%计算，水平力为一线制动或牵引，不考虑钢轨伸缩力。
按照《铁路桥涵设计基本规范》中的规定，根据上述表格中的分项系数进行荷载组合并结合不同站房结构的特殊性，考虑列车在线路上不同位置和站场内的不同位置对承轨层的不利影响，求出各构件的设计内力，并根据此内力进行构件设计。抗震设计时，分别进行多遇地震下、设防地震下和罕遇地震下的地震计算，其中多遇地震参数建议选用工程场地地震安全性评估报告，设防地震和罕遇地震选用《建筑抗震设计规范》的参数。框架梁在站台范围内，采用中震弹性计算结果，其余部分采用多遇地震下的计算结果，框架柱采用中震弹性计算结果。罕遇地震下首层塑性变形满足规范要求。结构安全等级为一级，结构重要性系数为 1.1。
3.2.5 以桥梁规范为依据的设计计算
整个站房结构中只有承轨层承受桥梁荷载，采用建立局部模型单独针对承受铁路桥梁荷载的承轨层和基础进行设计计算（表 3）。
计算时，上部结构（高架层和屋盖层）传下的荷载，采用依据房建规范计算得出的上部结构的支座反力标准值，本层荷载按《铁路桥涵设计基本规范》中的规定并根据站房的具体布置取值，采用《铁路桥涵设计基本规范》中的规定进行荷载组合，考虑列车在线路上不同位置的荷载工况和站场内的不同位置对承轨层的不利影响（线路加载工况及不利布置已在前一小节中详细叙述，见3.2.4），求出各构件的包络内力，并根据此内力按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》的容许应力法进行构件设计。
抗震计算参数采用《铁路工程抗震设计规范》设计地震的设计参数，计算出构件的包络内力，并根据此内力按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》的容许应力法进行构件设计。
3.2.6 计算结果的判别和分析
计算结果的判别同时以建筑结构规范和桥梁类规范、地铁相关规范为依据，对要求不同的参数加以判别后确定依照的依据，确定专业间交叉的空白点的依据。
3.3 整体结构分析
（1）弹塑性与多点多维地震输入分析
对通过设计已经确定构件尺寸及配筋的站房结构整体建模，使用一致激励和多点激励计算结构在不同激励状况下的结构响应。给出在大震作用下计算空间结构弹塑性分析的方法，使用时程法计算站房结构在大震作用下的结构反应，并把计算结果用于工程实际。
（2）高速列车对建筑结构的振动影响
把对整个车辆-桥梁-结构系统的动力学分析分解成下面两部分工作，对这两部分工作分别求解，然后再将计算结果合在一起，作为整个车辆-桥梁-结构系统动力学相互作用问题的求解结果。
首先，建立车辆-桥梁结构的力学计算模型。利用现有的车辆-桥梁结构动力相互作用的研究成果，对这个车辆-桥梁结构系统进行动力相互作用计算，得到行驶车辆对桥梁上轨道各节点的激励力时程。
然后，建立桥梁-站房结构的力学计算模型。在桥梁上轨道各节点输入行驶车辆引起的各节点激励力时程，进行桥梁-结构的动力时程计算，得到桥梁-结构各部分的反应，对计算结果进行综合分析，对站房结构的安全性和舒适性进行评价。这项工作的意义在于考查列车高速通过时对大跨站房的振动影响是否超过振动评价限值，如果超过限值，则应在设计时做好隔震工作。
4 总结及结论
（1）桥建合一框架结构很好的解决建筑美观和空间利用的问题，实现了站房建筑与桥梁使用功能性统一。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，从而实现了站房建筑与桥梁使用功能性的统一。
（2）针对站房的各层在结构体系、柱网尺寸和柱的形式、抗侧刚度、质量、分缝、活荷载大小以及执行规范标准等方面的差异提出以不同结构设计规范为依据的设计方法，荷载需同时考虑桥梁类和建筑结构类荷载，并且以极限状态设计法进行分类组合。
（3）计算结果的判别须结合桥梁规范、建筑结构规范选择控制值进行判断。
（4）针对桥建合一框架结构站房建筑规模和结构复杂等特点，设计的同时要展开站房结构弹塑性与多点多维地震输入分析、列车动力作用下响应分析、超长结构温度作用下响应分析等一系列专题研究，作为设计参考的依据。
参考文献
[1] 郑健．中国高速铁路桥梁[M]．北京：高等教育出版社，2008．
[2] TBl0002．1-2005，铁路桥涵设计基本规范[S]．
[3] GB50009-2001，建筑结构荷载规范（2006 年版）[S]．
[4] TBl0002．3-2005，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]．
[5] GB50010--2002．混凝土结构设计规范[S]．
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