城市軌道交通高架車站抗震設計思考

何 瑩

海南元正建筑設計咨詢有限責任公司第三設計事務所 海南 三亞 572000

1 引言

隨著我國各地區城市化的持續發展，由于人群聚集效應，城市交通堵塞、環境惡化、房屋居住品質下降。為方便市民出行，軌道交通的建設是全球解決以上問題的相同選擇，需求也隨之大幅增加。國家發改委《城市群軌道交通體系及政策研究》、《鐵路可持續發展研究》指出要構建多層次、多模式、多制式的城市軌道交通系統，推動軌道交通的可持續發展[1]。

2 城市軌道交通分類及特點

軌道交通是指運營車輛在特定軌道上行駛的一類交通工具或運輸系統。城市軌道交通按建設方式分類為：城市地下軌道交通、城市地面軌道交通和城市高架軌道交通。地下軌道交通如地鐵（圖1）受限于自然環境不同、地質條件不一、環境敏感等因素，修建要求較高,每公里線路綜合造價在7-10億元[1]；城市軌道交通高架線路以站場高架的方式釋放了大面積地面空間，增加了城市土地利用率，減小了對城市空間的割裂，方便站點兩側的聯系，可有效避免地下水位較高、地質條件不一等工程限制，在工程投資、運營費用、建設工期等方面具有優勢，約為地下軌道交通建設造價的1/5-1/3，在國內外的城市軌道交通中，尤其是在城郊區域的線路中被廣泛采用，根據《中國城市軌道交通年鑒（2020）》[2]，已有多個城市修建高架軌道交通，是城市軌道交通建設未來發展的方向。

圖1 地下軌道交通--地鐵

圖2 城市高架軌道交通

3 高架軌道交通發展及分類

1888年，世界上第一座單軌線路誕生于愛爾蘭。隨后美國、俄羅斯、日本、分別修建西雅圖單軌、莫斯科單軌、2K540區域。我國第一條高架軌道線為2000年修建的上海明珠線。

圖3 西雅圖單軌

圖4 莫斯科單軌

高架車站根據橋梁結構與站房結構的結合方式分為“橋-建合一式”和“橋-建分離式”。“橋-建分離式”相比“橋-建合一式”，結構構件和基礎工程量大，空間利用率低，目前已較少使用。“橋-建合一式”高架車站突破“列車荷載必須由橋涵結構承受”的傳統理念，完全用建筑結構構件代替橋梁結構構件來直接承受列車荷載作用[3]。“橋-建合一式”高架車站按結構形式可以分為單墩柱、雙墩柱和框架三類如下圖7。

圖5 2K540區域

圖6 上海明珠線

圖7 橋建合一式高架車站類型

4 “橋-建合一式”高架車站抗震設計方法

“橋-建合一式”高架車站結構由車站統一承擔列車荷載和建筑荷載，具有建筑結構和橋梁結構雙重屬性，主要差異在橋梁與建筑部分剛度，在城市軌道交通中屬于新型結構。設計可參照的規范包括：《建筑抗震設計規范》（GB50011）（以下簡稱《抗規》）[4]、《鐵路工程抗震設計規范》（GB50111）（以下簡稱《鐵規》）[5]、《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB50909-2014）（以下簡稱《城規》）[6]。其中《城規》規定對直接承受列車荷載的結構，采用《鐵規》；對不承受車輛荷載的結構采用《抗規》。現有的設計原則一般是依據《建筑抗震設計規范》進行車站設計，針對承受列車荷載的構件，依據《鐵路工程抗震設計規范》進行補充驗算。然而，橋梁與建筑結構在規范設計方法上存在較大差異如下表1。在日本2011年東北大地震和2016年熊本大地震中都出現高架橋橋墩破壞情況，表明現行設計方法存在不足。與高架車站研究相關的論文同樣表明按一種規范設計存在不足。鮑艷玲研究結果表明高架車站需同時滿足《建筑抗震設計規范》和《鐵路工程抗震設計規范》的要求[7]；周宏慧通過對上海市軌道交通11號線分析，建議為提高結構安全儲備，設計時應滿足《鐵路橋涵設計基本規范》《地鐵設計規范》《建筑抗震設計規范》[8]；胡時猛對重慶市獅子坪車站分析，認為“橋建合一式”高架車站應分別按《鐵路橋涵規范》與《建筑抗震設計規范》進行計算，取其中較大值進行設計[9]；劉波對重慶軌道3號線分析表明，按現行《鐵路抗震設計規范》中的單墩力學簡化模型計算存在不足，應考慮偶然偏心影響并進行抗扭驗算[10]。

表1 高架車站抗震設計方法規范對比

依據現有高架車站設計規范，同時參考文獻研究結果，對“橋建合一式”高架車站設計提出如下設計方案（詳圖8）。采用基于性能的設計方法，依據《抗規》和《鐵規》進行單獨設計計算，配筋取大值。然后通過靜力彈塑性分析確定是否滿足既定的性能目標，具體設計思路如下：

圖8 “橋-建合一式”高架車站抗震設計方法

（1）對比分析規范關于性能目標或性能水準的相關規定，結合高架車站工程特征，確定合理的性能目標；

（2）對比分析《鐵規》、《城規》和《抗規》關于設防水準相關條文，確定合理的地震動參數；

（3）對比分析各本規范關于結構或構件抗震性能指標的選用，確定其內在力學聯系，結合新型軌道交通高架車站結構的工程特征及國內外軌道交通橋梁的抗震性能研究成果，確定適用于此類結構的性能指標參數；

（4）依據《抗規》和《鐵規》進行獨立計算，驗算指標是否滿足各自規范要求，若滿足，配筋取大值；

（5）基于靜力彈塑性分析（Pushover分析），驗算是否滿足性能指標。

5 “橋-建合一式”高架車站抗震設計需進一步研究問題

地鐵車站屬于抗震設防類別為乙類的重要公共建筑。《抗規》中6.1.5條規定，甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構[11]。對于單墩柱結構、雙墩柱結構高架，其設計不符合《抗規》要求。

6 結語

本文對城市軌道交通高架車站中“橋-建合一式”抗震設計方法進行探討。通過對現有設計規范的分析和文獻研究，提出基于性能的“橋-建合一式”高架車站抗震設計方案，指出現有設計規范在設計“橋-建合一式”單墩柱、雙墩柱高架車站的不足。今后需通過試驗或仿真計算進一步對“橋-建合一式”單墩柱、雙墩柱高架車站的動力特性、抗震設計計算等進一步研究。