火車站站前高架橋設計特點研究

閆 斌,戴公連

(中南大學土木建筑學院,湖南長沙 410075)

1 概述

火車站站前高架橋是人口密集區進出通道的基礎設施,該類橋梁靠近地鐵貼近站房,其橋跨布置應與環境相適應;由于建筑和既有線路的限制,其采用的曲線半徑一般較小;考慮到城市地段、橋下交通條件和施工場地的不同,在方案設計時應選擇適當的施工方式;該類橋梁常位于城市廣場周圍,因此不僅要求橋梁上部結構線形美觀,更應創造出優雅的橋下空間;同時針對當地氣候環境,一些構造細節需要得到額外重視。

本文將結合南京站、深圳站、武漢站、廣州站、樂清站五個站前高架橋的工程實例進行論述。各高架橋結構類型見表1。

表1 站前高架橋形式比較

2 橋跨布置受既有線路和建筑影響

火車站站前高架橋靠近地鐵和既有道路、隧道等,橋跨布置時要根據情況適當避讓。如武漢站和廣州站的站前高架橋在做初步設計時就依據地鐵線路對橋跨進行了多次調整。

站前高架橋與車站站房應成為統一的整體,其橋墩設置應與站房建筑相適應,且橋墩要避開橋下站房門窗。如樂清站進站通道高架橋 Pjt3和 Pjt4橋墩均對橋下站房出口有遮擋,影響旅客流動和窗口視野,其橋跨設置由最初的(13.05+14.2+9.35+8.79)m經多次調整后確定為(13.05+14.7+8.85+8.5)m。

在站房與橋梁結合緊密的情況下,在設置橋墩位置時不能與車站站房基礎相矛盾。如樂清站進站通道橋 Pjt4號獨柱墩樁基礎與車站站房基礎相抵觸,經多方協商最終調整橋跨布置,并設置順橋向雙獨柱墩和異形橋臺,使其在受力上滿足結構要求,在布局上與站房基礎相適應。

某些站前高架橋要求與站房高層相接,高程設置需要額外注意。如樂清站和南京站主高架橋,要求橋面高程與二層站房齊平,旅客可通過橋面人行道行走至二樓站房大門。

3 某些匝道橋需要采用超小半徑

受到車站所在地形和站房設計等因素的限制,某些匝道橋需要設置小型甚至超小型半徑(表1)。同時,為改善橋下部結構布局、開闊視野,其下部墩柱還往往采用獨柱支撐,因此該類橋梁受力狀態復雜。其特點表現為:彎扭耦合,約束方式對內力、反力和變形影響較大,負支反力問題為控制設計的主要因素。為此,在設計中采取調整支座橫橋向偏心距、核算支座橫向強度、注意腹板鋼筋的防崩、采用兩端張拉等措施對其進行特殊設計。文獻[5]中對超小半徑彎梁的設計方法做了詳細描述。

如武漢站站前高架橋東一聯匝道橋和南京站匝道橋必須設置超小半徑 25m(其中南京站匝道橋為獨柱墩雙支座)。現有資料表明,25m為目前國內已建成通車的預應力混凝土彎梁橋中的最小半徑。

4 截面形式選擇應突出美觀要求

站前高架橋截面形式的選擇上,在保證安全可靠的前提下,主要考慮美觀因素。在突出上部結構纖細感時,可考慮采用梁高較小的板梁或展翼梁,也可采用月牙形的箱梁截面造成梁高較小的視覺效果;在突出橋梁線條感時,可考慮采用鋼箱梁,梁邊緣的直角可給人以平直可靠的視覺感受;用牛腿和冒梁替代傳統的蓋梁方案,可以創造出優美的橋梁側面線形。

如樂清站采用鋼筋混凝土板梁,梁高僅為 0.8m,整個橋梁上部結構線形纖細美觀。在設計時為減輕自重,在板梁中心設置數目不等的圓孔,如圖1所示。

圖1 樂清站主高架橋截面形式(單位:cm)

計算表明:設置 11個 φ20 cm圓孔可節省混凝土17.2%,跨中應力降低 12.33%～23.05%,相對于其截面面積的豎向位移比值降低了 1.13%～1.29%。故采用板梁中增加圓孔的方式,在減少材料用量的同時,能有效地改善其受力性能。

武漢站站前高架橋設計時,考慮到箱形截面整體性好,抗扭剛度大,故采用預應力混凝土連續箱梁,標準截面為單箱雙室斜腹板。箱梁頂面寬 9m,中心梁高 2.068m,標準截面如圖2所示。

在交接墩的設計中,一改以往傳統的設置蓋梁方案,而采用牛腿和帽梁形式,使整個橋梁具有平滑的立面線形(圖3)。

廣州站采用連續鋼箱梁,標準截面為單箱三室直腹式,橋面凈寬 10.5m,橫隔板寬度為 2m,梁高 1.4 m。截面邊緣鋼箱梁的直角給人以順直、平滑的視覺感受,其標準截面見圖4。

圖2 武漢站站前高架橋標準截面形式(單位:cm)

圖3 武漢站站前高架橋帽梁和牛腿示意

圖4 廣州站站前高架橋標準截面形式(單位:mm)

南京站站前高架橋標準截面為月牙形截面箱梁。橋面寬 17m,中心梁高 1.55m,梁體被 3道腹板分隔為 4室,結構抗扭剛度較大,能有效控制梁體寬扁帶來的結構偏載造成的扭轉畸變。梁腹采用優美弧線,可以改善城市高架橋梁底棱角分明的常規造型,同時在側視上削弱梁體的高度感,使得梁高在視覺上顯得矮一些,增加了連續梁的曲線美、輕盈感。跨中標準截面如圖5所示。

圖5 南京站站前高架橋標準截面形式(單位:cm)

深圳站采用展翼梁方案,整個梁體纖細和輕巧,同時也滿足梁體本身的強度和剛度要求。橋面寬 11.5m,箱底寬 3m,梁高1.5m。標準截面如圖6所示。

圖6 深圳站站前高架橋標準截面形式(單位:cm)

5 結構形式和施工方法應因地制宜

城市規劃中火車站所處城區位置不同、導致其環境交通量的差異,對橋梁的施工方法和周期提出了不同的要求。在橋梁設計時應因地制宜,選擇適合當地的結構形式和施工手段。

如樂清站地處白石鎮下阮村,交通量較低,故采用支架法現澆鋼筋混凝土板梁;廣州站為縮短工期、減少對橋梁周邊交通的影響,選擇施工周期短的鋼箱梁;深圳站站前高架橋位于城市繁華地區,必須把橋梁建設時對交通運行的干擾降低到最小程度,且施工速度快。在進行多種方案必選后,采用了展翼梁方案。

6 橋墩造型設計尤為重要

站前高架橋往往位于火車站廣場上,橋下客流量密集,且城市火車站的周邊環境往往成為該城市的門戶,因此創造優美的橋下環境對于站前高架橋來說尤為重要。

站前高架橋墩普遍采用花瓶形,如樂清站、廣州站、南京站等。

樂清站站前高架采用圓形截面,在方案比選時曾設計過蓋梁、折線形和圓弧形橋墩 3種方案,如圖7所示。

圖7 樂清站站前高架橋橋墩方案比選

考慮到板梁梁高較小,采用大體積的蓋梁方案不適應簡潔美觀的整體要求。在比較折線倒圓角和圓弧線方案之后,最終確定了體現柔美優雅風格的花瓶形擴口墩。為保持一致,所有墩均采用此種形式,以此創造出輕盈優美的橋下空間。

廣州站站前高架橋采用長圓形截面的花瓶形橋墩,墩頂擴大段采用曲線,配合上部鋼箱梁,給人以堅定穩重的力量感(圖8)。

南京站站前高架橋,橋墩的寬度和上部結構比例相適應,花瓶式的橋墩也能與上部月牙形的主梁相協調,整體造型不會有頭重腳輕的不安全感。橋墩在正面和側面顯得相對厚重,能夠很好的體現下部結構的穩定感。同時在局部進行了切削角處理,從而避免了過于追求穩定感而帶來的壓抑(圖9)。

圖9 南京站站前高架橋橋墩方案

在橋墩造型上還增加了表面裝飾線。橋墩表面的裝飾線條能引導視線,強化方向感,產生挺拔效果;同時裝飾線也起到分隔作用,將大塊混凝土化整為零,改善了刻板的表面。裝飾線的造型上兼顧了直線的剛勁和斜線曲線的動感,其實景見圖10。

圖10 南京站站前高架橋橋墩實景

另外,橋下燈光效果也是橋下環境美化的重要方面,在設計中應予以考慮。如南京站站前高架橋采用白色向上射燈照射橋墩,與周邊環境相配合,體現橋梁的現代感。

7 排水設施構造細節設計

站前高架橋屬于城市橋梁,下雨和融雪時水的滲漏和排放不當是導致其功能性損失、美觀性缺失的重要原因。設計時,排水導流設施的細節構造是需要得到重視的。

武漢站站前高架橋,橋面設置橫坡匯水,通過頂板排水管進入箱室內的縱向排水管,在橋臺處通過排水管排出,在橋墩處通過埋設在墩中的排水管將積水排放到雨水井中。其布置方式見圖11、圖12。

為防止雨水在箱梁懸臂底部順流而下破壞橋梁美感,特設置圓形凹陷將雨水阻斷,見圖13。

武漢站站前高架橋還額外承受了雨棚柱荷載,雨水從柱內管道流動至墩內配水管道,其構造形式見圖14。

圖11 武漢站站前高架橋排水管立面布置

圖13 武漢站站前高架橋懸臂底部阻水結構示意

圖14 武漢站站前高架橋雨棚柱結構示意

樂清站站前高架橋的設計中,除設置排水設施外,在橋梁與二層站房相接處設置排水凹槽,防止雨水從站橋間滲滴到橋下,見圖15。

圖15 樂清站站前高架橋排水管示意

8 橋梁上部照明設計

火車站站前高架橋設計時還要考慮是否設置照明設施。照明的方式有橋上燈桿照明、防撞墻嵌入式照明和廣場燈塔照明等形式。武漢站在遠離火車站站臺的部分一側設置橋上燈桿照明,見圖16。

圖16 武漢站站前高架橋燈桿照明示意

另一側設置防撞墻嵌入式燈光,在注重實用的同時,也給人以現代感,見圖17。

圖17 武漢站站前高架橋嵌入式照明示意

9 結語

火車站站前高架橋設計有如下特點:在橋跨布置方面,要和車站站房基礎和門窗相協調,并避開地鐵、隧道和公路等線路;截面的選擇上,著重體現美學特征,采用較小的梁高或月牙形截面可給人纖細輕盈的美感,設置牛腿和帽梁可使橋梁線形平順;某些匝道橋可能會采用超小半徑,需要進行特殊設計;橋墩造型尤其重要,花瓶形橋墩是可以參考的方案;排水設施和上部照明等構造細節也要引起重視。

[1] 閆 斌.新建火車站站前高架橋結構形式比較研究[C].第十九屆全國橋梁學術會議論文集,2010.

[2] 廣州鐵路新客站地區市政道路及附屬工程[Z].2009.

[3] 樂清站前高架橋.甬臺溫鐵路新建工程施工圖[Z].2009.

[4] 新建武漢站工程車站建筑施工圖設計[Z].2009.

[5] 曾 敏.小半徑曲線梁橋地震響應分析及減隔震研究[D].中南大學:碩士學位論文,2009:25-80.

[6] 王心聯.南京火車站站前高架橋結構選型與設計研究[D].同濟大學:碩士學位論文,2007:9-66.

[7] 陸 煒.深圳火車站高架橋的總體設計[J].鐵道標準設計,1998(6):10-11.

[8] 施順濤.展翅梁在深圳火車站高架橋中的應用[J].鐵道標準設計,1994(3):21-23.