鐵路站房減隔震技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀評(píng)述

潘 毅，宋佳雨，楊 龍，陳 鵬，申 允

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

鐵路站房作為鐵路網(wǎng)的重要組成部分，是綜合交通體系的重要節(jié)點(diǎn)［1-2］。一旦發(fā)生強(qiáng)烈地震，站房出現(xiàn)較大的破壞，運(yùn)輸功能中斷，不僅會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。1995年日本阪神7.2 級(jí)地震，造成甲陽站站房損壞，損失達(dá)660 億日元。1999年臺(tái)灣集集7.6 級(jí)地震，造成集集站站房嚴(yán)重傾斜。2008年汶川8.0 級(jí)地震，造成寶成鐵路沿線的江油站、德陽站、廣元站等站房主體結(jié)構(gòu)損壞，綿陽站站房的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重受損，站房重建期間旅客只能在臨時(shí)候車棚中候車。2021年日本福島7.3 級(jí)地震，造成福島站等站房裝修材料破損，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，鐵路線運(yùn)營中斷。因此，保證鐵路站房具有良好的抗震性能尤為重要［3］。

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法，主要通過增加結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度去抵抗地震作用，能一定程度上保證結(jié)構(gòu)的安全，但在高烈度地震設(shè)防地區(qū)，這種方法會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件截面過大，進(jìn)一步增大地震作用，并影響其使用功能和經(jīng)濟(jì)性，也無法有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)備和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等［4-5］。由于鐵路網(wǎng)規(guī)劃等原因，我國鐵路往往需穿越地震斷層，導(dǎo)致某些站房修建在高烈度區(qū)，個(gè)別站房臨近地震斷層。尤其是我國西南部地區(qū)鐵路穿越多個(gè)地震斷層，如康定站、理塘站等站房的設(shè)防烈度均在8度及以上［6］。

為了提高工程結(jié)構(gòu)抵御地震的能力，減隔震技術(shù)作為一種有效方法被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中［7-9］。減震技術(shù)可以調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度、控制層間位移，耗散地震輸入的能量［10-12］。隔震技術(shù)能夠延長結(jié)構(gòu)的自振周期，降低上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用［13-15］。例如，西安國際會(huì)議中心、北京大興國際機(jī)場和港珠澳大橋等均成功應(yīng)用減隔震技術(shù)。與民用建筑、橋梁相比，鐵路站房采用減隔震技術(shù)的工程還不多，開展的研究也處于起步階段。趙帥［16］分析了大型站房采用防屈曲支撐進(jìn)行減震的可行性。國巍等［17］建立多自由度數(shù)值分析模型，對站房結(jié)構(gòu)的層間隔震可行性和優(yōu)化策略進(jìn)行了研究。唐虎［18］對比了不同減隔震設(shè)計(jì)方案對某站房結(jié)構(gòu)抗震性能的提高程度。然而，上述研究主要聚焦于某個(gè)具體站房，缺乏對站房結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性研究，其普適性有待商榷。

為推動(dòng)減隔震技術(shù)在鐵路站房結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，本文通過梳理站房的分類和特點(diǎn)，比較不同規(guī)模站房的自振周期，介紹站房減隔技術(shù)應(yīng)用的工程案例，提出站房減隔震部件的布置位置，并探討目前站房減隔震技術(shù)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。

1 站房結(jié)構(gòu)分類

依據(jù)站房與線路的相互關(guān)系不同，鐵路站房可分為線側(cè)式、線端式、線下式和線上式4種基本類型［2］。同時(shí)，依據(jù)站房與廣場的地形高差，線側(cè)式和線端式又可分為平式、上式和下式3 個(gè)亞類［19］。隨著鐵路站房的發(fā)展，上述幾種站房型式也可能互相組合，同時(shí)出現(xiàn)于1個(gè)鐵路站房中，產(chǎn)生新型的綜合式站房。鐵路站房分類見表1。

2 鐵路站房特點(diǎn)

鐵路站房整體建筑外形常與當(dāng)?shù)貧v史、人文等特征相結(jié)合，內(nèi)部空間利用率高，人員密集［20］。站房結(jié)構(gòu)主要由候車層和屋面層構(gòu)成，部分大型或特大型站房還設(shè)置有承軌層、出站層及地鐵層，各層建筑功能特色明顯，同層的建筑分區(qū)較多，公共區(qū)域采用開敞空間布局，有效地保證了旅客流線順暢有序［21-22］。

候車層是旅客集散的主要場所。該層一般采用大跨度框架結(jié)構(gòu)，其框架梁多采用混凝土、型鋼、桁架、組合梁或預(yù)應(yīng)力梁等，框架柱多采用鋼骨、鋼管或型鋼混凝土柱等。為了營造寬敞通透的候車環(huán)境，線上式站房候車層的支承柱一般布置于列車軌道間，并盡量與下部承軌層支承柱的位置相對應(yīng)。此外，部分站房的候車層還設(shè)置有夾層，用于生產(chǎn)和商業(yè)［23］。

屋面層位于站房建筑的最上部，其建筑造型多樣。該層一般采用大跨度空間結(jié)構(gòu)，如桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼/網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、索殼/索拱結(jié)構(gòu)等。屋面層雖然具有阻尼小、柔性大、質(zhì)量輕、整體剛度好等優(yōu)點(diǎn)［24］，但也具有密集分布的固有頻率和復(fù)雜的振型，存在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性復(fù)雜、水平變形大、空間性強(qiáng)、自我恢復(fù)能力差等問題［25-26］。

承軌層是列車運(yùn)行和旅客上下車的樓層，不僅承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，還承受著列車和行人荷載。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，承軌層可分為框架式、框架-梁橋式及框架-軌道式。框架式用建筑構(gòu)件完全取代了橋梁構(gòu)件，軌道梁作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分直接支承于建筑構(gòu)件上，整體現(xiàn)澆成1個(gè)框架結(jié)構(gòu)體系。框架-梁橋式先建成下部橋梁結(jié)構(gòu)，再以橋墩或軌道梁為支承點(diǎn)建立上部建筑結(jié)構(gòu)?？蚣?軌道式先建成框架結(jié)構(gòu)，之后將框架結(jié)構(gòu)作為上部建筑的支承點(diǎn)，通過橋梁支座在上部建立軌道梁結(jié)構(gòu)［27］。

鐵路站房結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，多采用大跨度組合結(jié)構(gòu)，平面布置復(fù)雜，夾層和錯(cuò)層較多，柱網(wǎng)尺寸大，樓板局部不連續(xù)，豎向剛度分布不均勻。同時(shí)，鐵路站房人員密集，部分站房還需要承擔(dān)密集的列車等荷載，整體體系受力和傳力復(fù)雜［28］。

施工準(zhǔn)備階段的技術(shù)準(zhǔn)備工作能夠?yàn)槭┕?chuàng)造有利的條件，以達(dá)到施工任務(wù)的順利進(jìn)行。施工準(zhǔn)備階段的技術(shù)管理工作的內(nèi)容及基本任務(wù)是為了分析建設(shè)工程特點(diǎn)、進(jìn)度和要求，摸清施工的客觀條件，編制施工組織設(shè)計(jì)并制定合理的施工方案，從而及時(shí)地從技術(shù)、物資、人力和組織上為工程施工創(chuàng)造一切必要的條件，保證施工過程的連續(xù)均衡進(jìn)行，保證工程在規(guī)定的工期內(nèi)交付使用，所以施工的組織指導(dǎo)工程項(xiàng)目應(yīng)加強(qiáng)施工組織設(shè)計(jì)的編制組織工作，明確對參加編寫的人員的分工，做到責(zé)任到人，最后匯總和修改定稿，以此達(dá)到施工組織設(shè)計(jì)在編制依據(jù)，編寫格式和基本內(nèi)容上的統(tǒng)計(jì)，最終實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化的管理。

3 站房結(jié)構(gòu)自振周期

依據(jù)TB 10100—2018《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》，鐵路站房規(guī)?？煞譃樾⌒汀⒅行?、大型及特大型站房［29］，見表2。

表2 鐵路站房的規(guī)模

根據(jù)鐵路站房的規(guī)模大小，選取了27 個(gè)典型站房，并統(tǒng)計(jì)其前3 階自振周期，見表3。表中：T1為X軸平動(dòng)周期，T2為Y軸平動(dòng)周期，T3為扭轉(zhuǎn)周期；站房①—?由中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)，站房?—來自參考文獻(xiàn)［30-38］。

根據(jù)29 個(gè)站房的設(shè)計(jì)信息，不同規(guī)模的站房T1分布情況如圖1所示，圖中Sa為譜加速度。

圖1 不同規(guī)模的站房T1周期分布

由表3和圖1可知：各類站房結(jié)構(gòu)周期的方差較小，表明本文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較為合理，具有代表性；隨著站房規(guī)模的增大，其前3 階自振周期逐漸增大；小中型站房結(jié)構(gòu)的T1較短，小型站房約為0.6 s，中型站房約為0.7 s，一般處于抗震設(shè)計(jì)譜曲線下降段的前段；大型和特大站房結(jié)構(gòu)的T1較長，約為1.2 s；個(gè)別站房結(jié)構(gòu)的T1甚至超過2.0 s，一般處于抗震設(shè)計(jì)譜曲線下降段的后段，這是由于站房規(guī)模增大后，候車層柱網(wǎng)尺寸增大，結(jié)構(gòu)層高更高，整體剛度減小，結(jié)構(gòu)體系偏柔。

表3 不同規(guī)模的站房結(jié)構(gòu)自振周期

4 站房減隔震案例

4.1 減震案例

鐵路站房應(yīng)用減震技術(shù)的典型工程案例見表4，表中BRB 為防屈曲支撐（Bucking-Restrained Brace）型減震部件。

表4 采用減震技術(shù)的典型案例

北京站為線側(cè)平式站房，設(shè)計(jì)之初采用1977年蘇聯(lián)《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，大體相當(dāng)于7 度設(shè)防；后于1998年按照我國GBJ 11—1989《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中8 度（0.2g）進(jìn)行抗震加固［39］。由于車站廣廳底層的邊角柱縱筋偏少，且梁柱節(jié)點(diǎn)的箍筋不能滿足規(guī)范要求，故在廣廳的填充墻和窗戶處設(shè)置黏滯阻尼器進(jìn)行加固。該站房實(shí)景和BRB布置如圖2所示。

圖2 北京站廣廳阻尼器布置（單位：mm）

重慶西站為線上式站房，抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組為第1 組。為提高大跨度拱桁架向下部框架傳遞荷載的效率，在站房端部拱腳處設(shè)置BRB 分擔(dān)框架部分的荷載，以保證框架結(jié)構(gòu)的安全性能［40］。該站房實(shí)景和BRB 布置如圖3所示。

圖3 重慶西站站房BRB布置（單位：mm）

上海虹橋站為線上式站房，抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），設(shè)計(jì)地震分組為第1組。由于建筑形式和功能布局，站房第1 層的9 根柱到第2 層被抽掉了4 根，導(dǎo)致第2 層形成了明顯的薄弱層，層間位移不滿足抗震規(guī)范要求［41］。為調(diào)整層剛度，在第2層布置了BRB。該站房實(shí)景和BRB 布置如圖4所示。

圖4 上海虹橋站站房BRB布置（單位：mm）

青島北站為線上式站房，抗震設(shè)防烈度為7 度（0.1g），設(shè)計(jì)地震分組為第2 組。為使西廣廳層間位移角滿足抗震規(guī)范限值要求［42］，在不增大原有框架柱截面基礎(chǔ)上，布置BRB 來減少層間位移。該站房實(shí)景和BRB布置如圖5所示。

圖5 青島北站站房BRB布置（單位：mm）

沈陽南站為線上式站房，抗震設(shè)防烈度為7 度（0.1g），設(shè)計(jì)地震分組為第1 組。由于站房局部凹進(jìn)或凸出，導(dǎo)致建筑局部層高變化較大，引起結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻［16］。因此，在站房中設(shè)置BRB 調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，減小剛度突變。該站房實(shí)景和BRB布置如圖6所示。

圖6 沈陽南站站房BRB布置（單位：mm）

4.2 隔震案例

鐵路站房中應(yīng)用隔震技術(shù)的典型工程案例統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 采用隔震技術(shù)的站房案例

丸之內(nèi)車站為線側(cè)下式站房，位于日本愛知縣名古屋市中區(qū)丸之內(nèi)二丁目。該站始建于1914年，由于戰(zhàn)爭、火災(zāi)等因素，站房遭受了嚴(yán)重破壞，柱子被截去一半。為解決地上空間不足和車站附近地鐵振動(dòng)的不利影響，擴(kuò)建2 層地下室，并增加隔震層，共布置350 個(gè)橡膠隔震支座與160 個(gè)油阻尼器［43-44］，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。隔震支座和阻尼器布置如圖7所示。

圖7 丸之內(nèi)火車站隔震支座和阻尼器布置

新疆庫爾勒站為線側(cè)下式站房，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組為第2 組。為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，在站房中設(shè)計(jì)了隔震層，布置了Ⅱ型隔震支座，使得上部結(jié)構(gòu)地震作用降低1度。該站房實(shí)景和隔震支座的平面布置如圖8所示。圖中：LRB 為鉛芯橡膠支座；LNR 為天然橡膠支座；ESB 為彈性滑板支座；支座型號(hào)中的數(shù)字代表其直徑，如LRB800 為直徑為800 mm 的鉛芯橡膠支座。

圖8 庫爾勒站隔震支座布置（單位：mm）

5 站房減隔震部件的布置

5.1 消能減震部件的布置

通過站房減震案例可知，目前鐵路站房使用的消能減震部件主要為BRB 和黏滯阻尼器。使用減震技術(shù)需先要滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［45］和JGJ 297—2013《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》［46］減震設(shè)計(jì)的要求。

不同類型站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有所不同，消能減震部件設(shè)置的位置也有所差異［47-49］，詳見表6。

由表6可知，對于線側(cè)式和線端式站房，消能減震部件多設(shè)置于站房候車層，可以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耗能能力；對于線上式、線下式和綜合式站房，消能減震部件多設(shè)置于站房候車層及候車層的夾層，可以有效地調(diào)整站房結(jié)構(gòu)剛度，控制層間位移。

表6 不同類型站房BRB、黏滯阻尼器等減震部件的布置

此外，消能減震部件一般設(shè)置于結(jié)構(gòu)的邊跨，以保證站房公共區(qū)的空間布局開敞，使用功能和旅客流線不受影響。

5.2 隔震層的布置

通過站房隔震案例可知，隔震技術(shù)的應(yīng)用可有效降低上部結(jié)構(gòu)地震作用，但需設(shè)置隔震層，會(huì)增加一定的建設(shè)成本。大部分鐵路站房結(jié)構(gòu)高寬比小于1，隔震支座主要為疊層橡膠支座，具有較大的抗壓剛度和較小的剪切剛度，可以滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［45］和GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［50］中隔震支座性能的要求。不同類型站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有所不同，天然橡膠、鉛芯橡膠等隔震支座的布置也有所差異［51-53］，詳見表7。

表7 不同類型站房隔震層的布置

對于線側(cè)式和線端式站房，其站房結(jié)構(gòu)和鐵路線路相對分離。當(dāng)抗震設(shè)防較高時(shí)，可采用基礎(chǔ)隔震提高其整體抗震性能，控制結(jié)構(gòu)損傷。對于線上式和綜合式站房，當(dāng)站房承受列車荷載時(shí)，可采用隔震技術(shù)來減少其地震作用，但受限于軌道位置，隔震層需要設(shè)置于承軌層上。當(dāng)站房不承受列車荷載時(shí)，采取合理的構(gòu)造措施后，可以使用隔震技術(shù)來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。對于線下式站房，當(dāng)站房承受列車荷載時(shí)，由于無法設(shè)置隔震溝，難以采用隔震技術(shù)。當(dāng)站房不承受列車荷載時(shí)，在采取合理的構(gòu)造措施后，也可以使用隔震技術(shù)來提高站房結(jié)構(gòu)的抗震性能。

對于自振周期超過2.0 s 的鐵路站房結(jié)構(gòu)，不宜使用隔震技術(shù)。這是由于隔震技術(shù)主要是通過延長結(jié)構(gòu)自振周期來降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用力，這類站房結(jié)構(gòu)自振周期較長，一般處于抗震設(shè)計(jì)譜曲線下降段的后段，通過隔震技術(shù)將其周期延長，上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用下降有限，隔震效果不明顯。

6 有待解決的問題及建議

1）站房減隔震裝置性能

減隔震裝置在高寒高烈度地區(qū)鐵路站房中應(yīng)用時(shí)，與常溫下的性能存在差異。低溫會(huì)造成橡膠支座的水平剛度增加，等效阻尼比減小，還會(huì)造成橡膠和鋼板產(chǎn)生不同程度的硬化，使橡膠支座的力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的脆性［54］。同時(shí)，低溫還會(huì)使減震部件的摩擦系數(shù)減小，耗能能力減弱。建議加強(qiáng)低溫下減隔震裝置力學(xué)性能和保溫措施的研究，為減隔震裝置在高寒高烈度區(qū)鐵路站房中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2）站房減隔震設(shè)計(jì)方法

近斷層區(qū)鐵路站房的減隔震設(shè)計(jì)面臨技術(shù)難題。由于近斷層地震動(dòng)速度脈沖強(qiáng)、長周期成分多，站房減隔震效果受到影響。同時(shí)，在近斷層水平地震作用下，隔震層可能產(chǎn)生較大位移，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)和隔震溝發(fā)生剛性碰撞［55-56］；在近斷層豎向地震作用下，結(jié)構(gòu)的隔震支座還可能受拉破壞［57-58］。因此，建議加強(qiáng)近斷層區(qū)鐵路站房減隔震設(shè)計(jì)方法的研究，比較站房隔震、減震和抗震的設(shè)計(jì)方案，以確定最適宜的設(shè)計(jì)方案，以保證站房的安全。

3）站房減隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路站房的減隔震設(shè)計(jì)缺乏針對性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。盡管民用建筑已經(jīng)有比較成熟的減隔震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于站房的建筑形式、重要程度、功能布局及荷載激勵(lì)等因素有別于普通民用建筑。因此建議針對站房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定適合于鐵路站房的減隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4）站房減隔震運(yùn)維管理方法

鐵路站房的減隔震設(shè)計(jì)與運(yùn)維管理存在脫節(jié)。在地震的時(shí)候，減隔震站房要真正發(fā)揮作用，離不開平時(shí)對站房的隔震構(gòu)造、減隔震裝置等維護(hù)和管理［59］。由于鐵路站房的功能需求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)營條件與普通建筑結(jié)構(gòu)不同，宜建立一套適合于減隔震站房的運(yùn)維管理方法。

5）站房減隔震韌性評(píng)價(jià)

采用減隔震技術(shù)的鐵路站房韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還有待研究。盡管國內(nèi)外對普通建筑已有抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［60］，但鐵路站房作為生命線工程，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)不能直接用于鐵路站房的韌性評(píng)價(jià)，更無法定量的評(píng)估減隔震技術(shù)對鐵路站房韌性的提高程度。建議開展采用減隔震技術(shù)的鐵路站房韌性評(píng)價(jià)研究。

7 結(jié) 語

本文總結(jié)了鐵路站房的典型分類、特點(diǎn)及不同規(guī)模站房的自振周期，介紹了減隔震技術(shù)在國內(nèi)外站房中應(yīng)用的工程案例，提出了不同類型站房中減隔震部件的布置位置，并分析了其布置的原因，探討了目前站房減隔震技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，并給出針對性的建議，為后續(xù)站房減隔震技術(shù)的應(yīng)用指明了思路和方向。

減隔震技術(shù)在鐵路站房中的應(yīng)用有利于提高站房結(jié)構(gòu)的抗震性能，但目前還面臨著諸多挑戰(zhàn)，未來仍需要深入開展研究以推動(dòng)減隔震技術(shù)在鐵路站房中的應(yīng)用。