铁路车站轨道层结构及参数统计

2023-08-21 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，轨道层较多采用钢骨混凝土及钢筋混凝土柱结构，钢管混凝土柱较少。表6.2某些高架站轨道层统计结果3）站场站场设置的有关内容详见第5 章。表6.3轨道层参数表6.3 中站台面至梁底结构高度实际为轨道层总厚度，对于较大的车站，其数值在4 ～6 m。

由于高架车站的站台及线路铺设于轨道层结构上，站台下部多存在地下空间结构，轨道层结构包括站台、轨道、梁板及其下的支撑柱。轨道层结构是高架车站结构体系中的重要组成部分。

通过统计分析，大约有70%的高架站含轨道层结构。当前大部分客站轨道层采用了框架结构形式，也称为房桥合一、桥建合一方式（图6.4），轨道层荷载和站台结构荷载直接传给轨道层框架，经框架柱最终传至地基基础，如图6.49（a）所示。旅客站台人群均布活荷载标准值为3.5 kN/m2。

还有一些采用“桥+框架式”[图6.49（b）]及桥建分离式的轨道层结构，如图6.3 所示。

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图6.49　轨道层架构示意图

1）梁板结构

从所使用材料角度考虑，高架轨道层梁板结构目前主要分为钢管混凝土框架结构、钢筋混凝土框架结构、钢骨混凝土梁及预应力钢筋混凝土框架结构等类型，其中预应力钢筋混凝土框架结构采用比例最高。

钢管混凝土框架结构的混凝土和钢筋的材料用量较小，但钢结构用量较大；预应力钢筋混凝土框架的混凝土与钢筋用量较大，预应力筋用量较小，没有钢结构的用量。

2）柱结构

根据高架轨道层的特点，柱结构主要分为钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱等类型。目前，轨道层较多采用钢骨混凝土及钢筋混凝土柱结构，钢管混凝土柱较少。

含轨道层结构客站的柱高主要受建筑限界、空气动力学及人员视觉感受等因素的影响。统计发现：轨道层柱高集中在10 ～11.5 m，低于10 m 的有天津西站、汉口站、呼和浩特东站、西安北站等车站，其中西安北站的柱高仅为6 m；高于11.5 m 的有成都站，柱高为12 m。

按柱结构类型分组，对其最大柱距进行统计分析。钢骨混凝土柱的柱距范围较大，分布在18 ～25.8 m；钢筋混凝土柱的柱距范围较为集中，分布在20.6 ～25.8 m；而钢管混凝土柱的柱距较大，其中有的样本的柱距为30 m 以上。综合来看，轨道层柱距主要集中在20.6 ～24 m。预应力钢筋混凝土框架结构比单纯的钢筋混凝土结构更适合大柱距的结构形式。轨道层线路设计、设备安装及站台设计参数规律性强，轨道层柱距不仅考虑结构承载情况，同时考虑满足轨道层功能尺寸要求。轨道层与楼盖的支撑柱往往是上下相连的，如图6.47、图6.49（a）所示，故两者柱距的统计结果大体一致。

对14 个客站轨道层样本进行统计分析，得到其样本的极小值、极大值和均值（表6.2），可供设计参考。

表6.2　某些高架站轨道层统计结果

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3）站场

站场设置的有关内容详见第5 章。对于高架车站，由于股道、站台、进出站通道等站场建筑物与设备均设在站房结构内，故需要在满足功能的条件下将站场布置得尽量紧凑些，以便控制站场规模、控制车站规模、节约工程投资。

例如，石家庄站共有13 个站台，24 条到发线，其中6 条正线。其站场平面布置如图6.50 所示，图中标明了站台、股道、进出站口、屋盖立柱位置等信息，其他车站的股道、站台等信息如图4.15所示。

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图6.50　站场平面图（石家庄站）

4）轨道层设计对比分析

结构设计的优劣，取决于其功能要求、结构受力、经济指标等因素。具体到轨道层，以上海虹桥站、成都东站、郑州东站、西安北站、哈尔滨西站、南京南站等6 个典型高架站轨道层结构的设计为例，拟从其结构高度、传力方式、构件截面尺寸、工程量等方面进行对比分析。

（1）高度参数对比

几个客站轨道层结构高度（站台面至梁底）、轨顶至轨道层结构板顶高度以及站台面预留建筑面层厚度见表6.3。

表6.3　轨道层参数

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表6.3 中站台面至梁底结构高度实际为轨道层总厚度，对于较大的车站，其数值在4 ～6 m。该厚度的大小，主要取决于股道数量和柱网、柱距的大小。

（2）结构传力方式对比

除成都东站外，上述其余车站均采用了框架结构承受轨道及站台荷载。成都东站承轨层体系由直接承受列车荷载的轨道梁结构体系和轨道梁下的纵横向框架结构体系两部分组成。轨道梁结构体系通过橡胶支座作用在横向框架梁上，这种传力方式的优点为动荷载对站房结构的影响非常小，缺点是结构高度大。

同是框架结构，其传力方式也不尽相同。哈尔滨西站与郑州东站类似，利用站台面与轨道之间的高差设置上翻的站台梁，以次梁形式与框架主梁连接，承担站台荷载及部分轨道荷载，以减小框架梁尺寸；上海虹桥站、南京南站与西安北站则直接以框架结构承担站台及轨道荷载。

（3）下方柱截面对比

轨道层下方柱的截面大小受柱网布置、抗震设防烈度及柱形式等因素控制。以成都东站和南京南站为例，设防烈度、柱网布置大致相同，并且都采用了钢筋混凝土柱，南京南的柱断面尺寸要稍大些；同样的设防烈度和柱网布置，上海虹桥站由于采用了钢管混凝土柱，柱截面最大尺寸降低为1.4 m×1.4 m。

比较西安北、郑州东和哈尔滨西3 个车站，柱网布置大致相同，设防烈度依次降低，但西安北站由于采用了钢管混凝土，使得柱的截面尺寸反而最小，郑州东站虽采用了钢骨混凝土，柱截面尺寸仍然很大。

（4）框架梁截面对比

框架梁截面尺寸主要受跨度、框架传力方式及梁形式等因素控制。上述6 个站按垂直轨道方向跨度分为10.75 m 和21.5 m 两组，比较相应的梁截面，21.5 m 跨的几个站（西安北站、哈尔滨西站）的横向框架梁高度达2.7 m 甚至3 m，10.75 m 跨（上海虹桥站、成都东站、南京南站）的横向框架梁高度稍小些，在2.4 m 左右。郑州东站虽然梁跨为21.5 m，由于采用了预应力结构，反而梁高为最小。

（5）单位工程量比较

表6.4 比较了上述几个站的轨道层结构工程量指标。其中的面积指站场范围内有地下空间结构的轨道层面积，工程量包括该面积范围内轨道层和站台结构。

表6.4　轨道层结构工程量指标比较

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由表6.4 可知，虽然上海虹桥站、成都东站和南京南站轨道层梁的跨度接近，采用型钢混凝土梁的南京南站和上海虹桥站单位工程量指标要比采用混凝土梁的成都东站高很多；另外3个梁跨接近的西安北站、郑州东站和哈尔滨西站，同样也以采用型钢混凝土梁的西安北站单方工程量最高。

由表6.4 还可以看出：

①轨道层选用不同的结构形式，直接影响传力方式和结构高度。如成都东站和其他5 个站的传力方式明显不同，结构高度也相差很大。

②各站站台面预留的建筑面层厚度从60 mm 到260 mm 不等，轨顶至轨道层结构板顶高度也从0.9 m 到2.35 m 各不相同。

③轨道层框架梁采用预应力结构能有效降低梁截面高度，这在郑州东站尤为突出。

④轨道层柱如果仅考虑结构受力，钢管混凝土柱比钢骨混凝土柱在减小截面尺寸上效果要明显。

⑤成都东站的单位面积工程量指标最低，南京南站最高。相同梁跨的客站比较说明，采用型钢混凝土梁比采用混凝土梁或预应力梁的单方工程量要高。轨道层梁尽量不采用型钢混凝土梁。

5）结构设计概述

框架式轨道层结构目前在高架站房结构中应用最为广泛，是一种同时涉及建筑框架结构和铁路桥梁结构的跨学科的结构形式。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设计原理和计算力学角度出发，综合考虑两种结构的不同使用功能、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。

由于框架式轨道层结构兼具建筑及桥梁结构形式特点，因此其设计计算分为以房屋建筑规范为依据和以桥梁规范为依据。

（1）以房屋建筑规范为依据

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：结构分算和整体计算设计。

①结构分算。桥建合一框架结构体系站房的上部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，需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，进行组合计算。通过把整体结构分开计算，可以快速有效地把握各个部分构件的尺寸和布局，为下一步调整和优化做好充分的准备。

②整体计算设计。在结构分算以后，要对站房结构进行整体计算。现阶段常用于整体计算的软件有PKPM、MIDAS GEN 和SAP2000，其中MIDAS GEN 和SAP2000 都可以建立完整复杂的整体结构模型。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，必要时进行人工计算）。

由于轨道层结构要承受列车荷载，故在计算时应考虑铁路桥梁荷载的取值和组合。其活荷载按《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目前可取0.7，频遇值系数取0.5，准永久值系数取0。

抗震计算参数采用《建筑抗震设计规范》中的地震设计参数，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。

由于轨道层采用了框架结构，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，必须考虑列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。

根据上述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，多遇地震参数选用工程场地地震安全性评估报告中的建议，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。

（2）以桥梁规范为依据

以桥梁规范为依据进行设计计算时，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，采用的荷载见表6.5。

表6.5　单项荷载表

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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，根据站房的具体布置取值并进行荷载组合。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，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》确定地震的设计参数，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）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，对不同的参数及计算结果加以判别后确定。

铁路车站轨道层结构及参数统计

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