西安火車站跨地裂縫高架候車室主體結構設計與分析

張 謙

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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，是中國鐵路網東西交匯的咽喉要道。既有南站房規模小，車站容量已基本飽和，無法滿足日益增長的客運需求，急需進一步的改造和擴建[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軌道區域，聯通既有南站房和新建北站房，是旅客進入站臺乘車的主要候車區，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，長度(垂直軌道方向)約200 m。順軌道方向柱網與北站房相對應，按12.0 m或13.5 m布置，垂直軌道方向柱網避讓軌道，為21.1～26.4 m。高架候車室候車層樓面高程10.0 m，兩側商業層樓面高程18.0 m，建筑檐口高程30.0 m，屋脊最高點高程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，產生不均勻地面沉降的條件下，臨潼～長安斷裂帶西北側(上盤)一組北東走向的隱伏地裂縫出現活動，在地表形成的破裂，是一種地區性的災害地質現象。地裂縫的活動方式是蠕動，主要表現為主地裂縫的南側(上盤)下降，北側(下盤)相對上升，這種活動不僅會引起建筑結構的局部沉降破壞，甚至會引起結構的整體傾斜倒塌，威脅到房屋的正常使用和生命財產安全[4-7]。

根據DBJ61—6—2006《西安地裂縫場地勘察與工程設計規程》并綜合擬建場地現有沉降監測數據及地下深層承壓水的開采情況，規程編委組專家專題論證后一致確認：本場地內的建筑物單體跨越地裂縫后，兩側的基礎與地裂縫間滿足一定的避讓距離時，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構設計

2.1 設計標準及自然條件

高架候車室的設計使用年限為50年，滿足100年的耐久性要求，抗震設防類別為重點設防類(乙類)，建筑結構安全等級為一級。

本地區抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組，特征周期為0.40 s。基本風壓為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)，積雪分布系數按1.0考慮。

2.2 結構體系

綜合其經濟性和抗震性能，結合專家評審意見和已有的工程經驗[8-10]，高架候車室采用鋼筋混凝土框架結構，其中高架候車室兩側商業層范圍內以及地裂縫相鄰跨采用型鋼混凝土框架。按9度抗震設防烈度采取抗震措施，框架結構的抗震等級為一級，抗震構造措施按特一級加強。

2.3 設計要點

地裂縫的存在將高架候車室分成上、下2個異形結構單元，上部結構單元呈極不規則的三角形布置，抗震性能極差，因此設計中打破傳統旅客站房結構布置的形式，將地裂縫下盤結構單元與北站房連成整體，形成一個相對穩定的梯形結構單元，地裂縫上盤的高架候車室為一單獨的結構單元，跨地裂縫高架候車室結構平面見圖3。

圖3 跨地裂縫高架候車室結構平面示意

2.3.1 跨縫結構設計

地裂縫上、下兩個單元間通過設置大跨鋼桁架(高程10.0 m候車層)、跨層鋼桁架(高程18.0 m商業層)及鋼網架(高程30.0 m屋蓋層)實現對地裂縫的跨越，結構剖面示意如圖4所示。

鋼桁架及網架均隨地裂縫布置，平面外剛度較弱，難以將兩個結構單元連成整體協調受力和變形，因此跨縫結構采用一端固定鉸、一端滑動鉸的弱連接方式進行連接，減弱兩個結構單元相互影響，并且可以提高結構對地裂縫蠕動變形的適應能力。

在大震作用下，不規則復雜連體結構的碰撞，容易使局部構件提前發生屈服[11]，為了減輕這種效應，按照罕遇地震下結構發生的相對位移，加大了滑動鉸支座與主體結構之間的自由滑移空間。

圖4 跨地裂縫結構剖面示意

2.3.2 基礎設計

柱下基礎采用鉆孔灌注樁，將高架候車室的基礎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(上盤)柱下樁(地裂縫上盤)越長，避讓距離越大，會導致跨縫桁架跨度增大，桁架高度在滿足建筑凈高要求時，難以滿足承載力和舒適度要求。為此，采用樁端后注漿技術，可以提高單樁承載力，控制樁長，為上部結構設計創造有利條件。

2.3.3 屋蓋設計

根據建筑屋面造型，結合結構柱網與經濟性要求，屋蓋結構采用雙層曲面四角錐網架，采光區域為單層網架。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，減輕屋蓋結構與下部支承結構相互的剛度影響。

2.3.4 超長結構設計

最大的結構單元平面兩方向分別為135 m和160 m，溫度作用對結構影響明顯，計算中對鋼結構與混凝土結構分別考慮室內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：綜合設置后澆帶和膨脹加強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，同時沿板厚方向布置緩黏結預應力筋，建立預壓應力抵抗混凝土拉應力。

3 高架候車室抗震性能分析

3.1 高架候車室結構特征及性能設計目標

由于跨縫鋼結構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構傳遞集中荷載外，只要保證滑移端的自由滑移量，單側高架候車室結構單元的受力與普通站房基本一致[14-15]。因此，以地裂縫上盤結構單元為例進行抗震性能分析。

根據工程的場地條件、社會效益及結構重要性，并考慮經濟因素，制定本工程的抗震性能目標為GB50011—2016《建筑抗震設計規范》性能3的要求(對應于《高層建筑混凝土結構技術規程》性能目標C)，即多遇地震彈性，設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YJK1.9.1兩個軟件分別建立空間模型進行振型分解反應譜法計算，屋面網架采用同濟大學編制的“3D3S(V14.0.0)”設計，計算模型如圖5所示。

圖5 計算模型

整體計算考慮水平地震與豎向地震組合，計算結果見表1。由表1可見，兩個軟件的計算結果吻合較好，準確反映了結構質量和剛度分布，可以作為進一步分析的基礎模型。

表1 多遇地震靜力彈性分析主要計算結果

3.3 設防地震及罕遇地震作用下等效彈性驗算

采用等效彈性方法對結構進行計算，設防地震和罕遇地震計算中結構阻尼比分別增加0.01和0.02。

設防地震作用下，層間最大位移角X向為1/303，Y向為1/378，輕微損壞，變形小于2倍彈性位移限值1/275；結構的關鍵構件及普通豎向構件滿足正截面承載力不屈服、抗剪承載力彈性的性能目標，符合性能3的要求。

罕遇地震作用下，層間最大位移角X向為1/163，Y向為1/187，有明顯塑性變形，變形小于4倍彈性位移限值1/140；罕遇地震作用下結構的關鍵構件可達到抗震承載力不屈服的性能目標，滿足性能3的要求。

結構施工圖設計時取多遇地震、設防地震與罕遇地震作用下配筋的包絡值。

3.4 時程分析3.4.1 多遇地震彈性時程分析

時程分析采用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。其時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數在統計意義上相符，如圖6所示。

圖6 反應譜與規范譜對比

7條地震波作用下基底剪力見表2，可見結構基底剪力均達到了單條波振型分解反應譜計算結果的65%，在X向、Y向地震動下，7條地震波的平均值均不小于反應譜法計算結果的80%，也不超過反應譜法計算結果的120%，滿足現行規范要求。

根據時程分析可得出各樓層的剪力放大系數，與振型分解反應譜法對比，X向、Y向地震效應放大系數最大值分別為1.04和1.05，因此設計時反應譜計算的結構時程調整系數確定為1.05，據此進行施工圖設計。

表2 多遇地震彈性時程分析基底剪力

3.4.2 罕遇地震彈塑性時程分析

為研究結構在罕遇地震作用下的動力響應和抗震性能，進行結構動力彈塑性時程分析，分析考慮P-Δ效應及材料非線性。

從圖7可以看出，結構最大位移滿足規范限值，結構的周期逐步變長，這是由于部分構件累積損傷，導致結構整體剛度退化，進入塑性狀態。

圖7 結構頂點位移時程曲線對比

分析結果表明，在7組地震波作用下，結構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，結構在罕遇地震作用下有一定的塑性變形，部分構件進入屈服階段，結構的抗倒塌能力足夠，結構承載力未發生明顯下降。

3.4.3 構件損傷分析

結構構件沒有大規模發生屈服現象，大部分構件仍處于彈性狀態，部分高架層垂直軌道方向的框架梁及商業層框架梁進入屈服階段，少量高架層框架柱發生屈服，其中角部柱出現較明顯的塑性變形，但不是全截面屈服，構件離失效還有一定的安全儲備空間，設計中對這些構件進行加強處理。

根據分析結果，站房結構滿足GB50011—2016《建筑抗震設計規范》性能要求，結構具有良好的抗震性能。

4 結語

(1)結構設計過程中采取了新的設計理念和合理的結構措施，將地裂縫北側高架候車室與北站房連為一體，形成一個相對穩定的梯形結構單元，使結構受力更加合理。

(2)針對地裂縫斜穿高架候車室的特殊邊界條件，通過基礎合理避讓，上部結構設置跨縫鋼桁架(網架)的結構方式，有效增強了建筑物適應地裂縫不均勻沉降變形的能力，減小了地裂縫的影響，最大程度上實現建筑功能的完整性。

(3)結合高架候車室獨特的受力特征，主體采用鋼筋混凝土結構，部分大跨及地裂縫相鄰區域采用型鋼混凝土結構，增強了結構的承載力和抗震性能。

(4)對高架候車室進行了設防地震及罕遇地震作用下的抗震性能設計及彈塑性時程分析，結果表明整體結構可達到性能3的目標，結構抗震性能良好。