西安火車站跨地裂縫高架候車室主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張 謙

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

西安火車站坐落于西安市大明宮遺址公園和西安城墻之間，是中國(guó)鐵路網(wǎng)東西交匯的咽喉要道。既有南站房規(guī)模小，車站容量已基本飽和，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的客運(yùn)需求，急需進(jìn)一步的改造和擴(kuò)建[1-2]。

西安站新建站房由高架候車室與新建北站房組成，其中高架候車室跨越整個(gè)軌道區(qū)域，聯(lián)通既有南站房和新建北站房，是旅客進(jìn)入站臺(tái)乘車的主要候車區(qū)，西安站建筑效果如圖1所示。

高架候車室建筑面積約27 000 m2，寬度(順軌道方向)為135 m，長(zhǎng)度(垂直軌道方向)約200 m。順軌道方向柱網(wǎng)與北站房相對(duì)應(yīng)，按12.0 m或13.5 m布置，垂直軌道方向柱網(wǎng)避讓軌道，為21.1～26.4 m。高架候車室候車層樓面高程10.0 m，兩側(cè)商業(yè)層樓面高程18.0 m，建筑檐口高程30.0 m，屋脊最高點(diǎn)高程37.0 m，高架候車室順軌道剖面如圖2所示。

圖1 西安站工程建筑效果圖

圖2 高架候車室剖面(單位：m)

西安f3地裂縫自西南向東北小角度貫穿高架候車室[3]，使其成為跨越地裂縫的特殊鐵路客站建筑。

西安地裂縫是在過量開采承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，臨潼～長(zhǎng)安斷裂帶西北側(cè)(上盤)一組北東走向的隱伏地裂縫出現(xiàn)活動(dòng)，在地表形成的破裂，是一種地區(qū)性的災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象。地裂縫的活動(dòng)方式是蠕動(dòng)，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南側(cè)(上盤)下降，北側(cè)(下盤)相對(duì)上升，這種活動(dòng)不僅會(huì)引起建筑結(jié)構(gòu)的局部沉降破壞，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的整體傾斜倒塌，威脅到房屋的正常使用和生命財(cái)產(chǎn)安全[4-7]。

根據(jù)DBJ61—6—2006《西安地裂縫場(chǎng)地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》并綜合擬建場(chǎng)地現(xiàn)有沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及地下深層承壓水的開采情況，規(guī)程編委組專家專題論證后一致確認(rèn)：本場(chǎng)地內(nèi)的建筑物單體跨越地裂縫后，兩側(cè)的基礎(chǔ)與地裂縫間滿足一定的避讓距離時(shí)，適宜建筑，并給出了明確的避讓距離要求[8]。

2 跨地裂縫高架候車室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及自然條件

高架候車室的設(shè)計(jì)使用年限為50年，滿足100年的耐久性要求，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。

本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特征周期為0.40 s。基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2(100年一遇)，地面粗糙度為B類；基本雪壓為0.30 kN/m2(100年一遇)，積雪分布系數(shù)按1.0考慮。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

綜合其經(jīng)濟(jì)性和抗震性能，結(jié)合專家評(píng)審意見和已有的工程經(jīng)驗(yàn)[8-10]，高架候車室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中高架候車室兩側(cè)商業(yè)層范圍內(nèi)以及地裂縫相鄰跨采用型鋼混凝土框架。按9度抗震設(shè)防烈度采取抗震措施，框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施按特一級(jí)加強(qiáng)。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

地裂縫的存在將高架候車室分成上、下2個(gè)異形結(jié)構(gòu)單元，上部結(jié)構(gòu)單元呈極不規(guī)則的三角形布置，抗震性能極差，因此設(shè)計(jì)中打破傳統(tǒng)旅客站房結(jié)構(gòu)布置的形式，將地裂縫下盤結(jié)構(gòu)單元與北站房連成整體，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)單元，地裂縫上盤的高架候車室為一單獨(dú)的結(jié)構(gòu)單元，跨地裂縫高架候車室結(jié)構(gòu)平面見圖3。

圖3 跨地裂縫高架候車室結(jié)構(gòu)平面示意

2.3.1 跨縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地裂縫上、下兩個(gè)單元間通過設(shè)置大跨鋼桁架(高程10.0 m候車層)、跨層鋼桁架(高程18.0 m商業(yè)層)及鋼網(wǎng)架(高程30.0 m屋蓋層)實(shí)現(xiàn)對(duì)地裂縫的跨越，結(jié)構(gòu)剖面示意如圖4所示。

鋼桁架及網(wǎng)架均隨地裂縫布置，平面外剛度較弱，難以將兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元連成整體協(xié)調(diào)受力和變形，因此跨縫結(jié)構(gòu)采用一端固定鉸、一端滑動(dòng)鉸的弱連接方式進(jìn)行連接，減弱兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元相互影響，并且可以提高結(jié)構(gòu)對(duì)地裂縫蠕動(dòng)變形的適應(yīng)能力。

在大震作用下，不規(guī)則復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)的碰撞，容易使局部構(gòu)件提前發(fā)生屈服[11]，為了減輕這種效應(yīng)，按照罕遇地震下結(jié)構(gòu)發(fā)生的相對(duì)位移，加大了滑動(dòng)鉸支座與主體結(jié)構(gòu)之間的自由滑移空間。

圖4 跨地裂縫結(jié)構(gòu)剖面示意

2.3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

柱下基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，將高架候車室的基礎(chǔ)布置在地裂縫避讓距離之外，從圖4可以看出，跨縫桁架南側(cè)(上盤)柱下樁(地裂縫上盤)越長(zhǎng)，避讓距離越大，會(huì)導(dǎo)致跨縫桁架跨度增大，桁架高度在滿足建筑凈高要求時(shí)，難以滿足承載力和舒適度要求。為此，采用樁端后注漿技術(shù)，可以提高單樁承載力，控制樁長(zhǎng)，為上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利條件。

2.3.3 屋蓋設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑屋面造型，結(jié)合結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)與經(jīng)濟(jì)性要求，屋蓋結(jié)構(gòu)采用雙層曲面四角錐網(wǎng)架，采光區(qū)域?yàn)閱螌泳W(wǎng)架。最大跨度75 m，跨中厚度5.5 m。支座采用具有一定彈性剛度的建筑球型支座，減輕屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)相互的剛度影響。

2.3.4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

最大的結(jié)構(gòu)單元平面兩方向分別為135 m和160 m，溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)影響明顯，計(jì)算中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)分別考慮室內(nèi)和室外不同的溫度作用，考慮混凝土徐變、收縮及其截面剛度退化的影響[12-13]，并采取以下措施：綜合設(shè)置后澆帶和膨脹加強(qiáng)帶減少混凝土的收縮變形，樓板板頂跨中鋼筋貫通，樓板下部鋼筋在支座處拉通或錨固，同時(shí)沿板厚方向布置緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，建立預(yù)壓應(yīng)力抵抗混凝土拉應(yīng)力。

3 高架候車室抗震性能分析

3.1 高架候車室結(jié)構(gòu)特征及性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于跨縫鋼結(jié)構(gòu)與地裂縫上下盤間的高架車室采用弱連接方式，除桁架支座給主體結(jié)構(gòu)傳遞集中荷載外，只要保證滑移端的自由滑移量，單側(cè)高架候車室結(jié)構(gòu)單元的受力與普通站房基本一致[14-15]。因此，以地裂縫上盤結(jié)構(gòu)單元為例進(jìn)行抗震性能分析。

根據(jù)工程的場(chǎng)地條件、社會(huì)效益及結(jié)構(gòu)重要性，并考慮經(jīng)濟(jì)因素，制定本工程的抗震性能目標(biāo)為GB50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》性能3的要求(對(duì)應(yīng)于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》性能目標(biāo)C)，即多遇地震彈性，設(shè)防地震作用下正截面承載力不屈服、抗剪承載力彈性，罕遇地震作用不屈服。

3.2 多遇地震彈性分析

采用SAP2000(v19)及YJK1.9.1兩個(gè)軟件分別建立空間模型進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，屋面網(wǎng)架采用同濟(jì)大學(xué)編制的“3D3S(V14.0.0)”設(shè)計(jì)，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

整體計(jì)算考慮水平地震與豎向地震組合，計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可見，兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果吻合較好，準(zhǔn)確反映了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布，可以作為進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)模型。

表1 多遇地震靜力彈性分析主要計(jì)算結(jié)果

3.3 設(shè)防地震及罕遇地震作用下等效彈性驗(yàn)算

采用等效彈性方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)防地震和罕遇地震計(jì)算中結(jié)構(gòu)阻尼比分別增加0.01和0.02。

設(shè)防地震作用下，層間最大位移角X向?yàn)?/303，Y向?yàn)?/378，輕微損壞，變形小于2倍彈性位移限值1/275；結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件滿足正截面承載力不屈服、抗剪承載力彈性的性能目標(biāo)，符合性能3的要求。

罕遇地震作用下，層間最大位移角X向?yàn)?/163，Y向?yàn)?/187，有明顯塑性變形，變形小于4倍彈性位移限值1/140；罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件可達(dá)到抗震承載力不屈服的性能目標(biāo)，滿足性能3的要求。

結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)時(shí)取多遇地震、設(shè)防地震與罕遇地震作用下配筋的包絡(luò)值。

3.4 時(shí)程分析3.4.1 多遇地震彈性時(shí)程分析

時(shí)程分析采用5條天然波和2條人工波，地震波輸入三向地震作用，主水平方向、次水平方向和豎向的峰值加速度比值為1∶0.85∶0.65。其時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上相符，如圖6所示。

圖6 反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比

7條地震波作用下基底剪力見表2，可見結(jié)構(gòu)基底剪力均達(dá)到了單條波振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，在X向、Y向地震動(dòng)下，7條地震波的平均值均不小于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，也不超過反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的120%，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

根據(jù)時(shí)程分析可得出各樓層的剪力放大系數(shù)，與振型分解反應(yīng)譜法對(duì)比，X向、Y向地震效應(yīng)放大系數(shù)最大值分別為1.04和1.05，因此設(shè)計(jì)時(shí)反應(yīng)譜計(jì)算的結(jié)構(gòu)時(shí)程調(diào)整系數(shù)確定為1.05，據(jù)此進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

表2 多遇地震彈性時(shí)程分析基底剪力

3.4.2 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

為研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和抗震性能，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，分析考慮P-Δ效應(yīng)及材料非線性。

從圖7可以看出，結(jié)構(gòu)最大位移滿足規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)的周期逐步變長(zhǎng)，這是由于部分構(gòu)件累積損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度退化，進(jìn)入塑性狀態(tài)。

圖7 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線對(duì)比

分析結(jié)果表明，在7組地震波作用下，結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大彈塑性層間位移角平均值分別為1/164和1/151，小于4倍彈性位移限值1/140，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下有一定的塑性變形，部分構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力足夠，結(jié)構(gòu)承載力未發(fā)生明顯下降。

3.4.3 構(gòu)件損傷分析

結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有大規(guī)模發(fā)生屈服現(xiàn)象，大部分構(gòu)件仍處于彈性狀態(tài)，部分高架層垂直軌道方向的框架梁及商業(yè)層框架梁進(jìn)入屈服階段，少量高架層框架柱發(fā)生屈服，其中角部柱出現(xiàn)較明顯的塑性變形，但不是全截面屈服，構(gòu)件離失效還有一定的安全儲(chǔ)備空間，設(shè)計(jì)中對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)處理。

根據(jù)分析結(jié)果，站房結(jié)構(gòu)滿足GB50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》性能要求，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采取了新的設(shè)計(jì)理念和合理的結(jié)構(gòu)措施，將地裂縫北側(cè)高架候車室與北站房連為一體，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的梯形結(jié)構(gòu)單元，使結(jié)構(gòu)受力更加合理。

(2)針對(duì)地裂縫斜穿高架候車室的特殊邊界條件，通過基礎(chǔ)合理避讓，上部結(jié)構(gòu)設(shè)置跨縫鋼桁架(網(wǎng)架)的結(jié)構(gòu)方式，有效增強(qiáng)了建筑物適應(yīng)地裂縫不均勻沉降變形的能力，減小了地裂縫的影響，最大程度上實(shí)現(xiàn)建筑功能的完整性。

(3)結(jié)合高架候車室獨(dú)特的受力特征，主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分大跨及地裂縫相鄰區(qū)域采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能。

(4)對(duì)高架候車室進(jìn)行了設(shè)防地震及罕遇地震作用下的抗震性能設(shè)計(jì)及彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)可達(dá)到性能3的目標(biāo)，結(jié)構(gòu)抗震性能良好。