鐵路站房減隔震技術應用與研究現狀評述

潘 毅，宋佳雨，楊 龍，陳 鵬，申 允

（1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.抗震工程技術四川省重點實驗室，四川 成都 610031；3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

鐵路站房作為鐵路網的重要組成部分，是綜合交通體系的重要節點［1-2］。一旦發生強烈地震，站房出現較大的破壞，運輸功能中斷，不僅會造成一定的經濟損失，還會造成嚴重的社會影響。1995年日本阪神7.2 級地震，造成甲陽站站房損壞，損失達660 億日元。1999年臺灣集集7.6 級地震，造成集集站站房嚴重傾斜。2008年汶川8.0 級地震，造成寶成鐵路沿線的江油站、德陽站、廣元站等站房主體結構損壞，綿陽站站房的非結構構件嚴重受損，站房重建期間旅客只能在臨時候車棚中候車。2021年日本福島7.3 級地震，造成福島站等站房裝修材料破損，出現漏水現象，鐵路線運營中斷。因此，保證鐵路站房具有良好的抗震性能尤為重要［3］。

傳統的抗震設計方法，主要通過增加結構自身的強度和剛度去抵抗地震作用，能一定程度上保證結構的安全，但在高烈度地震設防地區，這種方法會導致構件截面過大，進一步增大地震作用，并影響其使用功能和經濟性，也無法有效地保護結構的內部設備和非結構構件等［4-5］。由于鐵路網規劃等原因，我國鐵路往往需穿越地震斷層，導致某些站房修建在高烈度區，個別站房臨近地震斷層。尤其是我國西南部地區鐵路穿越多個地震斷層，如康定站、理塘站等站房的設防烈度均在8度及以上［6］。

為了提高工程結構抵御地震的能力，減隔震技術作為一種有效方法被應用到結構抗震設計中［7-9］。減震技術可以調整結構剛度、控制層間位移，耗散地震輸入的能量［10-12］。隔震技術能夠延長結構的自振周期，降低上部結構的水平地震作用［13-15］。例如，西安國際會議中心、北京大興國際機場和港珠澳大橋等均成功應用減隔震技術。與民用建筑、橋梁相比，鐵路站房采用減隔震技術的工程還不多，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行減震的可行性。國巍等［17］建立多自由度數值分析模型，對站房結構的層間隔震可行性和優化策略進行了研究。唐虎［18］對比了不同減隔震設計方案對某站房結構抗震性能的提高程度。然而，上述研究主要聚焦于某個具體站房，缺乏對站房結構減隔震設計的系統性研究，其普適性有待商榷。

為推動減隔震技術在鐵路站房結構中的應用，本文通過梳理站房的分類和特點，比較不同規模站房的自振周期，介紹站房減隔技術應用的工程案例，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應用中面臨的挑戰。

1 站房結構分類

依據站房與線路的相互關系不同，鐵路站房可分為線側式、線端式、線下式和線上式4種基本類型［2］。同時，依據站房與廣場的地形高差，線側式和線端式又可分為平式、上式和下式3 個亞類［19］。隨著鐵路站房的發展，上述幾種站房型式也可能互相組合，同時出現于1個鐵路站房中，產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

鐵路站房整體建筑外形常與當地歷史、人文等特征相結合，內部空間利用率高，人員密集［20］。站房結構主要由候車層和屋面層構成，部分大型或特大型站房還設置有承軌層、出站層及地鐵層，各層建筑功能特色明顯，同層的建筑分區較多，公共區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構，其框架梁多采用混凝土、型鋼、桁架、組合梁或預應力梁等，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。此外，部分站房的候車層還設置有夾層，用于生產和商業［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構，如桁架結構、網殼/網架結構、索殼/索拱結構等。屋面層雖然具有阻尼小、柔性大、質量輕、整體剛度好等優點［24］，但也具有密集分布的固有頻率和復雜的振型，存在結構動力特性復雜、水平變形大、空間性強、自我恢復能力差等問題［25-26］。

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

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

施工準備階段的技術準備工作能夠為施工創造有利的條件，以達到施工任務的順利進行。施工準備階段的技術管理工作的內容及基本任務是為了分析建設工程特點、進度和要求，摸清施工的客觀條件，編制施工組織設計并制定合理的施工方案，從而及時地從技術、物資、人力和組織上為工程施工創造一切必要的條件，保證施工過程的連續均衡進行，保證工程在規定的工期內交付使用，所以施工的組織指導工程項目應加強施工組織設計的編制組織工作，明確對參加編寫的人員的分工，做到責任到人，最后匯總和修改定稿，以此達到施工組織設計在編制依據，編寫格式和基本內容上的統計，最終實行標準化的管理。

3 站房結構自振周期

依據TB 10100—2018《鐵路旅客車站設計規范》，鐵路站房規模可分為小型、中型、大型及特大型站房［29］，見表2。

表2 鐵路站房的規模

根據鐵路站房的規模大小，選取了27 個典型站房，并統計其前3 階自振周期，見表3。表中：T1為X軸平動周期，T2為Y軸平動周期，T3為扭轉周期；站房①—?由中鐵二院工程集團有限責任公司設計，站房?—來自參考文獻［30-38］。

根據29 個站房的設計信息，不同規模的站房T1分布情況如圖1所示，圖中Sa為譜加速度。

圖1 不同規模的站房T1周期分布

由表3和圖1可知：各類站房結構周期的方差較小，表明本文統計數據較為合理，具有代表性；隨著站房規模的增大，其前3 階自振周期逐漸增大；小中型站房結構的T1較短，小型站房約為0.6 s，中型站房約為0.7 s，一般處于抗震設計譜曲線下降段的前段；大型和特大站房結構的T1較長，約為1.2 s；個別站房結構的T1甚至超過2.0 s，一般處于抗震設計譜曲線下降段的后段，這是由于站房規模增大后，候車層柱網尺寸增大，結構層高更高，整體剛度減小，結構體系偏柔。

表3 不同規模的站房結構自振周期

4 站房減隔震案例

4.1 減震案例

鐵路站房應用減震技術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 采用減震技術的典型案例

北京站為線側平式站房，設計之初采用1977年蘇聯《地震區建筑設計規范》進行抗震設計，大體相當于7 度設防；后于1998年按照我國GBJ 11—1989《建筑抗震設計規范》中8 度（0.2g）進行抗震加固［39］。由于車站廣廳底層的邊角柱縱筋偏少，且梁柱節點的箍筋不能滿足規范要求，故在廣廳的填充墻和窗戶處設置黏滯阻尼器進行加固。該站房實景和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，抗震設防烈度為6 度（0.05g），設計地震分組為第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置BRB 分擔框架部分的荷載，以保證框架結構的安全性能［40］。該站房實景和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，抗震設防烈度為7度（0.1g），設計地震分組為第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，導致第2 層形成了明顯的薄弱層，層間位移不滿足抗震規范要求［41］。為調整層剛度，在第2層布置了BRB。該站房實景和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，抗震設防烈度為7 度（0.1g），設計地震分組為第2 組。為使西廣廳層間位移角滿足抗震規范限值要求［42］，在不增大原有框架柱截面基礎上，布置BRB 來減少層間位移。該站房實景和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，抗震設防烈度為7 度（0.1g），設計地震分組為第1 組。由于站房局部凹進或凸出，導致建筑局部層高變化較大，引起結構豎向剛度不均勻［16］。因此，在站房中設置BRB 調整結構剛度，減小剛度突變。該站房實景和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

鐵路站房中應用隔震技術的典型工程案例統計見表5。

表5 采用隔震技術的站房案例

丸之內車站為線側下式站房，位于日本愛知縣名古屋市中區丸之內二丁目。該站始建于1914年，由于戰爭、火災等因素，站房遭受了嚴重破壞，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的不利影響，擴建2 層地下室，并增加隔震層，共布置350 個橡膠隔震支座與160 個油阻尼器［43-44］，以提高結構的抗震性能。隔震支座和阻尼器布置如圖7所示。

圖7 丸之內火車站隔震支座和阻尼器布置

新疆庫爾勒站為線側下式站房，抗震設防烈度為8 度（0.2g），設計地震分組為第2 組。為了提高結構的抗震性能，在站房中設計了隔震層，布置了Ⅱ型隔震支座，使得上部結構地震作用降低1度。該站房實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；支座型號中的數字代表其直徑，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。使用減震技術需先要滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》［45］和JGJ 297—2013《建筑消能減震技術規程》［46］減震設計的要求。

不同類型站房的結構特點有所不同，消能減震部件設置的位置也有所差異［47-49］，詳見表6。

由表6可知，對于線側式和線端式站房，消能減震部件多設置于站房候車層，可以提高結構抗側剛度，增強結構耗能能力；對于線上式、線下式和綜合式站房，消能減震部件多設置于站房候車層及候車層的夾層，可以有效地調整站房結構剛度，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置于結構的邊跨，以保證站房公共區的空間布局開敞，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，隔震技術的應用可有效降低上部結構地震作用，但需設置隔震層，會增加一定的建設成本。大部分鐵路站房結構高寬比小于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《建筑抗震設計規范》［45］和GB/T 51408—2021《建筑隔震設計標準》［50］中隔震支座性能的要求。不同類型站房的結構特點有所不同，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

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

對于自振周期超過2.0 s 的鐵路站房結構，不宜使用隔震技術。這是由于隔震技術主要是通過延長結構自振周期來降低上部結構的地震作用力，這類站房結構自振周期較長，一般處于抗震設計譜曲線下降段的后段，通過隔震技術將其周期延長，上部結構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鐵路站房中應用時，與常溫下的性能存在差異。低溫會造成橡膠支座的水平剛度增加，等效阻尼比減小，還會造成橡膠和鋼板產生不同程度的硬化，使橡膠支座的力學性能呈現明顯的脆性［54］。同時，低溫還會使減震部件的摩擦系數減小，耗能能力減弱。建議加強低溫下減隔震裝置力學性能和保溫措施的研究，為減隔震裝置在高寒高烈度區鐵路站房中的應用提供設計依據。

2）站房減隔震設計方法

近斷層區鐵路站房的減隔震設計面臨技術難題。由于近斷層地震動速度脈沖強、長周期成分多，站房減隔震效果受到影響。同時，在近斷層水平地震作用下，隔震層可能產生較大位移，導致上部結構和隔震溝發生剛性碰撞［55-56］；在近斷層豎向地震作用下，結構的隔震支座還可能受拉破壞［57-58］。因此，建議加強近斷層區鐵路站房減隔震設計方法的研究，比較站房隔震、減震和抗震的設計方案，以確定最適宜的設計方案，以保證站房的安全。

3）站房減隔震設計標準

鐵路站房的減隔震設計缺乏針對性的技術標準。盡管民用建筑已經有比較成熟的減隔震技術標準，但由于站房的建筑形式、重要程度、功能布局及荷載激勵等因素有別于普通民用建筑。因此建議針對站房的結構特點，制定適合于鐵路站房的減隔震設計標準。

4）站房減隔震運維管理方法

鐵路站房的減隔震設計與運維管理存在脫節。在地震的時候，減隔震站房要真正發揮作用，離不開平時對站房的隔震構造、減隔震裝置等維護和管理［59］。由于鐵路站房的功能需求、結構特點和運營條件與普通建筑結構不同，宜建立一套適合于減隔震站房的運維管理方法。

5）站房減隔震韌性評價

采用減隔震技術的鐵路站房韌性評價標準還有待研究。盡管國內外對普通建筑已有抗震韌性評價標準［60］，但鐵路站房作為生命線工程，現行標準中的指標不能直接用于鐵路站房的韌性評價，更無法定量的評估減隔震技術對鐵路站房韌性的提高程度。建議開展采用減隔震技術的鐵路站房韌性評價研究。

7 結 語

本文總結了鐵路站房的典型分類、特點及不同規模站房的自振周期，介紹了減隔震技術在國內外站房中應用的工程案例，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應用中亟待解決的關鍵科學問題，并給出針對性的建議，為后續站房減隔震技術的應用指明了思路和方向。

減隔震技術在鐵路站房中的應用有利于提高站房結構的抗震性能，但目前還面臨著諸多挑戰，未來仍需要深入開展研究以推動減隔震技術在鐵路站房中的應用。