城市轨道交通高架车站抗震设计思考

何 莹

海南元正建筑设计咨询有限责任公司第三设计事务所 海南 三亚 572000

1 引言

随着我国各地区城市化的持续发展，由于人群聚集效应，城市交通堵塞、环境恶化、房屋居住品质下降。为方便市民出行，轨道交通的建设是全球解决以上问题的相同选择，需求也随之大幅增加。国家发改委《城市群轨道交通体系及政策研究》、《铁路可持续发展研究》指出要构建多层次、多模式、多制式的城市轨道交通系统，推动轨道交通的可持续发展[1]。

2 城市轨道交通分类及特点

轨道交通是指运营车辆在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。城市轨道交通按建设方式分类为：城市地下轨道交通、城市地面轨道交通和城市高架轨道交通。地下轨道交通如地铁（图1）受限于自然环境不同、地质条件不一、环境敏感等因素，修建要求较高,每公里线路综合造价在7-10亿元[1]；城市轨道交通高架线路以站场高架的方式释放了大面积地面空间，增加了城市土地利用率，减小了对城市空间的割裂，方便站点两侧的联系，可有效避免地下水位较高、地质条件不一等工程限制，在工程投资、运营费用、建设工期等方面具有优势，约为地下轨道交通建设造价的1/5-1/3，在国内外的城市轨道交通中，尤其是在城郊区域的线路中被广泛采用，根据《中国城市轨道交通年鉴（2020）》[2]，已有多个城市修建高架轨道交通，是城市轨道交通建设未来发展的方向。

图1 地下轨道交通--地铁

图2 城市高架轨道交通

3 高架轨道交通发展及分类

1888年，世界上第一座单轨线路诞生于爱尔兰。随后美国、俄罗斯、日本、分别修建西雅图单轨、莫斯科单轨、2K540区域。我国第一条高架轨道线为2000年修建的上海明珠线。

图3 西雅图单轨

图4 莫斯科单轨

高架车站根据桥梁结构与站房结构的结合方式分为“桥-建合一式”和“桥-建分离式”。“桥-建分离式”相比“桥-建合一式”，结构构件和基础工程量大，空间利用率低，目前已较少使用。“桥-建合一式”高架车站突破“列车荷载必须由桥涵结构承受”的传统理念，完全用建筑结构构件代替桥梁结构构件来直接承受列车荷载作用[3]。“桥-建合一式”高架车站按结构形式可以分为单墩柱、双墩柱和框架三类如下图7。

图5 2K540区域

图6 上海明珠线

图7 桥建合一式高架车站类型

4 “桥-建合一式”高架车站抗震设计方法

“桥-建合一式”高架车站结构由车站统一承担列车荷载和建筑荷载，具有建筑结构和桥梁结构双重属性，主要差异在桥梁与建筑部分刚度，在城市轨道交通中属于新型结构。设计可参照的规范包括：《建筑抗震设计规范》（GB50011）（以下简称《抗规》）[4]、《铁路工程抗震设计规范》（GB50111）（以下简称《铁规》）[5]、《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）（以下简称《城规》）[6]。其中《城规》规定对直接承受列车荷载的结构，采用《铁规》；对不承受车辆荷载的结构采用《抗规》。现有的设计原则一般是依据《建筑抗震设计规范》进行车站设计，针对承受列车荷载的构件，依据《铁路工程抗震设计规范》进行补充验算。然而，桥梁与建筑结构在规范设计方法上存在较大差异如下表1。在日本2011年东北大地震和2016年熊本大地震中都出现高架桥桥墩破坏情况，表明现行设计方法存在不足。与高架车站研究相关的论文同样表明按一种规范设计存在不足。鲍艳玲研究结果表明高架车站需同时满足《建筑抗震设计规范》和《铁路工程抗震设计规范》的要求[7]；周宏慧通过对上海市轨道交通11号线分析，建议为提高结构安全储备，设计时应满足《铁路桥涵设计基本规范》《地铁设计规范》《建筑抗震设计规范》[8]；胡时猛对重庆市狮子坪车站分析，认为“桥建合一式”高架车站应分别按《铁路桥涵规范》与《建筑抗震设计规范》进行计算，取其中较大值进行设计[9]；刘波对重庆轨道3号线分析表明，按现行《铁路抗震设计规范》中的单墩力学简化模型计算存在不足，应考虑偶然偏心影响并进行抗扭验算[10]。

表1 高架车站抗震设计方法规范对比

依据现有高架车站设计规范，同时参考文献研究结果，对“桥建合一式”高架车站设计提出如下设计方案（详图8）。采用基于性能的设计方法，依据《抗规》和《铁规》进行单独设计计算，配筋取大值。然后通过静力弹塑性分析确定是否满足既定的性能目标，具体设计思路如下：

图8 “桥-建合一式”高架车站抗震设计方法

（1）对比分析规范关于性能目标或性能水准的相关规定，结合高架车站工程特征，确定合理的性能目标；

（2）对比分析《铁规》、《城规》和《抗规》关于设防水准相关条文，确定合理的地震动参数；

（3）对比分析各本规范关于结构或构件抗震性能指标的选用，确定其内在力学联系，结合新型轨道交通高架车站结构的工程特征及国内外轨道交通桥梁的抗震性能研究成果，确定适用于此类结构的性能指标参数；

（4）依据《抗规》和《铁规》进行独立计算，验算指标是否满足各自规范要求，若满足，配筋取大值；

（5）基于静力弹塑性分析（Pushover分析），验算是否满足性能指标。

5 “桥-建合一式”高架车站抗震设计需进一步研究问题

地铁车站属于抗震设防类别为乙类的重要公共建筑。《抗规》中6.1.5条规定，甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构[11]。对于单墩柱结构、双墩柱结构高架，其设计不符合《抗规》要求。

6 结语

本文对城市轨道交通高架车站中“桥-建合一式”抗震设计方法进行探讨。通过对现有设计规范的分析和文献研究，提出基于性能的“桥-建合一式”高架车站抗震设计方案，指出现有设计规范在设计“桥-建合一式”单墩柱、双墩柱高架车站的不足。今后需通过试验或仿真计算进一步对“桥-建合一式”单墩柱、双墩柱高架车站的动力特性、抗震设计计算等进一步研究。