鐵路房屋建筑抗震設計淺談

郭占月

(武漢鐵路職業技術學院，湖北武漢 430063)

1 鐵路房屋建筑發展及抗震設計的重要性

我國鐵路的發展經歷了上百年的歷史。計劃經濟時代,物資的調配是國家鐵路運輸的主要要求,其中房屋建筑的主要功能被定位為鐵路建設的配套部分。隨著我國經濟的快速發展,迎來了鐵路發展的新時代,鐵道部適時提出了“以人為本、服務運輸、強本簡末、系統優化、著眼未來”的建設理念。鐵路房屋建筑在滿足鐵路運輸基本功能的前提下,引進了更多的先進設計理念及建設手段。新的鐵路房屋布局改變了傳統零碎封閉的室內空間；無站臺柱雨棚概念的提出改變了長期以來站房、站場、跨線設施條塊分割的局面；各種不同的交通形式在車站內部被組織到不同的層面,形成立體的交通樞紐；高架候車室與站臺及雨棚相結合,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未來發展的功能合理、設計新穎的站棚場一體化的設計所取代,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貌。

新型鐵路交通建筑由傳統功能相對單一、布置零散的規則建筑,向功能強大、系統復雜、造型多變的綜合交通建筑轉變的同時,也給其建筑結構的設計和建造帶來難題和挑戰。一些建筑造型片面強調城市文化和形象標志,而一味追求建筑空間的震撼或造型的標新立異,忽略結構的合理性,多數情況下對于建筑結構的抗震性能是很不利的。因此，在鐵路交通房屋建筑的建設過程中,應比過去更加重視結構的抗震設計問題。

2 抗震概念設計與建筑結構方案

要做好鐵路房屋抗震設計工作,僅僅依靠結構工程師的努力是不夠的。實際上要保證一個工程建設項目的抗震安全,將涉及到工程的前期規劃選址、巖土勘察、建筑方案論證、結構抗震設計和分析、施工質量的保證以及運營使用單位合理的維護保養等方方面面。當然，抗震設計是其中至關重要的環節,但是任何一個環節的失誤和疏忽,都將影響抗震工程的基本質量控制,甚至會為此付出巨大的代價。

災害調查和分析資料表明，歷史上各次大地震對建筑的損毀情況各有差異,甚至同一地區、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、建筑結構等一些綜合因素,另一方面也源于地震本身的復雜性。人類在不斷的研究和震害經驗積累中,發展和完善了抗震、防災理論。從邢臺地震后提出的“基礎深一點、墻壁厚一點、屋頂輕一點”的概念,到唐山地震后創造的磚房加“構造柱圈梁”技術,直到今天的“小震不壞,中震可修,大震不倒”的“三水準”抗震設防理論,中國工程抗震設計理論以及規范標準都在不斷得到改進和完善。但是，現階段對地震規律性的認識還很不足,抗震理論還遠未達到科學、嚴密的程度,單靠計算很難使建筑具有良好的抗震能力。

從震害情況來看，簡單、對稱的建筑在地震時較不容易被破壞。其原因很清楚,簡明、對稱的結構容易估計其地震時的反應,而且容易采取抗震構造措施并進行細部處理。因此，對于建筑總體抗震能力的概念設計應該受到重視?？拐鸶拍钤O計是根據地震災害和工程經驗等形成的基本設計原則和設計思想,進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。尤其對于一些難以作出精確理性分析或難以規定的問題,應運用概念性近似估算方法,同時根據建筑的整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害和工程經驗等,從整體的角度來把握建筑結構的總體布置和抗震細部措施,從而迅速、有效地對建筑方案進行分析、比較和選擇。

對于鐵路房屋的建設,要做好抗震安全設計工作,應強調在設計的源頭——方案設計階段就充分重視建筑結構抗震概念設計,建筑方案的確定應充分重視結構的抗震要求,盡可能避免選用先天缺陷和隱患的建筑設計方案,而不是寄希望于后期采取一些非常的抗震措施來補救,從而造成經濟上的不合理性。房屋建筑方案應重視結構的規則性、合理性、經濟性,以體現我國建筑行業“適用、經濟、在可能條件下注意美觀”的設計原則。結構師要與建筑師充分溝通,盡可能使房間平面布局均勻,避免過多錯層和大的開洞；在滿足建筑室內空間要求的前提下,確定經濟合理的結構跨度,避免不顧結構合理性、經濟性而一味地追求大跨度甚至雙向的大跨度。

房屋建筑方案設計階段還應確定合理的抗震結構體系,這是抗震設計應考慮的最關鍵問題。地震動的不確定性和結構地震反應的復雜性要求鐵路客站結構符合“簡明”要求,即抗震結構體系要求受力明確、傳力合理且路線不間斷,使結構的抗震分析更符合結構在地震時的實際表現。同時，對于房屋結構的抗震結構體系也應具有多道抗震防線，應避免豎向強度與剛度突變，結構體系應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,而在方案的確定時應從經濟和技術等條件等方面綜合決策。

3 鐵路房屋建設中應關注的問題和建議

3.1 有關鐵路房屋抗震設防標準的問題

抗震設防標準是衡量抗震設防要求的尺度,它與國家經濟實力、對地震學科的研究及對歷次地震的認識有很大關系,由抗震設防烈度和建筑使用功能的重要性確定,同時受到科學技術和國家抗震設防政策兩方面的制約。目前我國采取“雙軌制”,一般情況下抗震設防烈度可采用中國地震動參數區劃圖的地震基本烈度,對已編制抗震設防區劃的城市,可按批準的抗震設防烈度或設計地震動參數進行設防。

汶川地震以來,國家對有關抗震標準行進了修編,《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223—2008),《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)等都從抗震的角度,按建筑的重要性對鐵路交通建筑進行了分類。結合鐵路運輸的特殊情況,通常需考慮提高為乙類建筑的主要是五所一室(調度、電話、通信信號、配電、給水所,行車室)等與鐵路運營密切相關的工藝房屋和大型候車室(6000人規模)。由于考慮站區的整體規劃和節約用地等因素,經常會遇到將五所一室等與鐵路運營密切相關的工藝房屋并入站房中一并設計的情況,此時至少對于并入上述工藝房屋的結構單元其抗震設防類別應提高為乙類。

近年來，鐵路車站的建設模式發生了很大變化。鐵路客站的功能除了滿足傳統的旅客發送外,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功能；還有地方城市出于發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規模有所變化；站棚場一體化等設計理念的出現,實質上也使鐵路車站的規模有所變化。無站臺柱雨棚作為線間立柱的跨線建筑,根據抗震設防類別劃分的基本原則,其發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中,按照傳統的最高聚集人數的方法來劃分鐵路客站的規模,進而確定其抗震設防標準的做法是否科學是值得進一步商榷。同時對于抗震設防區的特大型鐵路客站,鑒于其發生地震損毀災害后的嚴重后果,建議應開展地震安全性評價工作,并根據安評結果,確定抗震設防要求。

3.2 合理站房與雨棚結構的結構體系

在鐵路站房的建設中另一個需要引起重視的是要處理好站房與雨棚結構的關系。由于整體規劃和建筑功能的不同,站房與雨棚建筑體量、高度和長度以及結構體系有很大的差別,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到渾然天成的效果。從抗震概念設計角度出發,兩個截然不同的結構體系,既然兩者的剛度、變形能力差別都很大,雙方協調工作困難。為了保證結構的規則和體系的完整性以及傳力的明確性,雨棚與站房結構上應考慮脫開,至少水平方向應該如此考慮,這對于抗震設防區的建筑尤其重。解決方案有兩種，一種是當站場基本站臺與二站臺之間的軌道間有條件設置雨棚柱,同時基本站臺的寬度又不是很大時,可以考慮雨棚從一二站臺間立柱上懸挑,以實現雨棚與站房建筑上的銜接和基本站臺面上無柱。這種處理方法通常在線側式的中型站上可以取得良好效果。在大型站房中,基本站臺往往寬度較大,達到20 m或者更大,上述的處理方法由于懸挑過大,將會使結構變得不合理和不經濟。此時可以將雨棚柱立于站房靠近站場一側,再通過裝飾手段將雨棚柱進行修飾,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構形式,我們認為在抗震設防區是不宜推廣的。即應由若干個延性較好的分體系組成,并由延性較好的結構構件連接起來協同工作,結構體系應有最大可能數量的內部、外部贅余度,以使結構具有一定的吸收和耗散地震能量的能力。這一觀點得以在近其發布實施的《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)認可,規范規定抗震結構體系應有多道抗震防線,而且對單跨框架結構做了明確的限定。1999年臺灣地震中單跨框架震害嚴重,如圖2是一個單跨建筑在地震中倒塌破壞的情況。因此，對于地震區的站房建筑方案,盡可能避免采用單跨的結構形式。

圖2 單跨框架震害

3.4 鐵路房屋建筑綜合防災能力的提高

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

也需提高其抵抗各種突發性自然災害和突發性事件的能力。以往的設計中存在片面追求建筑效果,而忽視一些突發性事件對結構影響的傾向,從而導致結構的安全儲備小,對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,曾經出現一些大范圍的超出設計允許的特殊氣候(特大雪災、風災等)的情況,一些大跨結構、大懸挑結構、開敞的無站臺柱雨棚,特別是一些單邊的大懸挑結構(其結構本身是不合理的)對于這些偶然性突發事件的應對能力是有限的。應該進一步加大對特大自然災害和突發事件下鐵路車站安全性及應對措施的研究，一方面有關設計標準和設計上應有所考慮,另一方面使用運營單位也應研究采取一些應對措施和預案,在經濟許可的前提下提高房屋建筑的綜合抗災能力。新版的《鐵路旅客車站建筑設計規范》(GB50226—2007)已經注意到正線側立柱的隱患,并且明確規定鐵路正線兩側不得設置雨棚立柱,同時對于線間立柱的情況,也有待完善有關的安全規定和必要措施。

[1]GB50226—2007 鐵路旅客車站建筑設計規范[S]

[2]GB50011—2010 建筑抗震設計規范[S]

[3]GB50223—2008 建筑工程抗震設防分類標準[S]

[4]GB50011—2010 建筑抗震設計規范(統一培訓教材)[S]

[5]CECS160：2004 建筑工程抗震性態設計通則(試用)[S]

[6]潘國華.無站臺柱雨棚設計中若干問題的探討[J].鐵道標準設計,2008(6)：113-117