鐵路房屋建筑抗震設(shè)計(jì)淺談

郭占月

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430063)

1 鐵路房屋建筑發(fā)展及抗震設(shè)計(jì)的重要性

我國鐵路的發(fā)展經(jīng)歷了上百年的歷史。計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代,物資的調(diào)配是國家鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕?其中房屋建筑的主要功能被定位為鐵路建設(shè)的配套部分。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,迎來了鐵路發(fā)展的新時(shí)代,鐵道部適時(shí)提出了“以人為本、服務(wù)運(yùn)輸、強(qiáng)本簡末、系統(tǒng)優(yōu)化、著眼未來”的建設(shè)理念。鐵路房屋建筑在滿足鐵路運(yùn)輸基本功能的前提下,引進(jìn)了更多的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念及建設(shè)手段。新的鐵路房屋布局改變了傳統(tǒng)零碎封閉的室內(nèi)空間；無站臺(tái)柱雨棚概念的提出改變了長期以來站房、站場、跨線設(shè)施條塊分割的局面；各種不同的交通形式在車站內(nèi)部被組織到不同的層面,形成立體的交通樞紐；高架候車室與站臺(tái)及雨棚相結(jié)合,形成了全新的車站體系。鐵路建筑零散、單一的模式,正逐步被各種能夠適應(yīng)未來發(fā)展的功能合理、設(shè)計(jì)新穎的站棚場一體化的設(shè)計(jì)所取代,舒適開敞、新穎美觀的新型鐵路交通建筑將給城市帶來全新的建筑風(fēng)貌。

新型鐵路交通建筑由傳統(tǒng)功能相對(duì)單一、布置零散的規(guī)則建筑,向功能強(qiáng)大、系統(tǒng)復(fù)雜、造型多變的綜合交通建筑轉(zhuǎn)變的同時(shí),也給其建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造帶來難題和挑戰(zhàn)。一些建筑造型片面強(qiáng)調(diào)城市文化和形象標(biāo)志,而一味追求建筑空間的震撼或造型的標(biāo)新立異,忽略結(jié)構(gòu)的合理性,多數(shù)情況下對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是很不利的。因此，在鐵路交通房屋建筑的建設(shè)過程中,應(yīng)比過去更加重視結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)問題。

2 抗震概念設(shè)計(jì)與建筑結(jié)構(gòu)方案

要做好鐵路房屋抗震設(shè)計(jì)工作,僅僅依靠結(jié)構(gòu)工程師的努力是不夠的。實(shí)際上要保證一個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目的抗震安全,將涉及到工程的前期規(guī)劃選址、巖土勘察、建筑方案論證、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和分析、施工質(zhì)量的保證以及運(yùn)營使用單位合理的維護(hù)保養(yǎng)等方方面面。當(dāng)然，抗震設(shè)計(jì)是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),但是任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤和疏忽,都將影響抗震工程的基本質(zhì)量控制,甚至?xí)榇烁冻鼍薮蟮拇鷥r(jià)。

災(zāi)害調(diào)查和分析資料表明，歷史上各次大地震對(duì)建筑的損毀情況各有差異,甚至同一地區(qū)、同一次地震、同類建筑物的破壞方式及破壞程度也并不完全相同。這一方面源于場地條件、建筑結(jié)構(gòu)等一些綜合因素,另一方面也源于地震本身的復(fù)雜性。人類在不斷的研究和震害經(jīng)驗(yàn)積累中,發(fā)展和完善了抗震、防災(zāi)理論。從邢臺(tái)地震后提出的“基礎(chǔ)深一點(diǎn)、墻壁厚一點(diǎn)、屋頂輕一點(diǎn)”的概念,到唐山地震后創(chuàng)造的磚房加“構(gòu)造柱圈梁”技術(shù),直到今天的“小震不壞,中震可修,大震不倒”的“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防理論,中國工程抗震設(shè)計(jì)理論以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都在不斷得到改進(jìn)和完善。但是，現(xiàn)階段對(duì)地震規(guī)律性的認(rèn)識(shí)還很不足,抗震理論還遠(yuǎn)未達(dá)到科學(xué)、嚴(yán)密的程度,單靠計(jì)算很難使建筑具有良好的抗震能力。

從震害情況來看，簡單、對(duì)稱的建筑在地震時(shí)較不容易被破壞。其原因很清楚,簡明、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)容易估計(jì)其地震時(shí)的反應(yīng),而且容易采取抗震構(gòu)造措施并進(jìn)行細(xì)部處理。因此，對(duì)于建筑總體抗震能力的概念設(shè)計(jì)應(yīng)該受到重視?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。尤其對(duì)于一些難以作出精確理性分析或難以規(guī)定的問題,應(yīng)運(yùn)用概念性近似估算方法,同時(shí)根據(jù)建筑的整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害和工程經(jīng)驗(yàn)等,從整體的角度來把握建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施,從而迅速、有效地對(duì)建筑方案進(jìn)行分析、比較和選擇。

對(duì)于鐵路房屋的建設(shè),要做好抗震安全設(shè)計(jì)工作,應(yīng)強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)的源頭——方案設(shè)計(jì)階段就充分重視建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì),建筑方案的確定應(yīng)充分重視結(jié)構(gòu)的抗震要求,盡可能避免選用先天缺陷和隱患的建筑設(shè)計(jì)方案,而不是寄希望于后期采取一些非常的抗震措施來補(bǔ)救,從而造成經(jīng)濟(jì)上的不合理性。房屋建筑方案應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的規(guī)則性、合理性、經(jīng)濟(jì)性,以體現(xiàn)我國建筑行業(yè)“適用、經(jīng)濟(jì)、在可能條件下注意美觀”的設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)師要與建筑師充分溝通,盡可能使房間平面布局均勻,避免過多錯(cuò)層和大的開洞；在滿足建筑室內(nèi)空間要求的前提下,確定經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)跨度,避免不顧結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性而一味地追求大跨度甚至雙向的大跨度。

房屋建筑方案設(shè)計(jì)階段還應(yīng)確定合理的抗震結(jié)構(gòu)體系,這是抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的最關(guān)鍵問題。地震動(dòng)的不確定性和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的復(fù)雜性要求鐵路客站結(jié)構(gòu)符合“簡明”要求,即抗震結(jié)構(gòu)體系要求受力明確、傳力合理且路線不間斷,使結(jié)構(gòu)的抗震分析更符合結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的實(shí)際表現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)體系也應(yīng)具有多道抗震防線，應(yīng)避免豎向強(qiáng)度與剛度突變，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有整體性和良好的吸能能力。這些都是鐵路房屋尤其是鐵路客站和鐵路電信房屋在方案階段必須考慮的問題,而在方案的確定時(shí)應(yīng)從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等條件等方面綜合決策。

3 鐵路房屋建設(shè)中應(yīng)關(guān)注的問題和建議

3.1 有關(guān)鐵路房屋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的問題

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是衡量抗震設(shè)防要求的尺度,它與國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、對(duì)地震學(xué)科的研究及對(duì)歷次地震的認(rèn)識(shí)有很大關(guān)系,由抗震設(shè)防烈度和建筑使用功能的重要性確定,同時(shí)受到科學(xué)技術(shù)和國家抗震設(shè)防政策兩方面的制約。目前我國采取“雙軌制”,一般情況下抗震設(shè)防烈度可采用中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖的地震基本烈度,對(duì)已編制抗震設(shè)防區(qū)劃的城市,可按批準(zhǔn)的抗震設(shè)防烈度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)防。

汶川地震以來,國家對(duì)有關(guān)抗震標(biāo)準(zhǔn)行進(jìn)了修編,《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008),《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)等都從抗震的角度,按建筑的重要性對(duì)鐵路交通建筑進(jìn)行了分類。結(jié)合鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥馇闆r,通常需考慮提高為乙類建筑的主要是五所一室(調(diào)度、電話、通信信號(hào)、配電、給水所,行車室)等與鐵路運(yùn)營密切相關(guān)的工藝房屋和大型候車室(6000人規(guī)模)。由于考慮站區(qū)的整體規(guī)劃和節(jié)約用地等因素,經(jīng)常會(huì)遇到將五所一室等與鐵路運(yùn)營密切相關(guān)的工藝房屋并入站房中一并設(shè)計(jì)的情況,此時(shí)至少對(duì)于并入上述工藝房屋的結(jié)構(gòu)單元其抗震設(shè)防類別應(yīng)提高為乙類。

近年來，鐵路車站的建設(shè)模式發(fā)生了很大變化。鐵路客站的功能除了滿足傳統(tǒng)的旅客發(fā)送外,往往還需完成不同交通工具的換乘以及為了滿足旅客需要的一些商業(yè)功能；還有地方城市出于發(fā)展和城市形象的考慮,往往與鐵路共同投資,使得鐵路車站的建設(shè)規(guī)模有所變化；站棚場一體化等設(shè)計(jì)理念的出現(xiàn),實(shí)質(zhì)上也使鐵路車站的規(guī)模有所變化。無站臺(tái)柱雨棚作為線間立柱的跨線建筑,根據(jù)抗震設(shè)防類別劃分的基本原則,其發(fā)生地震損壞的后果也是不可忽視的。因此，在新型鐵路客站的建設(shè)中,按照傳統(tǒng)的最高聚集人數(shù)的方法來劃分鐵路客站的規(guī)模,進(jìn)而確定其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的做法是否科學(xué)是值得進(jìn)一步商榷。同時(shí)對(duì)于抗震設(shè)防區(qū)的特大型鐵路客站,鑒于其發(fā)生地震損毀災(zāi)害后的嚴(yán)重后果,建議應(yīng)開展地震安全性評(píng)價(jià)工作,并根據(jù)安評(píng)結(jié)果,確定抗震設(shè)防要求。

3.2 合理站房與雨棚結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系

在鐵路站房的建設(shè)中另一個(gè)需要引起重視的是要處理好站房與雨棚結(jié)構(gòu)的關(guān)系。由于整體規(guī)劃和建筑功能的不同,站房與雨棚建筑體量、高度和長度以及結(jié)構(gòu)體系有很大的差別,兩者的剛度、變形能力不盡相同,而建筑師多從使用和美觀角度希望站房和雨棚共柱以達(dá)到渾然天成的效果。從抗震概念設(shè)計(jì)角度出發(fā),兩個(gè)截然不同的結(jié)構(gòu)體系,既然兩者的剛度、變形能力差別都很大,雙方協(xié)調(diào)工作困難。為了保證結(jié)構(gòu)的規(guī)則和體系的完整性以及傳力的明確性,雨棚與站房結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮脫開,至少水平方向應(yīng)該如此考慮,這對(duì)于抗震設(shè)防區(qū)的建筑尤其重。解決方案有兩種，一種是當(dāng)站場基本站臺(tái)與二站臺(tái)之間的軌道間有條件設(shè)置雨棚柱,同時(shí)基本站臺(tái)的寬度又不是很大時(shí),可以考慮雨棚從一二站臺(tái)間立柱上懸挑,以實(shí)現(xiàn)雨棚與站房建筑上的銜接和基本站臺(tái)面上無柱。這種處理方法通常在線側(cè)式的中型站上可以取得良好效果。在大型站房中,基本站臺(tái)往往寬度較大,達(dá)到20 m或者更大,上述的處理方法由于懸挑過大,將會(huì)使結(jié)構(gòu)變得不合理和不經(jīng)濟(jì)。此時(shí)可以將雨棚柱立于站房靠近站場一側(cè),再通過裝飾手段將雨棚柱進(jìn)行修飾,使雨棚柱從建筑效果上來看與站房形成整體。圖1是采用第二種手法處理的武昌站雨棚與站房。

圖1 武昌站雨棚與站房

3.3 提高鐵路房屋的抗震性能

近年來，一些中型站房大量采用單跨的結(jié)構(gòu)形式,我們認(rèn)為在抗震設(shè)防區(qū)是不宜推廣的。即應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成,并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來協(xié)同工作,結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度,以使結(jié)構(gòu)具有一定的吸收和耗散地震能量的能力。這一觀點(diǎn)得以在近其發(fā)布實(shí)施的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)認(rèn)可,規(guī)范規(guī)定抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有多道抗震防線,而且對(duì)單跨框架結(jié)構(gòu)做了明確的限定。1999年臺(tái)灣地震中單跨框架震害嚴(yán)重,如圖2是一個(gè)單跨建筑在地震中倒塌破壞的情況。因此，對(duì)于地震區(qū)的站房建筑方案,盡可能避免采用單跨的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 單跨框架震害

3.4 鐵路房屋建筑綜合防災(zāi)能力的提高

除上述情況以外,作為一種公共交通建筑,鐵路運(yùn)輸房屋除了應(yīng)具有科學(xué)、合理的抵御地震災(zāi)害的能力,

也需提高其抵抗各種突發(fā)性自然災(zāi)害和突發(fā)性事件的能力。以往的設(shè)計(jì)中存在片面追求建筑效果,而忽視一些突發(fā)性事件對(duì)結(jié)構(gòu)影響的傾向,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備小,對(duì)于人員密集的鐵路車站來說是欠妥的。比如說近年來氣候異常,曾經(jīng)出現(xiàn)一些大范圍的超出設(shè)計(jì)允許的特殊氣候(特大雪災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等)的情況,一些大跨結(jié)構(gòu)、大懸挑結(jié)構(gòu)、開敞的無站臺(tái)柱雨棚,特別是一些單邊的大懸挑結(jié)構(gòu)(其結(jié)構(gòu)本身是不合理的)對(duì)于這些偶然性突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力是有限的。應(yīng)該進(jìn)一步加大對(duì)特大自然災(zāi)害和突發(fā)事件下鐵路車站安全性及應(yīng)對(duì)措施的研究，一方面有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)上應(yīng)有所考慮,另一方面使用運(yùn)營單位也應(yīng)研究采取一些應(yīng)對(duì)措施和預(yù)案,在經(jīng)濟(jì)許可的前提下提高房屋建筑的綜合抗災(zāi)能力。新版的《鐵路旅客車站建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50226—2007)已經(jīng)注意到正線側(cè)立柱的隱患,并且明確規(guī)定鐵路正線兩側(cè)不得設(shè)置雨棚立柱,同時(shí)對(duì)于線間立柱的情況,也有待完善有關(guān)的安全規(guī)定和必要措施。

[1]GB50226—2007 鐵路旅客車站建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]GB50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]GB50223—2008 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S]

[4]GB50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(統(tǒng)一培訓(xùn)教材)[S]

[5]CECS160：2004 建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則(試用)[S]

[6]潘國華.無站臺(tái)柱雨棚設(shè)計(jì)中若干問題的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(6)：113-117