技术干货 | 火车站结构设计之大跨度结构选型
导语
火车站因受其使用功能、场地条件等因素等影响，在站房屋面及楼面、站台雨棚及天桥均较为普遍存在大跨度结构。
1
站房候车区楼面
对于线上式火车站房，候车区楼面的跨度往往也比较大，津秦客运专线唐山火车站（以下简称唐山站）候车楼面以下柱网尺寸为21600×18000，广州新客站（以下简称广州站）候车楼面以下柱网尺寸为23250(21500)×32000(16000),京沪高铁上海虹桥站（以下简称虹桥站）候车大厅柱网尺寸为24000(21000)×21500。银川火车站（以下简称银川站）为线侧式站房，候车楼面以下柱网尺寸也达到24000（27000）×28000。候车厅楼面一般采用预应力混凝土梁板体系或钢桁架(或钢梁)+组合楼板体系。
1.1
预应力混凝土梁板体系
我院在进行广州站结构设计时比较了预应力混凝土梁板体系和钢桁架+组合楼板体系两种方案。这两种楼盖结构体系均可满足承载能力和变形的要求。混凝土楼盖结构的自重和刚度都远大于钢桁架楼盖结构, 从降低列车高速通过和行人步行激励引起的振动的角度来考虑, 是较为有利的。对于站桥合一的铁路站房, 舒适度是结构设计的所应考虑的因素之一,因此广州站候车厅楼盖选定采用预应力混凝土梁+ 混凝土板的楼盖体系作为实施方案。下图为广州站站房结构横剖面示意图。
广州站站房结构横剖面示意图
1.2
钢桁架(或钢梁)+组合楼板体系
虹桥站高架候车厅楼面采用钢桁架大梁( 桁架高3. 5m，上弦及下弦截面高500mm，腹杆截面高400mm，均为焊接H 型钢)，桁架下弦标高6.5m，为设备夹层楼面，桁架上弦标高10.0m，为候车大厅楼面。上、下弦H 型钢梁与设于其上的压型钢板-混凝土组合楼板组成组合楼盖。南京南站候车厅楼面做法与虹桥站类似，也是采用钢桁架结构，并利用桁架上下弦间的空间作为设备层。北京南站候车厅则采用钢箱梁+组合楼板体系，钢梁最大跨达到40.5m。
1.3
普通混凝土梁板体系
火车站候车楼面采用普通混凝土梁板体系相对而言比较少见，银川站二层候车厅楼面的两侧局部范围因跨度较小（轴网尺寸为7000×7000）而采用这一体系。
因火车站候车区楼面的跨度一般也比较大，且候车区对楼面舒适度有较高要求，所以一般都采用预应力混凝土梁板体系。虹桥站、北京南站因采用钢管混凝土柱，故采用钢桁架(或钢梁)+组合楼板体系。在候车区局部存在小跨的区域也可采用普通混凝土梁板体系。
2
站房屋面
火车站站房屋面的结构跨度一般比候车厅楼面的跨度更加大，屋面通常采用轻型金属屋面，结构形式多为大跨度钢结构，可采用网架、钢桁架、网壳、张弦结构等，体型较大的火车站屋面经常会采用多种形式的组合。不过对于部分小站，屋面也会采用预应力混凝土梁板体系。
2.1
预应力混凝土梁板体系
近年新建火车站站房屋面采用预应力混凝土梁板体系相对比较少，主要原因是因为跨度大，混凝土梁板体系自重也明显比钢结构+轻型金属屋面大，另外建筑对造型和通透性要求高，所以一般不采用混凝土楼盖。
宁杭客专瓦屋山站体型小，屋面跨度仅为23m，考虑到混凝土耐久性好、后期维护成本低，此站屋面采用了预应力混凝土梁板体系。
2.2
大跨度钢结构+轻型屋面
近年新建火车站站房屋面采用预应力混凝土梁板体系相对比较少，主要原因是因为跨度大，混凝土梁板体系自重也明显比钢结构+轻型金属屋面大，另外建筑对造型和通透性要求高，所以一般不采用混凝土楼盖。
宁杭客专瓦屋山站体型小，屋面跨度仅为23m，考虑到混凝土耐久性好、后期维护成本低，此站屋面采用了预应力混凝土梁板体系。
2.2
大跨度钢结构+轻型屋面
1）网架结构
安阳东站屋面采用了正交正放四角锥平板型网架，跨度约为47m，网架结构厚度为3～4.25米，节点形式为焊接球节点。网架结构与混凝土主体结构采用固定铰支座或抗震支座连接。网架结构用钢量约为47kg/m2。
南京南站屋盖采用双向正交正放钢网架结构，网架高度6m，节点采用焊接球，在网架与柱顶处采用了万向铰支座连接。为保证屋面的整体刚度，整个屋面没有设置温度缝，屋面投影尺寸为451m×210.65m，屋盖结构四边均为大悬挑结构，南北向最大挑出长度为30.0m，东西向最大挑出长度为30.0m，角部最大挑出长度达42.0m。
（2）桁架结构
唐山站、宜兴东站、溧阳站、定州东站等的屋面结构形式均采用了钢桁架。以唐山站为例，屋面钢桁架共分为3段。II段每榀主桁架共三跨，两个边跨长36m，中跨长54m，支承在钢管混凝土柱上。I段内侧主桁架共五跨，跨度分别为18m、36m、54m、36m、18m，支承在钢管混凝土柱或混凝土柱上；外侧主桁架及外挑部分支承在Y型钢管柱上。主桁架与钢管混凝土柱连接一般采用固定铰支座，也有一些节点主桁架腹杆及下弦杆汇于一点焊在钢柱上，此种情况也可以视为铰接。主桁架为倒三角形，高3.5m、宽2m，垂直主桁架方向设置平面次桁架。
虹桥站屋盖沿横向总体分为两个标高，南北两侧标高30m，中间标高40m，屋盖结构见图3，图中Y 方向为北向。标高30m 屋盖采用平面桁架结构，横向主桁架跨度45m，纵向主桁架跨度约22m，抽柱处最大跨度46. 05m。主桁架上下弦均与钢管混凝土柱刚接( 局部采用销轴连接) 形成刚架。为控制杆件外观尺寸，荷载较大处采用双弦杆桁架，标高40m 屋盖采用倒放三角形三管空间桁架，横向主桁架跨度72m，纵向主桁架跨度约22m，抽柱处最大跨度46. 05m。
虹桥站屋盖结构轴测图
（3）大跨度拱结构
常州站为高架站，候车室位于桥梁下方，与桥梁结构墩柱组成整体框架结构，站房8.5 m 以上为大跨度钢拱结构，最高点标高为32.8 m，采用钢箱梁拱作为受力结构，钢箱梁截面的最大高度为2m，最大跨度为66.4 m，间距为16.35 m。为了保证钢箱梁拱的平面外稳定，在两榀钢箱梁拱之间设置刚性系杆和支撑。下图为常州站剖面图
常州站剖面图
4）混凝土拱壳+钢桁架
银川站房中央主入口处通高的进站大厅布置三个清水混凝土壳，该处的混凝土壳外形既非圆弧，也不是抛物线，而是两段圆弧相交，且在壳的侧边开很大的弧形洞口，故在混凝土壳周边采用混凝土拱柱进行适当加强。站房二层候车大厅取消中间柱子形成大跨空间，根据建筑室内外装修效果的需要，候车大厅屋顶清水混凝土壳的两侧沿纵向布置两个跨度约67m的巨型三角形桁架，在巨型主桁架东西两侧布置跨度分别为14m和21m的次桁架，在两个桁架之间为型钢折梁作为支撑龙骨的玻璃采光屋面，从而最大限度的将建筑造型与结构构件设计结合起来。主桁架分别支撑于混凝土壳及混凝土柱上，次桁架一端与主桁架相连，另一端通过固定铰支座连接在混凝土拱顶部的混凝土梁上。下图为站房屋顶桁架的室内效果及结构模型。
银川站房屋顶桁架室内效果图问
银川站房屋顶桁架结构计算模型
（5）多种结构形式组合的复杂屋面结构
广州站站房钢结构屋盖体形由多个筒形和波浪形体块相互切割而成, 采用分片叠合的造型。屋盖投影面积10.4万m2。主站房屋盖外形下图所示, 平面东西长468.8m,南北宽222.0m, 筒形屋盖沿南北方向共有6 片, 每片均为上凸的柱面。在屋盖正中, 贯通东西方向有一道中央采光带, 呈半径渐变的柱面造型, 采光带总长347.6m,与6 片南北向的柱状叶片相贯。在东西主入口处, 采光带柱面向上翘起。
广州南站站房屋盖外形
广州站站房屋盖方案, 最后选定了以索拱和索壳为主的结构体系。在短跨方向采用倒三角形钢桁架作为主梁, 长跨方向采用索拱或张弦梁支承屋面体系, 中央采光带采用拉索加劲的单层筒壳体系。主站房屋盖结构的分层见下图。主站房屋面结构的荷载传递途径为: 屋面覆盖材料→檩条→索拱及采光带网壳→主支承桁架→柱→桥墩或地面。
广州南站站房屋盖结构分层示意图
武汉站屋盖面积达150000m2，屋面形态复杂, 其沿横轨、顺轨两个方向的曲线均为高次函数。中央站房屋面的支承结构由五榀主拱、半拱和斜立柱组成( 图9中3N∼3S轴间为站房范围，两侧为雨棚范围), 五榀的间距基本为64.5m, 最大主拱跨度为116m。
武汉站的支承结构体系
武汉站屋面结构为正交正放式网壳结构, 其上弦平面布置交叉撑。网壳弦杆为复杂的空间曲线。在拱顶直接用短柱与网壳相连, 短柱之间填充钢板; 在其余位置二者则采用V 形撑连接。屋面网壳与主拱、半拱组成了“拱-壳”组合体系。中央站房屋面结构竖向荷载的传力路径为: 网壳→V 形撑→主拱或半拱( 斜立柱)→墩台→桥墩。下两张图分别为顺轨向和横轨向剖面。
武汉站顺轨向剖面图
武汉站中央站房屋面结构横轨剖面问
北京南站屋盖结构为空间钢结构体系，其平面呈椭圆形，主受力刚架采用两边跨的钢管桁架与中间跨的实腹式箱梁相结合的构成方式（如下图）；屋盖结构由双肢缀条格构柱支承，分肢采用焊接组合Ｈ型钢构件，缀条采用等边角钢。站房屋盖为双曲面，纵向柱顶及刚架跨中位置设置次桁架梁及实腹箱梁，作为纵向联系，悬挑桁架端部设置封边次桁架梁及实腹箱梁。
北京南站的屋盖体系布置
之所以采用这种方案是为满足建筑效果与经济性的双重要求，即：在可能影响建筑效果的采光屋面和净空要求较高的位置采用实腹梁结构，其余部分采用正三角形钢管桁架结构，单榀模型如下图。
北京南站屋盖结构的单榀模型
综上，站房屋面的做法可以大致概括为以下几种：（1）体型很小的站房（跨度大约二十多米）可采用预应力混凝土梁板体系；（2）中等或小型站房大都采用网架或桁架结构+轻型屋面；（3）大型站房因屋面体型复杂、体量巨大，一般采用多种结构形式组合的复杂屋面结构；（4）部分建筑造型独特或类型独特的站房（如银川站、常州站）屋面会采用一些独特的结构形式。
3
站台雨棚屋面
近年新建的火车站站台雨棚结构一般均采用钢结构，根据雨棚屋面的体型、跨度主要有单柱悬挑梁（带拉杆）、钢框架梁、张弦梁（张弦桁架）、网壳结构等不同的结构形式。按雨棚柱与站台的关系可以分为有站台柱雨棚（简称有柱雨棚）和无站台柱雨棚（简称无柱雨棚）。
3.1
有站台柱雨棚
有站台柱雨棚是传统做法但近年来并不多见。示威游行日”（International Workers' Day或者May Day），是世界上80多个国家的全国性节日。定在每年的五月一日。它是全世界劳动人民共同拥有的节日。
3.1.1
单柱悬挑梁（带拉杆）
瓦屋山站为线侧式的小站，站台形式为两台四线。雨棚结构采用钢管混凝土柱悬挑带拉杆的梁，与站房相连的雨棚则采用站房混凝土柱悬挑带拉杆的梁。悬挑长度为10m，斜拉杆截面采用圆钢管，钢梁为H型钢，斜拉杆与柱、梁均采用销轴节点。下图为瓦屋山站雨棚结构施工阶段的照片。雨棚结构顺轨方向总长约420m，由两道伸缩缝分为三段。
瓦屋山站施工现场照片
3.1.2
钢框架结构
定州东站站台为两台四线，雨棚采用钢框架结构。每榀有四根钢柱，两根边柱分别位于两个站台的外边缘位置，两根中柱位于铁路线之间。站台上方范围钢梁上覆檩条+金属屋面。轨道范围上方上空。钢框架梁的跨度一般均在20m以上，柱通常采用圆钢管截面、梁通常为H型钢。定州东站雨棚结构顺轨方向总长约450m，由两道伸缩缝分为三段。
3.2
无站台柱雨棚
新建火车站的站台雨棚大多采用无站台柱雨棚，这样也可以更有利于旅客通行。
3.2.1
钢框架（排架）结构
宜兴东站、溧阳站的站台雨棚采用钢框架结构。每榀有四根钢柱，两根边柱分别位于两个站台的外侧，两根中柱位于铁路线之间。站台上方范围钢梁上覆檩条+金属屋面。轨道范围上方上空。钢框架梁的跨度一般均在20m以上，柱通常采用圆钢管截面或钢管混凝土柱、梁通常为H型钢。
唐山站、安阳东站的雨棚采用钢排架结构。以安阳东站为例，每榀（垂直于轨道方向）有四根钢柱，钢柱之间设钢框架梁，顺轨方向的钢梁均为次梁，搭在垂直于轨道方向的钢框架梁上，形成排架结构。一侧悬挑跨度较大处设置斜拉杆。
3.2.2
张弦梁（张弦桁架）
银川站站台雨棚采用张弦梁结构组成的五跨排架（一期为两跨排架），张弦梁跨度从40.5m至44.1m不等，张弦梁跨中高度4.8m，上弦杆采用ϕ530×14热轧钢管，具体张弦梁布置如下图所示；顺轨向为由钢管梁柱构成的多跨刚架，柱距均为21m。在与新建东站房相邻处通过橡胶支座与站房相连，屋面面内刚度通过张弦梁之间的ϕ30圆钢提供。支撑，纵向支撑按净距不超过45ｍ设置，横向支撑设置在屋面洞口处两侧和屋顶上方刚架倾斜角度较大的位置。
雨棚平面布置图
雨棚结构剖面图
泰州火车站雨棚主体结构为空间倒三角曲线拱形钢管桁架，桁架尾部曲线落地，头部上扬，宛若“龙形”，中间设钢管混凝土柱，立于铁路正线和基本站台到发线股道之间，建筑立面见下图）
泰州站雨棚立面图
3.2.4
多种结构形式组合的复杂屋面结构
广州站无站台柱雨棚按照部位不同分为南、北两部分, 两部分关于建筑中轴线对称, 结构体系基本一致。雨棚柱网间距一般为32m×68m, 在短跨方向采用倒三角形钢桁架，长跨方向采用索拱或张弦梁支承屋面体系。雨棚的荷载传递途径为屋面覆盖材料→檩条和支撑→索拱→主支承桁架→Y 型柱→桥墩或地面( 见下图)。为平衡连续跨索拱的水平推力, 边跨柱采用梭形斜柱和斜撑杆, 通过与主体混凝土结构形成稳定的三角形来抵抗水平推力。索拱是构成屋面形状的主要因素, 跨度为34.0~77.8m, 间距16m, 支承在梯形空间桁架上。中间四跨索拱的上弦拱矢跨比最大为1/7, 最小为1/13, 索拱高度均为5m, 故索拱体型逐渐由拉索与拱身同向弯曲过渡为拉索与拱身反向弯曲。东、西两边跨索拱跨度较大, 端部斜柱抗水平力条件较差, 故采用拉索与拱身反向的索拱结构。
南雨棚平面图
南雨棚横剖面图
武汉站雨棚采用正交正放式网壳结构，雨棚支承结构沿顺轨向布置，由南北各20榀支承于10.25m 墩台的半拱和斜立柱组成 , 每个半拱及对应的斜立柱组成一个支承单元。半拱跨越一个轨道梁的跨度为35.3m, 与中央站房屋面支承结构相同的是: 支承单元沿横轨向间距64.5m( 跨越3 个轨道线) 。半拱与相邻支承单元的斜立柱共用一个桥墩。
3.3
小结
火车站站台雨棚的做法按结构跨度归纳如下：
3.3.1
普通跨度雨棚结构（跨度<30m或悬挑长度<15m）
（1）单柱悬挑梁（带拉杆），主要用于小型车站的站台（多为两台四线）雨棚结构，一般采用有站台雨棚柱，雨棚柱多位于站台边缘。
（2）钢框架（排架）结构，多用于中、小规模的车站站台雨棚结构，垂直轨道方向跨度一般为20∼30米。
3.3.2
大跨度雨棚结构（跨度>30m）
大跨雨棚结构一般采用张弦梁、张弦桁架、拱形桁架这样的结构形式，跨度从40m至100m以上都有，一跨往往可以覆盖几个站台，大跨的雨棚结构也多用也较大体系的车站站台。武汉站、广州站等则采用两种或两种以上结构形式组成的复杂雨棚结构体系，以实现复杂的建筑造型。
雨棚结构的经济性与跨度是直接相关的，也不应过于追求大跨度、大柱距。此外在顺轨方向，雨棚结构均属超长结构，设计时应主要分析温度应力，应注意采取措施控制温度应力。
来源：三人行结构