铁路房屋建筑抗震设计浅谈

铁路房屋建筑抗震设计浅谈

诸国龙

上海铁路局杭州房产建筑段

摘要：介绍了铁路房屋的发展和现状，对铁路房屋建筑抗震设计工作的重要性进行了分析和阐述。论述了铁路房屋建筑的规划选址和建筑结构方案与结构设计中的抗震概念设计；对铁路房屋安全建设中的抗震设防标准、房屋建筑与构筑物的关系、四电用房和中小站房的抗震性能以及铁路房屋的综合防灾能力进行了分析和思考并提出建议。

关键词：铁路房屋；抗震概念设计；安全建设

一.铁路房屋建筑发展及抗震设计的重要性

我国铁路的发展经历了上百年的历史。计划经济时代物资的调配是国家铁路运输的主要要求，其中房屋建筑的主要功能被定位为铁路建设的配合部分。随着我国经济的快速发展，迎来了铁路发展的新时代，铁道部适时提出了“以人为本、服务运输、强本简末、系统优化、着眼未来”的建设理念。铁路房屋建筑在满足铁路运输功能的前提下，引进了更多的先进设计理念及建设手段。新的铁路房屋布局改变了传统零碎封闭的室内空间；无站台柱雨棚概念的提出改变了长期以来站房、站场、跨线设施条块分割的局面；各种不同的交通形式在车站内部被组织到不同的层面，形成立体的交通枢纽；高架候车室与站台及雨棚相结合，形成了全新的车站体系。铁路建筑零散、单一的模式，正逐步被各种能够适应未来发展的功能合理、设计新颖的站棚场一体化的设计所取代，舒适开敞、新颖美观的新型铁路交通建筑将给城市带来全新的建筑风貌。新型铁路交通建筑由传统功能相对单一、布置零散的规则建筑，向功能强大、系统复杂、造型多变的综合交通建筑转变的同时，也给其建筑结构的设计和建造带来难题和挑战。一些建筑造型片面强调城市文化和形象标志，而一味追求建筑空间的震撼或造型的标新立异，忽略结构的合理性，多数情况下对于建筑结构的抗震性能是很不利的。因此，在铁路交通房屋建筑的建设过程中，应比过去更加重视结构的抗震设计问题。

二.抗震概念设计与建筑结构方案

要做好铁路房屋抗震设计工作，仅仅依靠结构工程师的努力是不够的。实际上要保证一个工程建设项目的抗震安全，将涉及到工程的前期规划选址、岩土勘察、建筑方案论证、结构抗震设计和分析、施工质量的保证以及运营使用单位合理的维护保养等方方面面。当然，抗震设计是其中至关重要的环节，但是任何一个环节的失误和疏忽，都将影响抗震工程的基本质量控制，甚至会为此付出巨大的代价。灾害调查和分析资料表明，历史上各次大地震对建筑的损毁情况各有差异，甚至同一地区、同一次地震、同类建筑物的破坏方式及破坏程度也并不完全相同。这一方面源于场地条件、建筑结构等一些综合因素，另一方面也源于地震本身的复杂性。人类在不断的研究和震害经验积累中，发展和完善了抗震、防灾理论。从邢台地震后提出的“基础深一点、墙壁厚一点、屋顶轻一点”的概念，到唐山地震后创造的砖房加“构造柱圈梁”技术，直到今天的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的“三水准”抗震设防理论，中国工程抗震设计理论以及规范标准都在不断得到改进和完善。但是，现阶段对地震规律性的认识还很不足，抗震理论还远未达到科学、严密的程度，单靠计算很难使建筑具有良好的抗震能力。从震害情况来看，简单、对称的建筑在地震时较不容易被破坏。其原因很清楚，简明、对称的结构容易估计其地震时的反应，而且容易采取抗震构造措施并进行细部处理。因此，对于建筑总体抗震能力的概念设计应该受到重视。抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。尤其对于一些难以作出精确理性分析或难以规定的问题，应运用概念性近似估算方法，同时根据建筑的整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害和工程经验等，从整体的角度来把握建筑结构的总体布置和抗震细部措施，从而迅速、有效地对建筑方案进行分析、比较和选择。对于铁路房屋的建设，要做好抗震安全设计工作，应强调在设计的源头———方案设计阶段就充分重视建筑结构抗震概念设计，建筑方案的确定应充分重视结构的抗震要求，尽可能避免选用先天缺陷和隐患的建筑设计方案，而不是寄希望于后期采取一些非常的抗震措施来补救，从而造成经济上的不合理性。房屋建筑方案应重视结构的规则性、合理性、经济性，以体现我国建筑行业“适用、经济、在可能条件下注意美观”的设计原则。结构师要与建筑师充分沟通，尽可能使房间平面布局均匀，避免过多错层和大的开洞；在满足建筑室内空间要求的前提下，确定经济合理的结构跨度，避免不顾结构合理性、经济性而一味地追求大跨度甚至双向的大跨度。房屋建筑方案设计阶段还应确定合理的抗震结构体系，这是抗震设计应考虑的最关键问题。地震的不确定性和结构地震反应的复杂性要求铁路客站结构符合“简明”要求，即抗震结构体系要求受力明确、传力合理且路线不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现。

同时，对于房屋结构的抗震结构体系也应具有多道抗震防线，应避免竖向强度与刚度突变，结构体系应具有整体性和良好的吸能能力。这些都是铁路房屋尤其是铁路客站和铁路四电用房在方案阶段必须考虑的问题，而在方案的确定时应从经济和技术等方面综合决策。

三.铁路房屋建设中应关注的问题和建议

3.1有关铁路房屋抗震设防标准的问题

抗震设防标准是衡量抗震设防要求的尺度，它与国家经济实力、对地震学科的研究及对历次地震的认识有很大关系，由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定，同时受到科学技术和国家抗震设防政策两方面的制约。目前我国采取“双轨制”，一般情况下抗震设防烈度可采用中国地震动参数区划图的地震基本烈度，对已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行设防。汶川地震以来，国家对有关抗震标准行进了修编《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223—2008），《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）等都从抗震的角度，按建筑的重要性对铁路交通建筑进行了分类。结合铁路运输的特殊情况，通常需考虑提高为乙类建筑的主要是五所一室（调度、电话、通信信号、配电、给水所，行车室）等与铁路运营密切相关的工艺房屋和大型候车室（6000人规模）。由于考虑站区的整体规划和节约用地等因素，经常会遇到将五所一室等与铁路运营密切相关的工艺房屋并入站房中一并设计的情况，此时至少对于并入上述工艺房屋的结构单元其抗震设防类别应提高为乙类。近年来，铁路车站的建设模式发生了很大变化。铁路客站的功能除了满足传统的旅客发送外，往往还需完成不同交通工具的换乘及为了满足旅客需要的一些商业功能；还有地方城市出于发展和城市形象的考虑，往往与铁路共同投资，使得铁路车站的建设规模有所变化；站棚场一体化等设计理念的出现，实质上也使铁路车站的规模有所变化。

无站台柱雨棚作为线间立柱的跨线建筑，根据抗震设防类别划分的基本原则，其发生地震损坏的后果也是不可忽视的。因此，在新型铁路客站的建设中，按照传统的最高聚集人数的方法来划分铁路客站的规模，进而确定其抗震设防标准的做法是否科学是值得进一步商榷。同时对于抗震设防区的特大型铁路客站，鉴于其发生地震损毁灾害后的严重后果，建议应开展地震安全性评价工作，并根据安评结果，确定抗震设防要求。

3.2合理站房与雨棚结构的结构体系

在铁路站房的建设中另一个需要引起重视的是要处理好站房与雨棚结构的关系。由于整体规划和建筑功能的不同，站房与雨棚建筑体量、高度和长度以及结构体系有很大的差别，两者的刚度、变形能力不尽相同，而建筑师多从使用和美观角度希望站房和雨棚共柱以达到浑然天成的效果。从抗震概念设计角度出发，两个截然不同结构体系，既然两者的刚度、变形能力差别都很大，双方协调工作困难。为了保证结构的规则和体系的完整性以及传力的明确性，雨棚与站房结构上应考虑脱开，至少水平方向应该如此考虑，这对于抗震设防区的建筑尤其重。解决方案有两种，一种是当站场基本站台与二站台之间的轨道间有条件设置雨棚柱，同时基本站台的宽度又不是很大时，可以考虑雨棚从一二站台间立柱上悬挑，以实现雨棚与站房建筑上的衔接和基本站台面上无柱。这种处理方法通常在线侧式的中型站上可以取得良好效果。在大型站房中，基本站台往往宽度较大，达到20m或者更大，上述的处理方法由于悬挑过大，将会使结构变得不合理和不经济。此时可以将雨棚柱立于站房靠近站场一侧，再通过装饰手段将雨棚柱进行修饰，使雨棚柱从建筑效果上来看与站房形成整体。

3.3提高铁路房屋的抗震性能

近年来，一些中型站房大量采用单跨的结构形式，我们认为在抗震设防区是不宜推广的。即应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，以使结构具有一定的吸收和耗散地震能量的能力。这一观点在发布实施的《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）得以体现，规范规定抗震结构体系应有多道抗震防线，而且对单跨框架结构做了明确的限定。1999年台湾地震中单跨框架震害严重，因此，对于地震区的站房建筑方案，尽可能避免采用单跨的结构形式。

3.4铁路房屋建筑综合防灾能力的提高

除上述情况以外，作为一种公共交通建筑，铁路运输房屋除了应具有科学、合理的抵御地震灾害的能力，也需提高其抵抗各种突发性自然灾害和突发性事件的能力。以往的设计中存在片面追求建筑效果，而忽视一些突发性事件对结构影响的倾向，从而导致结构的安全储备小，对于人员密集的铁路车站来说是欠妥的。比如说近年来气候异常，曾经出现一些大范围的超出设计允许的特殊气候（特大雪灾、风灾等）的情况，一些大跨结构、大悬挑结构、开敞的无站台柱雨棚，特别是一些单边的大悬挑结构（其结构本身是不合理的）对于这些偶然性突发事件的应对能力是有限的。应该进一步加大对特大自然灾害和突发事件下铁路车站安全性及应对措施的研究，一方面有关设计标准和设计上应有所考虑，另一方面使用运营单位也应研究采取一些应对措施和预案，在经济许可的前提下提高房屋建筑的综合抗灾能力。新版的《铁路旅客车站建筑设计规范》（GB50226—2007）已经注意到正线侧立柱的隐患，并且明确规定铁路正线两侧不得设置雨棚立柱，同时对于线间立柱的情况，也有待完善有关的安全规定和必要措施。

参考文献：

［1］GB50226—2007铁路旅客车站建筑设计规范［S］

［2］GB50011—2010建筑抗震设计规范［S］

［3］GB50223—2008建筑工程抗震设防分类标准［S］

［4］GB50011—2010建筑抗震设计规范（统一培训教材）［S］

［5］CECS160：2004建筑工程抗震性态设计通则（试用）［S］

［6］潘国华．无站台柱雨棚设计中若干问题的探讨［J］．铁道标准设计，2008（6）：113-117