考虑近断层强震影响的铁路站房抗震韧性评估

潘 毅，宋佳雨，包韵雷，申 允，陈 强

（1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.抗震工程技术四川省重点实验室，四川 成都 610031；3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

铁路站房作为铁路网的重要组成部分，是综合交通体系的重要节点，承担着运输人员、集散物资等重要任务［1］。由于铁路选线限制，部分站房不得不修建在高烈度区，且临近地震断裂带。一旦发生强烈地震，站房产生一定程度的损伤，不仅会造成经济损失，还可能导致铁路线的运输功能中断。1995年，日本阪神7.2级地震造成甲阳园站站房和站台损坏，经济损失约660亿日元。2008年，汶川8.0 级地震造成绵阳站站房主楼受损，部分墙面坍塌，丧失了使用功能。2017年，青川5.4级地震导致多条经行线路的对应区间检修，造成绵阳站多趟列车晚点，大量旅客滞留。因此，铁路站房需要具有良好的抗震性能。

学者们针对铁路站房的抗震性能开展了研究。Li 等［5］对站房站台钢桁架和混凝土柱的连接部位进行了试验研究，结果表明其对整体结构的抗震性能有较大影响。Pelad 等［6］采用增量动力方法研究了意大利米兰站的地震易损性，结果表明该站房的拱形天花板、连接预制拱顶和钢桁架的地震超越概率较高。吕晓寅等［7］分析了中小型站房的抗震性能，表明震后站房结构的破坏主要集中于钢筋混凝土框架结构。杨劲等［8］采用有限元软件分析了宿州东站主站房的抗震性能，结果表明该站房的主要破坏特征为柱铰破坏。但目前，鲜有研究在近断层地震动下铁路站房的抗震性能。

由于铁路站房属于生命线工程，还需保障其在地震后的使用功能不中断或尽快恢复。因此，不仅对铁路站房的抗震性能有要求，而且对其抗震韧性也有较高要求。所谓抗震韧性，是指结构在设定水准地震作用后，维持与恢复原有功能属性的能力［9-11］。目前，国内外学者主要采用FEMA-P58，US RC Building Rating System 及GB/T 38591—2020《建筑抗震韧性评价标准》（简称《韧性标准》）等对建筑抗震韧性进行评估。Molina 等［12］基于FEMA-P58 评估了1 栋高层框架办公楼的抗震韧性，结果表明该结构直接经济损失约为建筑成本的34%。曾翔等［13］对3 栋典型建筑进行地震损失预测，表明建筑主要损失来自结构构件和墙体等位移敏感型非结构构件。潘鹏等［14-15］对《韧性标准》的关键条文进行了解读，并对6栋钢筋混凝土建筑进行了韧性评价。而上述研究均未涉及铁路站房，而铁路站房存在跨度大、层高较高、楼板局部不连续等结构特点［16］，这导致其抗震韧性评估中主要损失分布与普通建筑结构不同。

本文为掌握近断层强震作用下铁路站房维持与恢复原有功能的能力，分别采用近断层设计谱和抗震规范设计谱对典型铁路站房进行抗震设计，并结合铁路站房的特点，考虑近断层地震动的影响，对其抗震韧性进行评估，为近断层区铁路站房的抗震设计提供参考。

1 铁路站房抗震设计与模型建立

1.1 近断层设计谱

采用课题组建立的近断层抗震设计谱进行铁路站房抗震设计［17-18］，如图1所示。图中：T为结构自振周期，s；α为水平向地震影响系数；Tg为特征周期，s；γ为曲线下降段衰减指数；TL为曲线下降段终点对应的周期值。近断层水平向设计谱具体形式见式（1），近断层竖向设计谱具体形式见式（2）。

图1 近断层和抗震规范设计谱

式中：αmax，η1和η2分别为水平向地震影响系数最大值，直线下降段的下降斜率调整系数和阻尼调整系数，其取值与GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（简称《抗震规范》）相同；Tg按照《抗震规范》取值，多遇地震下其值不小于0.75 s，罕遇地震下其值不小于0.80 s；γ取0.9；kh为水平向设计谱的幅值放大系数，取1.5。

式中：αv和αvmax分别为竖向地震影响系数和竖向地震影响系数最大值，取值与《抗震规范》相同；Tg按照实际场地类别与设计地震分组进行取值，但多遇地震下不小于0.40 s，罕遇地震下不小于0.45 s；γ取为0.6；kv为竖向设计谱的幅值放大系数，取1.5。

1.2 铁路站房抗震设计

经过调研，铁路站房多具有层高较高、结构跨度大、楼板不连续及存在单跨框架等特点。选取某典型铁路站房为研究对象，该站房类型为线侧式，规模为中型站房，建筑面积约为14 720 m2，高度约为32 m。站房抗震设防烈度为8 度（0.3g，g为重力加速度），设计地震分组为第3 组。该站房结构出现了局部楼板不连续和单跨框架的情况。同时，结构中的最大柱距为27.00 m，跨度大于18.00 m，为大跨度框架结构。依据《韧性标准》要求，本文仅对该典型站房的地上部分进行分析［14］。站房建筑平面图如图2所示。

图2 站房建筑平面图（单位：mm）

1.3 铁路站房模型建立

采用有限元软件midas Gen 建立的典型铁路站房的数值模型，如图3所示。该铁路站房的主体结构为混凝土框架，屋面为钢网架。数值模型中混凝土框架的梁柱构件设置为梁单元，屋面钢网架设置为桁架单元。梁柱两端的塑性铰定义为集中铰，底部边界条件设为固接。此外，还将midas Gen 模型和设计院PKPM 模型进行了对比，2 个模型的前3阶振型的周期差值最大为9.0%，结构总质量分别为40 719 和39 579 t，两者差值为2.8%；周期和质量差值均在10.0%以内，验证了建立的midas Gen数值模型的合理性。

图3 典型铁路站房数值模型

对铁路站房进行抗震韧性评价之前，还需要建立其建筑性能模型。对于站房中的构件，需要按照其易损性类别分组，确定各组中构件的数量、造价等信息，并根据结构地震响应提取工程需求参数（Engineering Demand Parameter，EDP）。基于站房各专业图纸，根据TZJ 2206—2019《铁路工程估算定额》，建立铁路站房建筑性能模型，易损性组构件情况详见表1。表中：砌体填充墙的易损性数据来源于文献［20］，其他构件的易损性数据来源于《韧性标准》。与采用抗震规范设计谱的铁路站房相比，采用近断层设计谱的站房仅主体框架的梁柱配筋增加，其他构件未发生改变。

将表1 中结构构件的损伤分为4 个等级，非结构构件的损伤主要分为3个等级，典型构件的易损性曲线如图4 所示。图中：DS1 代表轻微损伤；DS2代表一般损伤；DS3代表中度损伤；DS4代表严重损伤；DS1'代表轻度损伤；DS2'代表中度损伤；DS3'代表严重损伤。

表1 易损性组构件

图4 典型构件的易损性曲线

2 近断层脉冲型地震动选取

根据该站房的场地条件，从美国太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center，PEER）数据库中选取了24 组近断层地震动，其记录参数见表2，其加速度反应谱如图5所示。

表2 24组近断层地震动记录参数

图5 近断层地震动反应谱

为对站房进行抗震韧性评估，根据《抗震规范》对所选地震动记录进行调幅。地震动H1向、H2向和V向的峰值加速度调幅比例为1∶0.85∶0.65。

3 铁路站房抗震韧性评估

3.1 地震响应分析

在设防地震和罕遇地震作用下，2 种设计谱下铁路站房最大层间位移角如图6 所示。由图6 可知：在设防地震作用下，采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房最大层间位移角平均值分别约为1/268 和1/269，这是由于2 种设计谱下的铁路站房仅配筋发生改变，此时结构仍处于弹性阶段，层间位移角差异不大；在罕遇地震作用下，采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房最大层间位移角平均值分别约为1/118 和1/138，采用近断层设计谱的铁路站房最大层间位移角平均值较小，这表明近断层设计谱可以有效控制铁路站房层间位移；采用2 种设计谱的铁路站房最大层间位移角均在第3层，即铁路站房的2 层候车厅，这是因为铁路站房功能特殊，为满足其空间布局需求，站房2 层候车厅的楼板局部不连续，且1 层候车室的中柱未能延续到2层，导致该区域存在单跨框架，结构刚度较低。

图6 最大层间位移角

在设防地震和罕遇地震作用下，2 种设计谱下铁路站房最大楼层峰值加速度平均值如图7 所示。由图7可知：在设防地震作用下，采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房最大楼层峰值加速度平均值分别为6.31 和7.25 m·s-2；在罕遇地震作用下，采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房最大楼层峰值加速度平均值分别为7.82 和9.34 m·s-2；采用近断层设计谱的铁路站房最大楼层峰值加速度平均值均明显大于采用抗震规范设计谱的铁路站房，这是由于采用近断层设计谱的铁路站房配筋较多，承载力较大，在地震作用下结构损伤小，刚度下降较小，因此最大楼层峰值加速度较大。

图7 楼层峰值加速度

3.2 蒙特卡罗模拟

地震作用具有一定的不确定性，然而本文选取的24 组地震动偏少，不能够有效考虑这种不确定性。因此，为充分考虑地震作用不确定性的影响，《韧性标准》中要求采用蒙特卡罗模拟的方法，以扩充工程需求参数，且模拟次数不少于1 000 次。考虑到铁路站房的重要性，开展了5 000 次蒙特卡罗模拟，并基于模拟结果计算铁路站房的损伤状态和修复费用、修复时间和人员损失等指标，其流程如图8所示。图中：x为蒙特卡罗模拟次数。

图8 蒙特卡罗模拟流程

根据该铁路站房的地震响应，首先，将设防地震和罕遇地震作用下采用2 种设计谱的铁路站房响应进行统计，得到其平均值μ和标准差σ；其次，进行蒙特卡罗模拟，以扩充铁路站房的工程需求参数；之后，拟合修复费用、修复时间和人员伤亡指标参数，并计算得到其对数正态分布对应的平均值和标准差；最后，取保证率为84%的拟合值，得出建筑修复费用、修复时间及人员伤亡的指标［21］。

建筑修复费用是修复、置换和拆除损伤构件的总费用，包括人工费、材料费和机械费。由于不同建筑物的建造成本存在差异，需要采用建筑修复费用指标来比较它们的震后经济损失，可由式（3）得到［21］。

式中：k为建筑修复费用评价指标；RT为建筑修复费用；CT为建造成本。

采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房建造成本分别为9 115.21 和9 395.21 万元，依据式（3），2 种设计谱的铁路站房建筑修复费用代表值均服从对数正态分布，如图9 所示。由图9 可知：在设防地震作用下，2 种设计谱的建筑修复费分别为379.32 和382.55 万元，相应的建筑修复费用指标k分别为4.16%和4.07%；采用近断层设计谱的铁路站房的修复费用较不考虑近断层强震影响的铁路站房提高了0.85%；在罕遇地震作用下，2 种设计谱的建筑修复费分别为1 035.32 和882.82万元，相应的建筑修复费用指标k分别为11.36%和9.34%；采用近断层设计谱的铁路站房的修复费用较不考虑近断层强震影响的铁路站房降低了14.73%。

图9 建筑修复费用分布

建筑修复时间是指在合理的修复方案和配置下，修复受损构件至其原有功能需要的时间，可由式（4）得到［21］。

式中：Qi，k为第k层第i类构件的修复工时总和；Qi，j，k为第k层处于损伤状态j的第i类构件的修复工时；ni，j，k为第k层处于损伤状态j的第i类构件数量；ξTi为考虑第i类震损构件修复工程量的修复工时折减系数；λTi为考虑震损构件所在楼层位置k的楼层影响系数；k为建筑层数，k=1，2，…，n，n为总层数；i为震损构件类型，i=1，2，3；j为震损构件损伤状态，j=1，2，3，4。

根据式（4），2 种设计谱的铁路站房修复时间代表值均服从对数正态分布，如图10 所示。由图10 可知：采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房，在设防地震作用下的修复时间分别为13.20 和12.30 d；在罕遇地震作用下的修复时间分别为22.90 和21.20 d；在设防和罕遇地震作用下，采用近断层设计谱的铁路站房的修复时间较不考虑近断层强震影响的铁路站房，分别降低了6.81%和7.42%。

图10 建筑修复时间分布

铁路站房作为交通体系的重要节点，承担着运输人员、集散物资等重要任务，重要性远远高于普通民用建筑。震后站房一旦发生损坏，为保障其功能快速恢复，相应的社会响应一定高于普通民用建筑。因此，对铁路站房进行抗震韧性评估时，还需考虑铁路站房的特殊性，针对修复时间提出更为合理的计算方法。

人员伤亡指标主要指名义受伤率和死亡率，名义受伤率是震后受伤人数与总人数的比值，名义死亡率是震后死亡人数与总人数的比值，可由式（5）和式（6）计算得到［21］。

式中：γH为名义受伤率；γD为名义死亡率；MH为受伤人数；MD为死亡人数；m为建筑房间功能类型，m=1，2，3，4，5，6；ζm为第m类功能房间的人员密度；Am为第m类功能房间的总建筑面积。

根据式（5）和式（6），在8 度（0.3g）设防地震和罕遇地震作用下，采用2 种设计谱的铁路站房的人员伤亡人数极少，计算结果不可以满足对数正态分布，取5 000 次模拟结果的均值用于计算铁路站房的人员伤亡率。

3.3 抗震韧性评价

依据《韧性标准》划分的评价等级，对采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的铁路站房进行抗震韧性评级。对比2 种设计谱的站房的修复费用，如图11 所示。图中：变化率为近断层设计谱和抗震规范设计谱的比值。采用抗震规范设计谱的铁路站房建筑修复费用的评级为一星，采用近断层设计谱的铁路站房建筑修复费用的评级为二星。

图11 站房建筑修复费用对比

由图11 可知：在设防地震作用下，采用近断层设计谱的站房结构构件修复费用较抗震规范设计谱增加了8.6%，这是由于两者的震后损伤较小，差异不大，但近断层设计谱在增加了站房结构构件的配筋，提高了其造价，导致其震后修复费用增大。采用近断层设计谱的位移型非结构构件修复费用较抗震规范设计谱降低了4.4%。这是由于采用近断层设计谱的站房配筋增加，提高了其承载力，使得震后损伤减少，修复费用降低。在设防地震作用下，采用2 种设计谱的加速度型非结构构件修复费用均为0。这是由于两者的加速度型非结构构件损伤均较小，未产生修复费用；在罕遇地震作用下，与抗震规范设计谱的站房相比，近断层设计谱的站房中结构构件与位移型非结构构件的修复费用分别降低了30.3%和5.3%。2 种设计谱的加速度型非结构构件修复费用相同，这是由于罕遇地震作用下的站房楼层峰值加速度未能使其在损伤等级上出现差异。

对比设防和罕遇地震作用下2 种设计谱的站房建筑修复时间，如图12 所示。由图12 可知：采用2 种设计谱，其铁路站房修复时间变化规律，同修复费用一致；但2 种设计谱的铁路站房修复时间差异不大。故建筑修复时间指标的抗震韧性评级均为二星。这是由于近断层设计谱仅控制了结构的位移响应，未能有效降低结构楼层加速度，使得两者修复时间差异不大。

图12 站房建筑修复时间对比

采用2 种设计谱的铁路站房人员伤亡率对比，见表3。由表3 可知：随着地震强度的增加，人员死亡率的代表值逐渐增大。采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的站房人员伤亡评级分别为一星和二星。在设防地震作用下，采用近断层设计谱的铁路站房的死亡率和受伤率较抗震规范设计谱的铁路站房，分别降低了56.18%和44.54%。在罕遇地震作用下，采用近断层设计谱的铁路站房的受伤率和死亡率较抗震规范设计谱的铁路站房，分别降低了98.20%和90.00%。这表明近断层设计谱能明显降低铁路站房在地震作用下的人员伤亡率。

表3 站房人员伤亡率对比

基于铁路站房建筑修复费用、修复时间及人员伤亡指标3 项指标的等级，按《韧性标准》取3 项指标的最低等级作为该建筑的抗震韧性等级，见表4。由表4 可知：采用抗震规范设计谱和近断层设计谱的站房韧性综合评级分别为一星和二星，这表明考虑近断层强震影响对近断层区站房进行设计可以有效提高其抗震韧性等级。

表4 站房抗震韧性评级

4 结论

（1）在8 度（0.3g）罕遇地震作用下，考虑近断层强震影响的站房修复费用为882.82 万元，修复时间为21.20 d，受伤率为1.25×10-4，死亡率为1.25×10-5。站房修复费用、修复时间、受伤率和死亡率较不考虑近断层强震影响的铁路站房，分别降低了14.73%，7.42%，98.20%和90.00%。因此，在近断层区铁路站房的抗震设计中，建议考虑近断层强震影响，以降低铁路站房的修复费用、修复时间和人员伤亡率。

（2）考虑近断层强震影响的铁路站房抗震韧性等级为二星，而不考虑近断层强震影响的铁路站房抗震韧性等级为一星。因此，在铁路站房的抗震设计中，建议考虑近断层强震影响，以提高铁路站房的抗震韧性，保证铁路站房在震后快速恢复的能力。

（3）铁路站房发生震害后，为保证尽快恢复运营，其社会响应会高于普通民用建筑。因此，在铁路站房的抗震韧性评估中，建议考虑铁路站房的特殊性，提出更合理的修复时间计算方法。