铁路旅客站房跨越地裂缝建筑室内构造措施研究及优化设计*

康志明，朱元友，李 影，蒋雨芮

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043； 2.西南交通大学，四川 成都 610031)

0 引言

我国地裂缝分布十分广泛，且近年来具有范围不断扩大、危害不断加重的趋势。据统计，在陕西、山西、河北、山东、河南及京津地区的300多个市县已发现有地裂缝1 000多处，危害严重的就有400多处。由于地裂缝两侧岩土体的相对沉降及水平方向的拉张和错动作用，使地表及地下设施遭受严重破坏，给人民生命财产造成巨大损失[1]。

关于西安地裂缝的成因，目前形成共识的结论是，承压水的过量开采是形成西安地面沉降的主要原因。1996年至今，黑河引水工程竣工，加之西安市采取了限采承压水和逐步封井的有效措施，区域承压水位正在逐渐回升，西安地裂缝的活动速率大幅度减缓[2]，但由于变形的不确定性，本着“百年大计”的方针，在地裂缝附近或跨越地裂缝建设项目设计仍应慎之又慎。

如图1所示，目前在建的西安火车站改扩建工程，设计上就由于功能及景观上的需要，无法避开f3地裂缝，该地裂缝从高架候车厅中部沿东北-西南方向斜向穿过。

图1 地裂缝穿越高架候车厅位置示意

因此，受地裂缝影响，该建筑跨地裂缝处的变形缝具有以下特点。

1)如图1所示，该处变形缝的走向无法与建筑轴线网格一致，具有缝隙走向不规则的特点。

2)该地裂缝的活动方式是蠕动，具有三维位移活动特征，即南倾南降的垂直沉降、水平引张和水平扭动，三者比值大致为1∶0.31∶0.03，因此，该处变形缝应具有满足复杂变形的特点。

3)如图2所示，根据相关测量，目前沉降变形速度趋缓，但仍超出普通建筑构造设计体系及建筑变形缝的可调节范围。按20年设计标准，其竖向总变形量为60～100mm，水平总变形量为20～30mm[3]，该处变形缝应具有满足变形量大的特点。

图2 西安地裂缝发展阶段划分

1 国内研究现状

张宇对以往的变形缝设计案例进行了回顾梳理，并对变形缝设计进行了系统性阐述，总结了设计方法[4]。刘丹剖析了目前建筑工程中楼面、墙身、屋面等变形缝构造做法存在的问题，并针对这些问题提出了自己的优化改进方案[5]。关于楼面变形缝，张晓东以香港铁路兆康车站的设计、施工为例，对其实际工程中楼板与楼板、墙体与楼板及墙体与墙体3种节点的连接设计做了介绍，并提出具体的施工技术措施[6]。关于墙身变形缝，张道真在建筑室外平缝上，通过耐水耐候胶粘剂的应用，调整了防震缝常规设计理念，提出了简单可靠的新式构造节点设计[7]。关于屋面变形缝，解小东等论述了一种新型行车屋面变形缝构造设计与施工方法[8]；林文理对平屋面中上人屋面的变形缝和高低跨处的变形缝处理与改进提出了自己的见解[9]；叶富存等结合实际工程常遇到的屋面变形缝设计情况，对水平与竖向变形缝的做法进行了优化设计[10]；薛荣义剖析了常见的3种直立锁边金属屋面变形缝处理方式的优劣，为直立金属变形缝的处理方式提供了更为合理的参考[11]。关于地下工程变形缝，张道真等在地下工程变形缝上，为克服土建粗糙施工的影响，设计了一种由M形止水带与骑缝滑移压盖组合而成的新型变形缝构造[12]；为回避传统土建施工带来的极不规则变形缝的影响，放弃了集密封防水与抵抗静水压于一体的传统方法，介绍了一种采用化学密封与物理抗压分开组合以适应多向变形的变形缝新构造[13]；针对过宽、宽窄不一，且整体缝系统较复杂的工程，介绍了一种在嵌锚式止水带基础上，设置双侧锚压构造，使密封、承压整合成一体的全新地下工程变形缝构造[14]；针对地下工程变形缝承受静水压力高，而传统构造多依赖物理挤压实现密封，局部缝隙处挤压力强弱不一，易引发渗漏问题，设计了一种能承受较高静水压，适应动态多向变形，并可实现工厂化生产、现场装配、精准施作、方便维修的标准模块化新构造、新工艺[15],为地下工程变形缝及变形缝处防水抗压处理提供了新思路。

整体而言，目前国内建筑变形缝的做法多是参照通用图集，相关研究也仅针对普通建筑的结构设缝。对于像西安火车站这样跨越地裂缝的大型公共建筑的变形缝研究资料并未查到，针对有较大沉降及变形的建筑变形缝节点构造设计也属于空白研究领域。因此，对幕墙、金属屋面等节点跨缝处的构造设计进行研究，对西安火车站的内外装修效果和运营阶段的使用维护有着重要意义。

2 国内常见做法局限性

国内外在面对具有较大沉降变形量的地块时，往往会从规划层面通过分区分块设计进行回避，常见的变形缝通用做法也只适用于变形情况简单、变形量较小的建筑，在面对如跨越地裂缝等具有复杂变形情况的建筑时，相关构造设计的局限性便暴露无遗，以下举例说明目前国内针对变形缝的一些做法的局限性。

2.1 屋顶

金属屋面因其质量小、抗震性好、造价低，目前在大跨度建筑中应用非常普遍。目前国内大型交通建筑的屋顶，如图3所示北京南站和图4所示西安北站，均采用金属屋面。但目前标准图中的变形缝做法如图5所示，基本针对的都是钢筋混凝土结构建筑，因此，对于大跨度金属屋面针对性不强。

图3 北京南站实景

图4 西安北站实景

图5 屋面变形缝常见做法

2.2 吊顶

如图6所示吊顶做法，针对水平变形尚可，但若是竖向变形，则两侧吊顶中间的盖板将变得倾斜，影响室内装修效果；且该做法须沿变形缝走向布置盖板，在室内设计要求较高时，对室内设计造成较大制约，对室内装饰效果会形成较大破坏。

图6 常见吊顶做法

2.3 楼地面

如图7所示楼地面常见做法，最突出的问题是，由于地裂缝走向不规则，缝隙处的金属盖板若沿着地裂缝走向布置，将对室内设计效果造成较大制约或破坏。

2.4 墙面

如图8所示墙面做法，未考虑公共建筑室内常见的干挂石材做法。

图8 墙面变形缝常见做法

3 初步研究成果

根据西安火车站改扩建项目跨地裂缝处变形缝实际工程需求，本文拟分别从金属屋面、吊顶、楼地面和墙面4个部分提出变形缝处理的新思路。

3.1 金属屋面

西安火车站改扩建工程采用的为金属屋面系统，屋面板为1.0mm厚直立锁边铝锰镁合金板。如图9所示，在变形缝位置，两侧金属网架结构外伸，中间形成天沟排水。金属变形缝处的天沟由3道防水层和1层保温层组成，按顺序从天沟内到外分别为：3mm 厚不锈钢板防水层，50mm厚超细玻璃棉保温层(厚度或根据热工计算确定)，卷材防水层及 3mm 厚不锈钢板防水层。天沟两侧一侧高、一侧低，按较低一侧确定天沟净深度约360mm，该尺寸应根据天沟设置雨水管及当地降雨量的具体情况综合判定，可有一定尺寸浮动，但建议最小宜≥250mm，以免因排水不畅发生渗漏情况；最大建议宜≤500mm， 以免天沟质量过大对连接节点造成破坏。天沟两端均用槽钢收口，以不锈钢螺栓拧紧固定，高侧天沟的收口槽钢直接吊挂于金属屋面的收口龙骨上；低侧天沟的收口槽钢则吊挂于3mm厚折弯的不锈钢板上，该不锈钢板上做条形开孔以便在变形缝两侧产生水平位移时吊挂螺栓可水平滑动，此外如图10所示，低侧吊挂螺栓连接的折弯不锈钢板与锯齿形的钢板焊接(锯齿形钢板厚度根据试验测定)，该锯齿形钢板另一端焊接于金属屋面的端部收头龙骨。

图9 屋面变形缝节点

图10 屋面变形缝节点详图

当该金属屋面在变形缝两侧产生竖向变形时，可通过锯齿形钢板的拉伸或压缩来适应，产生水平变形时，可通过天沟低侧端头的吊挂螺栓在不锈钢折弯板上的左右滑移来适应。

3.2 吊顶

吊顶方案是基于通常吊顶做法进行改良而设计。通常的吊顶做法中，通过吊挂件的固定螺栓及吊筋本身的丝口即可进行竖向调节，但调节余量较小，为适应变形缝两侧可能较大的竖向沉降量，改良后吊顶处的竖向吊筋应尽可能留有较长调节量，建议≥50mm。同时，如图11所示，为了适应水平方向可能的变形，改良后变形缝两侧紧邻的吊筋不直接固定于主体结构，而是在上部先固定2个轨道，分内、外滑轨。内滑轨为一下部拉通开槽的方钢管，吊筋穿过此开槽，上部用螺栓卡在内滑轨上。

图11 吊顶变形缝节点

内滑轨放置于外滑轨中，外滑轨比内滑轨宽，下部有以膨胀螺栓固定于钢筋混凝土结构板或焊接固定于金属屋面的钢结构，内滑轨两侧均留有约25mm活动空间。外滑轨与内滑轨长约250mm，外滑轨两侧相对位置各开有直径8mm螺栓孔各2个，外滑轨外侧焊接内丝口的套管，两侧用4个直径8mm螺栓固定内滑轨位置。这样，当变形发生时，吊筋可分别在竖向及水平方向上调节，以适应其变形。

龙骨布置时，主龙骨和副龙骨不跨越变形缝，以横撑龙骨跨越变形缝，当变形发生时，只需更换部分横撑龙骨和面板即可维持原有的室内装修效果。

3.3 楼地面

室内装修做法大量采用石材等铺贴材料，由于地裂缝的走向不规则，很可能是斜交于主体建筑平面，如果室内铺贴材料在该位置留缝，将对室内设计的效果造成极大破坏。因此，如图12所示，考虑室内在变形缝两侧仍保持通常的直角正交的铺贴方式，但在变形缝两侧紧邻的地面上铺设龙骨，龙骨上铺设10mm厚钢板，钢板上再铺设地板铺贴材料如石材、面砖等。

图12 室内楼地面变形缝处理

如图13所示，地面设置双向方钢管作为龙骨，龙骨以塑料胀管或膨胀螺栓固定于地面基层上。龙骨上焊接T形钢条T30×30×3或∟30×30×3分格，每个分格内再嵌入10mm厚钢板，钢板上铺3mm厚橡胶板，橡胶板上再虚铺地面铺贴材料，室内设计的效果将基本不受影响。设置钢板是考虑到楼地面承受足够荷载的需要。之所以虚铺，是考虑到今后变形缝可能面临检修。

图13 室内楼地面龙骨详图

为减少变形对室内楼地面的影响，跨越变形缝的每个分格内的铺贴材料周边设置3mm厚橡胶条。如果水平变形累积量较大，可能导致这些铺贴材料更换，虚铺的目的是方便更换这些铺贴材料。

变形缝位置两侧左、右二次浇筑混凝土，宽100mm、高50mm，其上固定防水卷材，缝隙以玻璃棉嵌填严实，以起到保温和防火作用。

3.4 墙面

常见的墙面做法或干挂石材墙面，或铺贴或涂料类墙面，对于干挂石材，可在石材背面以专用石材胶(环氧树脂)粘贴一处同质地石材(或按室内设计粘贴其他材质的石材)。考虑到变形缝宽度较大时，粘贴石材较重，后期可能脱落，也可考虑在背面以背栓式固定薄钢板的做法(见图14)。钢板可采用不锈钢板，或表面仿石材纹理(见图15)等饰面。

图14 墙面变形缝背栓式固定薄钢板

图15 表面仿木纹理与石材纹理钢板

针对铺贴或涂料类墙面，可按如图16所示做法，根据室内装饰需要定制压型钢板，压型钢板一侧以结构胶(环氧树脂)粘贴于墙体基层，既可适应竖向变形，又可适应水平变形。

图16 铺贴或涂料类墙面做法

此外，也可采用不锈钢板开孔固定法，如图17所示，通过竖向调节膨胀螺栓挂在结构基层的位置来抵消垂直方向的变形，水平方向变形较小则主要依靠螺栓与竖向缝隙之间的余量调节。

图17 墙面变形缝不锈钢板开孔固定法

4 结语

在西安火车站高架候车厅实际项目建设过程中发现，通用变形缝做法并不能完全适用于变形量大、变形情况复杂的建筑。因此，为满足实际工程要求，提高建筑变形缝处构造的抗变形能力，在对跨地裂缝区域屋面、吊顶、楼面、墙面的建筑变形情况掌握的基础上，优化了相关变形缝节点构造设计，为同类工程设计提供了处理的新方法。