潘 毅，宋佳雨，包韻雷，申 允，陳 強

（1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.抗震工程技術四川省重點實驗室，四川 成都 610031；3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

鐵路站房作為鐵路網的重要組成部分，是綜合交通體系的重要節(jié)點，承擔著運輸人員、集散物資等重要任務［1］。由于鐵路選線限制，部分站房不得不修建在高烈度區(qū)，且臨近地震斷裂帶。一旦發(fā)生強烈地震，站房產生一定程度的損傷，不僅會造成經濟損失，還可能導致鐵路線的運輸功能中斷。1995年，日本阪神7.2級地震造成甲陽園站站房和站臺損壞，經濟損失約660億日元。2008年，汶川8.0 級地震造成綿陽站站房主樓受損，部分墻面坍塌，喪失了使用功能。2017年，青川5.4級地震導致多條經行線路的對應區(qū)間檢修，造成綿陽站多趟列車晚點，大量旅客滯留。因此，鐵路站房需要具有良好的抗震性能。

學者們針對鐵路站房的抗震性能開展了研究。Li 等［5］對站房站臺鋼桁架和混凝土柱的連接部位進行了試驗研究，結果表明其對整體結構的抗震性能有較大影響。Pelad 等［6］采用增量動力方法研究了意大利米蘭站的地震易損性，結果表明該站房的拱形天花板、連接預制拱頂和鋼桁架的地震超越概率較高。呂曉寅等［7］分析了中小型站房的抗震性能，表明震后站房結構的破壞主要集中于鋼筋混凝土框架結構。楊勁等［8］采用有限元軟件分析了宿州東站主站房的抗震性能，結果表明該站房的主要破壞特征為柱鉸破壞。但目前，鮮有研究在近斷層地震動下鐵路站房的抗震性能。

由于鐵路站房屬于生命線工程，還需保障其在地震后的使用功能不中斷或盡快恢復。因此，不僅對鐵路站房的抗震性能有要求，而且對其抗震韌性也有較高要求。所謂抗震韌性，是指結構在設定水準地震作用后，維持與恢復原有功能屬性的能力［9-11］。目前，國內外學者主要采用FEMA-P58，US RC Building Rating System 及GB/T 38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》（簡稱《韌性標準》）等對建筑抗震韌性進行評估。Molina 等［12］基于FEMA-P58 評估了1 棟高層框架辦公樓的抗震韌性，結果表明該結構直接經濟損失約為建筑成本的34%。曾翔等［13］對3 棟典型建筑進行地震損失預測，表明建筑主要損失來自結構構件和墻體等位移敏感型非結構構件。潘鵬等［14-15］對《韌性標準》的關鍵條文進行了解讀，并對6棟鋼筋混凝土建筑進行了韌性評價。而上述研究均未涉及鐵路站房，而鐵路站房存在跨度大、層高較高、樓板局部不連續(xù)等結構特點［16］，這導致其抗震韌性評估中主要損失分布與普通建筑結構不同。

本文為掌握近斷層強震作用下鐵路站房維持與恢復原有功能的能力，分別采用近斷層設計譜和抗震規(guī)范設計譜對典型鐵路站房進行抗震設計，并結合鐵路站房的特點，考慮近斷層地震動的影響，對其抗震韌性進行評估，為近斷層區(qū)鐵路站房的抗震設計提供參考。

1 鐵路站房抗震設計與模型建立

1.1 近斷層設計譜

采用課題組建立的近斷層抗震設計譜進行鐵路站房抗震設計［17-18］，如圖1所示。圖中：T為結構自振周期，s；α為水平向地震影響系數；Tg為特征周期，s；γ為曲線下降段衰減指數；TL為曲線下降段終點對應的周期值。近斷層水平向設計譜具體形式見式（1），近斷層豎向設計譜具體形式見式（2）。

圖1 近斷層和抗震規(guī)范設計譜

式中：αmax，η1和η2分別為水平向地震影響系數最大值，直線下降段的下降斜率調整系數和阻尼調整系數，其取值與GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（簡稱《抗震規(guī)范》）相同；Tg按照《抗震規(guī)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為水平向設計譜的幅值放大系數，取1.5。

式中：αv和αvmax分別為豎向地震影響系數和豎向地震影響系數最大值，取值與《抗震規(guī)范》相同；Tg按照實際場地類別與設計地震分組進行取值，但多遇地震下不小于0.40 s，罕遇地震下不小于0.45 s；γ取為0.6；kv為豎向設計譜的幅值放大系數，取1.5。

1.2 鐵路站房抗震設計

經過調研，鐵路站房多具有層高較高、結構跨度大、樓板不連續(xù)及存在單跨框架等特點。選取某典型鐵路站房為研究對象，該站房類型為線側式，規(guī)模為中型站房，建筑面積約為14 720 m2，高度約為32 m。站房抗震設防烈度為8 度（0.3g，g為重力加速度），設計地震分組為第3 組。該站房結構出現了局部樓板不連續(xù)和單跨框架的情況。同時，結構中的最大柱距為27.00 m，跨度大于18.00 m，為大跨度框架結構。依據《韌性標準》要求，本文僅對該典型站房的地上部分進行分析［14］。站房建筑平面圖如圖2所示。

圖2 站房建筑平面圖（單位：mm）

1.3 鐵路站房模型建立

采用有限元軟件midas Gen 建立的典型鐵路站房的數值模型，如圖3所示。該鐵路站房的主體結構為混凝土框架，屋面為鋼網架。數值模型中混凝土框架的梁柱構件設置為梁單元，屋面鋼網架設置為桁架單元。梁柱兩端的塑性鉸定義為集中鉸，底部邊界條件設為固接。此外，還將midas Gen 模型和設計院PKPM 模型進行了對比，2 個模型的前3階振型的周期差值最大為9.0%，結構總質量分別為40 719 和39 579 t，兩者差值為2.8%；周期和質量差值均在10.0%以內，驗證了建立的midas Gen數值模型的合理性。

圖3 典型鐵路站房數值模型

對鐵路站房進行抗震韌性評價之前，還需要建立其建筑性能模型。對于站房中的構件，需要按照其易損性類別分組，確定各組中構件的數量、造價等信息，并根據結構地震響應提取工程需求參數（Engineering Demand Parameter，EDP）?；谡痉扛鲗I(yè)圖紙，根據TZJ 2206—2019《鐵路工程估算定額》，建立鐵路站房建筑性能模型，易損性組構件情況詳見表1。表中：砌體填充墻的易損性數據來源于文獻［20］，其他構件的易損性數據來源于《韌性標準》。與采用抗震規(guī)范設計譜的鐵路站房相比，采用近斷層設計譜的站房僅主體框架的梁柱配筋增加，其他構件未發(fā)生改變。

將表1 中結構構件的損傷分為4 個等級，非結構構件的損傷主要分為3個等級，典型構件的易損性曲線如圖4 所示。圖中：DS1 代表輕微損傷；DS2代表一般損傷；DS3代表中度損傷；DS4代表嚴重損傷；DS1'代表輕度損傷；DS2'代表中度損傷；DS3'代表嚴重損傷。

表1 易損性組構件

圖4 典型構件的易損性曲線

2 近斷層脈沖型地震動選取

根據該站房的場地條件，從美國太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center，PEER）數據庫中選取了24 組近斷層地震動，其記錄參數見表2，其加速度反應譜如圖5所示。

表2 24組近斷層地震動記錄參數

圖5 近斷層地震動反應譜

為對站房進行抗震韌性評估，根據《抗震規(guī)范》對所選地震動記錄進行調幅。地震動H1向、H2向和V向的峰值加速度調幅比例為1∶0.85∶0.65。

3 鐵路站房抗震韌性評估

3.1 地震響應分析

在設防地震和罕遇地震作用下，2 種設計譜下鐵路站房最大層間位移角如圖6 所示。由圖6 可知：在設防地震作用下，采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房最大層間位移角平均值分別約為1/268 和1/269，這是由于2 種設計譜下的鐵路站房僅配筋發(fā)生改變，此時結構仍處于彈性階段，層間位移角差異不大；在罕遇地震作用下，采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房最大層間位移角平均值分別約為1/118 和1/138，采用近斷層設計譜的鐵路站房最大層間位移角平均值較小，這表明近斷層設計譜可以有效控制鐵路站房層間位移；采用2 種設計譜的鐵路站房最大層間位移角均在第3層，即鐵路站房的2 層候車廳，這是因為鐵路站房功能特殊，為滿足其空間布局需求，站房2 層候車廳的樓板局部不連續(xù)，且1 層候車室的中柱未能延續(xù)到2層，導致該區(qū)域存在單跨框架，結構剛度較低。

圖6 最大層間位移角

在設防地震和罕遇地震作用下，2 種設計譜下鐵路站房最大樓層峰值加速度平均值如圖7 所示。由圖7可知：在設防地震作用下，采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房最大樓層峰值加速度平均值分別為6.31 和7.25 m·s-2；在罕遇地震作用下，采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房最大樓層峰值加速度平均值分別為7.82 和9.34 m·s-2；采用近斷層設計譜的鐵路站房最大樓層峰值加速度平均值均明顯大于采用抗震規(guī)范設計譜的鐵路站房，這是由于采用近斷層設計譜的鐵路站房配筋較多，承載力較大，在地震作用下結構損傷小，剛度下降較小，因此最大樓層峰值加速度較大。

圖7 樓層峰值加速度

3.2 蒙特卡羅模擬

地震作用具有一定的不確定性，然而本文選取的24 組地震動偏少，不能夠有效考慮這種不確定性。因此，為充分考慮地震作用不確定性的影響，《韌性標準》中要求采用蒙特卡羅模擬的方法，以擴充工程需求參數，且模擬次數不少于1 000 次?？紤]到鐵路站房的重要性，開展了5 000 次蒙特卡羅模擬，并基于模擬結果計算鐵路站房的損傷狀態(tài)和修復費用、修復時間和人員損失等指標，其流程如圖8所示。圖中：x為蒙特卡羅模擬次數。

圖8 蒙特卡羅模擬流程

根據該鐵路站房的地震響應，首先，將設防地震和罕遇地震作用下采用2 種設計譜的鐵路站房響應進行統計，得到其平均值μ和標準差σ；其次，進行蒙特卡羅模擬，以擴充鐵路站房的工程需求參數；之后，擬合修復費用、修復時間和人員傷亡指標參數，并計算得到其對數正態(tài)分布對應的平均值和標準差；最后，取保證率為84%的擬合值，得出建筑修復費用、修復時間及人員傷亡的指標［21］。

建筑修復費用是修復、置換和拆除損傷構件的總費用，包括人工費、材料費和機械費。由于不同建筑物的建造成本存在差異，需要采用建筑修復費用指標來比較它們的震后經濟損失，可由式（3）得到［21］。

式中：k為建筑修復費用評價指標；RT為建筑修復費用；CT為建造成本。

采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房建造成本分別為9 115.21 和9 395.21 萬元，依據式（3），2 種設計譜的鐵路站房建筑修復費用代表值均服從對數正態(tài)分布，如圖9 所示。由圖9 可知：在設防地震作用下，2 種設計譜的建筑修復費分別為379.32 和382.55 萬元，相應的建筑修復費用指標k分別為4.16%和4.07%；采用近斷層設計譜的鐵路站房的修復費用較不考慮近斷層強震影響的鐵路站房提高了0.85%；在罕遇地震作用下，2 種設計譜的建筑修復費分別為1 035.32 和882.82萬元，相應的建筑修復費用指標k分別為11.36%和9.34%；采用近斷層設計譜的鐵路站房的修復費用較不考慮近斷層強震影響的鐵路站房降低了14.73%。

圖9 建筑修復費用分布

建筑修復時間是指在合理的修復方案和配置下，修復受損構件至其原有功能需要的時間，可由式（4）得到［21］。

式中：Qi，k為第k層第i類構件的修復工時總和；Qi，j，k為第k層處于損傷狀態(tài)j的第i類構件的修復工時；ni，j，k為第k層處于損傷狀態(tài)j的第i類構件數量；ξTi為考慮第i類震損構件修復工程量的修復工時折減系數；λTi為考慮震損構件所在樓層位置k的樓層影響系數；k為建筑層數，k=1，2，…，n，n為總層數；i為震損構件類型，i=1，2，3；j為震損構件損傷狀態(tài)，j=1，2，3，4。

根據式（4），2 種設計譜的鐵路站房修復時間代表值均服從對數正態(tài)分布，如圖10 所示。由圖10 可知：采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房，在設防地震作用下的修復時間分別為13.20 和12.30 d；在罕遇地震作用下的修復時間分別為22.90 和21.20 d；在設防和罕遇地震作用下，采用近斷層設計譜的鐵路站房的修復時間較不考慮近斷層強震影響的鐵路站房，分別降低了6.81%和7.42%。

圖10 建筑修復時間分布

鐵路站房作為交通體系的重要節(jié)點，承擔著運輸人員、集散物資等重要任務，重要性遠遠高于普通民用建筑。震后站房一旦發(fā)生損壞，為保障其功能快速恢復，相應的社會響應一定高于普通民用建筑。因此，對鐵路站房進行抗震韌性評估時，還需考慮鐵路站房的特殊性，針對修復時間提出更為合理的計算方法。

人員傷亡指標主要指名義受傷率和死亡率，名義受傷率是震后受傷人數與總人數的比值，名義死亡率是震后死亡人數與總人數的比值，可由式（5）和式（6）計算得到［21］。

式中：γH為名義受傷率；γD為名義死亡率；MH為受傷人數；MD為死亡人數；m為建筑房間功能類型，m=1，2，3，4，5，6；ζm為第m類功能房間的人員密度；Am為第m類功能房間的總建筑面積。

根據式（5）和式（6），在8 度（0.3g）設防地震和罕遇地震作用下，采用2 種設計譜的鐵路站房的人員傷亡人數極少，計算結果不可以滿足對數正態(tài)分布，取5 000 次模擬結果的均值用于計算鐵路站房的人員傷亡率。

3.3 抗震韌性評價

依據《韌性標準》劃分的評價等級，對采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的鐵路站房進行抗震韌性評級。對比2 種設計譜的站房的修復費用，如圖11 所示。圖中：變化率為近斷層設計譜和抗震規(guī)范設計譜的比值。采用抗震規(guī)范設計譜的鐵路站房建筑修復費用的評級為一星，采用近斷層設計譜的鐵路站房建筑修復費用的評級為二星。

圖11 站房建筑修復費用對比

由圖11 可知：在設防地震作用下，采用近斷層設計譜的站房結構構件修復費用較抗震規(guī)范設計譜增加了8.6%，這是由于兩者的震后損傷較小，差異不大，但近斷層設計譜在增加了站房結構構件的配筋，提高了其造價，導致其震后修復費用增大。采用近斷層設計譜的位移型非結構構件修復費用較抗震規(guī)范設計譜降低了4.4%。這是由于采用近斷層設計譜的站房配筋增加，提高了其承載力，使得震后損傷減少，修復費用降低。在設防地震作用下，采用2 種設計譜的加速度型非結構構件修復費用均為0。這是由于兩者的加速度型非結構構件損傷均較小，未產生修復費用；在罕遇地震作用下，與抗震規(guī)范設計譜的站房相比，近斷層設計譜的站房中結構構件與位移型非結構構件的修復費用分別降低了30.3%和5.3%。2 種設計譜的加速度型非結構構件修復費用相同，這是由于罕遇地震作用下的站房樓層峰值加速度未能使其在損傷等級上出現差異。

對比設防和罕遇地震作用下2 種設計譜的站房建筑修復時間，如圖12 所示。由圖12 可知：采用2 種設計譜，其鐵路站房修復時間變化規(guī)律，同修復費用一致；但2 種設計譜的鐵路站房修復時間差異不大。故建筑修復時間指標的抗震韌性評級均為二星。這是由于近斷層設計譜僅控制了結構的位移響應，未能有效降低結構樓層加速度，使得兩者修復時間差異不大。

圖12 站房建筑修復時間對比

采用2 種設計譜的鐵路站房人員傷亡率對比，見表3。由表3 可知：隨著地震強度的增加，人員死亡率的代表值逐漸增大。采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的站房人員傷亡評級分別為一星和二星。在設防地震作用下，采用近斷層設計譜的鐵路站房的死亡率和受傷率較抗震規(guī)范設計譜的鐵路站房，分別降低了56.18%和44.54%。在罕遇地震作用下，采用近斷層設計譜的鐵路站房的受傷率和死亡率較抗震規(guī)范設計譜的鐵路站房，分別降低了98.20%和90.00%。這表明近斷層設計譜能明顯降低鐵路站房在地震作用下的人員傷亡率。

表3 站房人員傷亡率對比

基于鐵路站房建筑修復費用、修復時間及人員傷亡指標3 項指標的等級，按《韌性標準》取3 項指標的最低等級作為該建筑的抗震韌性等級，見表4。由表4 可知：采用抗震規(guī)范設計譜和近斷層設計譜的站房韌性綜合評級分別為一星和二星，這表明考慮近斷層強震影響對近斷層區(qū)站房進行設計可以有效提高其抗震韌性等級。

表4 站房抗震韌性評級

4 結論

（1）在8 度（0.3g）罕遇地震作用下，考慮近斷層強震影響的站房修復費用為882.82 萬元，修復時間為21.20 d，受傷率為1.25×10-4，死亡率為1.25×10-5。站房修復費用、修復時間、受傷率和死亡率較不考慮近斷層強震影響的鐵路站房，分別降低了14.73%，7.42%，98.20%和90.00%。因此，在近斷層區(qū)鐵路站房的抗震設計中，建議考慮近斷層強震影響，以降低鐵路站房的修復費用、修復時間和人員傷亡率。

（2）考慮近斷層強震影響的鐵路站房抗震韌性等級為二星，而不考慮近斷層強震影響的鐵路站房抗震韌性等級為一星。因此，在鐵路站房的抗震設計中，建議考慮近斷層強震影響，以提高鐵路站房的抗震韌性，保證鐵路站房在震后快速恢復的能力。

（3）鐵路站房發(fā)生震害后，為保證盡快恢復運營，其社會響應會高于普通民用建筑。因此，在鐵路站房的抗震韌性評估中，建議考慮鐵路站房的特殊性，提出更合理的修復時間計算方法。