西安火车站跨地裂缝高架候车室主体结构设计与分析

张 谦

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

西安火车站坐落于西安市大明宫遗址公园和西安城墙之间，是中国铁路网东西交汇的咽喉要道。既有南站房规模小，车站容量已基本饱和，无法满足日益增长的客运需求，急需进一步的改造和扩建[1-2]。

西安站新建站房由高架候车室与新建北站房组成，其中高架候车室跨越整个轨道区域，联通既有南站房和新建北站房，是旅客进入站台乘车的主要候车区，西安站建筑效果如图1所示。

高架候车室建筑面积约27 000 m2，宽度(顺轨道方向)为135 m，长度(垂直轨道方向)约200 m。顺轨道方向柱网与北站房相对应，按12.0 m或13.5 m布置，垂直轨道方向柱网避让轨道，为21.1～26.4 m。高架候车室候车层楼面高程10.0 m，两侧商业层楼面高程18.0 m，建筑檐口高程30.0 m，屋脊最高点高程37.0 m，高架候车室顺轨道剖面如图2所示。

图1 西安站工程建筑效果图

图2 高架候车室剖面(单位：m)

西安f3地裂缝自西南向东北小角度贯穿高架候车室[3]，使其成为跨越地裂缝的特殊铁路客站建筑。

西安地裂缝是在过量开采承压水，产生不均匀地面沉降的条件下，临潼～长安断裂带西北侧(上盘)一组北东走向的隐伏地裂缝出现活动，在地表形成的破裂，是一种地区性的灾害地质现象。地裂缝的活动方式是蠕动，主要表现为主地裂缝的南侧(上盘)下降，北侧(下盘)相对上升，这种活动不仅会引起建筑结构的局部沉降破坏，甚至会引起结构的整体倾斜倒塌，威胁到房屋的正常使用和生命财产安全[4-7]。

根据DBJ61—6—2006《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》并综合拟建场地现有沉降监测数据及地下深层承压水的开采情况，规程编委组专家专题论证后一致确认：本场地内的建筑物单体跨越地裂缝后，两侧的基础与地裂缝间满足一定的避让距离时，适宜建筑，并给出了明确的避让距离要求[8]。

2 跨地裂缝高架候车室结构设计

2.1 设计标准及自然条件

高架候车室的设计使用年限为50年，满足100年的耐久性要求，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，建筑结构安全等级为一级。

本地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，特征周期为0.40 s。基本风压为0.40 kN/m2(100年一遇)，地面粗糙度为B类；基本雪压为0.30 kN/m2(100年一遇)，积雪分布系数按1.0考虑。

2.2 结构体系

综合其经济性和抗震性能，结合专家评审意见和已有的工程经验[8-10]，高架候车室采用钢筋混凝土框架结构，其中高架候车室两侧商业层范围内以及地裂缝相邻跨采用型钢混凝土框架。按9度抗震设防烈度采取抗震措施，框架结构的抗震等级为一级，抗震构造措施按特一级加强。

2.3 设计要点

地裂缝的存在将高架候车室分成上、下2个异形结构单元，上部结构单元呈极不规则的三角形布置，抗震性能极差，因此设计中打破传统旅客站房结构布置的形式，将地裂缝下盘结构单元与北站房连成整体，形成一个相对稳定的梯形结构单元，地裂缝上盘的高架候车室为一单独的结构单元，跨地裂缝高架候车室结构平面见图3。

图3 跨地裂缝高架候车室结构平面示意

2.3.1 跨缝结构设计

地裂缝上、下两个单元间通过设置大跨钢桁架(高程10.0 m候车层)、跨层钢桁架(高程18.0 m商业层)及钢网架(高程30.0 m屋盖层)实现对地裂缝的跨越，结构剖面示意如图4所示。

钢桁架及网架均随地裂缝布置，平面外刚度较弱，难以将两个结构单元连成整体协调受力和变形，因此跨缝结构采用一端固定铰、一端滑动铰的弱连接方式进行连接，减弱两个结构单元相互影响，并且可以提高结构对地裂缝蠕动变形的适应能力。

在大震作用下，不规则复杂连体结构的碰撞，容易使局部构件提前发生屈服[11]，为了减轻这种效应，按照罕遇地震下结构发生的相对位移，加大了滑动铰支座与主体结构之间的自由滑移空间。

图4 跨地裂缝结构剖面示意

2.3.2 基础设计

柱下基础采用钻孔灌注桩，将高架候车室的基础布置在地裂缝避让距离之外，从图4可以看出，跨缝桁架南侧(上盘)柱下桩(地裂缝上盘)越长，避让距离越大，会导致跨缝桁架跨度增大，桁架高度在满足建筑净高要求时，难以满足承载力和舒适度要求。为此，采用桩端后注浆技术，可以提高单桩承载力，控制桩长，为上部结构设计创造有利条件。

2.3.3 屋盖设计

根据建筑屋面造型，结合结构柱网与经济性要求，屋盖结构采用双层曲面四角锥网架，采光区域为单层网架。最大跨度75 m，跨中厚度5.5 m。支座采用具有一定弹性刚度的建筑球型支座，减轻屋盖结构与下部支承结构相互的刚度影响。

2.3.4 超长结构设计

最大的结构单元平面两方向分别为135 m和160 m，温度作用对结构影响明显，计算中对钢结构与混凝土结构分别考虑室内和室外不同的温度作用，考虑混凝土徐变、收缩及其截面刚度退化的影响[12-13]，并采取以下措施：综合设置后浇带和膨胀加强带减少混凝土的收缩变形，楼板板顶跨中钢筋贯通，楼板下部钢筋在支座处拉通或锚固，同时沿板厚方向布置缓黏结预应力筋，建立预压应力抵抗混凝土拉应力。

3 高架候车室抗震性能分析

3.1 高架候车室结构特征及性能设计目标

由于跨缝钢结构与地裂缝上下盘间的高架车室采用弱连接方式，除桁架支座给主体结构传递集中荷载外，只要保证滑移端的自由滑移量，单侧高架候车室结构单元的受力与普通站房基本一致[14-15]。因此，以地裂缝上盘结构单元为例进行抗震性能分析。

根据工程的场地条件、社会效益及结构重要性，并考虑经济因素，制定本工程的抗震性能目标为GB50011—2016《建筑抗震设计规范》性能3的要求(对应于《高层建筑混凝土结构技术规程》性能目标C)，即多遇地震弹性，设防地震作用下正截面承载力不屈服、抗剪承载力弹性，罕遇地震作用不屈服。

3.2 多遇地震弹性分析

采用SAP2000(v19)及YJK1.9.1两个软件分别建立空间模型进行振型分解反应谱法计算，屋面网架采用同济大学编制的“3D3S(V14.0.0)”设计，计算模型如图5所示。

图5 计算模型

整体计算考虑水平地震与竖向地震组合，计算结果见表1。由表1可见，两个软件的计算结果吻合较好，准确反映了结构质量和刚度分布，可以作为进一步分析的基础模型。

表1 多遇地震静力弹性分析主要计算结果

3.3 设防地震及罕遇地震作用下等效弹性验算

采用等效弹性方法对结构进行计算，设防地震和罕遇地震计算中结构阻尼比分别增加0.01和0.02。

设防地震作用下，层间最大位移角X向为1/303，Y向为1/378，轻微损坏，变形小于2倍弹性位移限值1/275；结构的关键构件及普通竖向构件满足正截面承载力不屈服、抗剪承载力弹性的性能目标，符合性能3的要求。

罕遇地震作用下，层间最大位移角X向为1/163，Y向为1/187，有明显塑性变形，变形小于4倍弹性位移限值1/140；罕遇地震作用下结构的关键构件可达到抗震承载力不屈服的性能目标，满足性能3的要求。

结构施工图设计时取多遇地震、设防地震与罕遇地震作用下配筋的包络值。

3.4 时程分析3.4.1 多遇地震弹性时程分析

时程分析采用5条天然波和2条人工波，地震波输入三向地震作用，主水平方向、次水平方向和竖向的峰值加速度比值为1∶0.85∶0.65。其时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数在统计意义上相符，如图6所示。

图6 反应谱与规范谱对比

7条地震波作用下基底剪力见表2，可见结构基底剪力均达到了单条波振型分解反应谱计算结果的65%，在X向、Y向地震动下，7条地震波的平均值均不小于反应谱法计算结果的80%，也不超过反应谱法计算结果的120%，满足现行规范要求。

根据时程分析可得出各楼层的剪力放大系数，与振型分解反应谱法对比，X向、Y向地震效应放大系数最大值分别为1.04和1.05，因此设计时反应谱计算的结构时程调整系数确定为1.05，据此进行施工图设计。

表2 多遇地震弹性时程分析基底剪力

3.4.2 罕遇地震弹塑性时程分析

为研究结构在罕遇地震作用下的动力响应和抗震性能，进行结构动力弹塑性时程分析，分析考虑P-Δ效应及材料非线性。

从图7可以看出，结构最大位移满足规范限值，结构的周期逐步变长，这是由于部分构件累积损伤，导致结构整体刚度退化，进入塑性状态。

图7 结构顶点位移时程曲线对比

分析结果表明，在7组地震波作用下，结构X向和Y向的最大弹塑性层间位移角平均值分别为1/164和1/151，小于4倍弹性位移限值1/140，结构在罕遇地震作用下有一定的塑性变形，部分构件进入屈服阶段，结构的抗倒塌能力足够，结构承载力未发生明显下降。

3.4.3 构件损伤分析

结构构件没有大规模发生屈服现象，大部分构件仍处于弹性状态，部分高架层垂直轨道方向的框架梁及商业层框架梁进入屈服阶段，少量高架层框架柱发生屈服，其中角部柱出现较明显的塑性变形，但不是全截面屈服，构件离失效还有一定的安全储备空间，设计中对这些构件进行加强处理。

根据分析结果，站房结构满足GB50011—2016《建筑抗震设计规范》性能要求，结构具有良好的抗震性能。

4 结语

(1)结构设计过程中采取了新的设计理念和合理的结构措施，将地裂缝北侧高架候车室与北站房连为一体，形成一个相对稳定的梯形结构单元，使结构受力更加合理。

(2)针对地裂缝斜穿高架候车室的特殊边界条件，通过基础合理避让，上部结构设置跨缝钢桁架(网架)的结构方式，有效增强了建筑物适应地裂缝不均匀沉降变形的能力，减小了地裂缝的影响，最大程度上实现建筑功能的完整性。

(3)结合高架候车室独特的受力特征，主体采用钢筋混凝土结构，部分大跨及地裂缝相邻区域采用型钢混凝土结构，增强了结构的承载力和抗震性能。

(4)对高架候车室进行了设防地震及罕遇地震作用下的抗震性能设计及弹塑性时程分析，结果表明整体结构可达到性能3的目标，结构抗震性能良好。