马乾瑛，毛念华，张贵海，赵均海

(1.长安大学建筑工程学院，西安 710061 ；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

大跨度铁路客站站房屋盖结构性能分析

马乾瑛1，毛念华2，张贵海2，赵均海1

(1.长安大学建筑工程学院，西安 710061 ；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

针对呼和浩特东站站房大跨度钢结构屋盖的工程特性，进行结构的稳定性分析，得到结构的极限承载力上限，说明站房设计选型合理，同时可知风荷载及温度荷载对本站房结构的影响较大；进行考虑结构非线性的全过程分析，由于非线性的影响，结构的荷载系数有所降低，但是仍具有足够的安全储备，说明本工程的稳定性能良好，安全性高。对于大跨度屋盖结构的动力分析，进行考虑三维多点输入与一致地震动输入的比较，可以得到，在进行多维多点输入时，结构体型变化以及两翼处的内力有较大增加，而中部的内力有所降低，结构的位移响应变化差异性明显。

铁路站房；承载力 ；稳定性； 非线性 ；多点输入

随着设计、施工技术的进步及社会需求的发展，大跨度空间钢结构以强度高、自重轻、造型丰富美观、回收利用率高、综合技术指标好、符合国家可持续发展的要求等特点，被广泛的应用于新建铁路站房中[1]。大跨钢结构的稳定性与其强度问题一样，是关系到结构安全性与经济性的关键，根据国内外大跨钢结构破坏事故调查，可以看出，大跨钢结构轻质高强，截面通常比较纤细，阻尼较小，非线性问题较突出[2]，其破坏主要包括:①个别构件的强度破坏；②部分结构或整个结构的失稳；③构件的局部失稳。随着把静/动力性能作为一个完整的系统对结构性能进行评估，人们认识到，在工程应用中，有必要考虑结构的非线性、地震动的空间效应，对结构的受力、变形、破坏机理和性能进行合理的分析和评价[3]。

1 工程概况

呼和浩特东火车站选址于呼和浩特市主城区东侧哈拉沁沟与内蒙古正大饲料厂之间的京包线上，在京包线南店越行站东侧。主站房主要包含出站厅、出站广场及配套设施、设备用房。站房平面尺寸大约为183.5 m×315.4 m，站房主要分为三层(不包括夹层)：地面层为出站厅、出站广场及配套设施、设备用房；一层为站台层；二层为侯车厅层。结构模型如图1所示。

图1 结构模型

站房屋盖为大跨度钢结构，材料均为Q345，平面高程较多且形状变化大，根据使用功能的要求，大跨度屋盖包括以下部分。

(1)球面屋盖钢结构：直径为81 m的球面屋盖，中心有一直径为12 m的开口，沿屋盖径向按圆心角7.5°的间距设置腹板开洞的拱形钢梁，拱形钢梁两端支承于中间区域的压力环和周边的张力环上。沿环向在拱形钢梁之间布置钢管支撑且每隔60°圆心角另设置斜向支撑。为避免径向拱形钢梁在中心区域间距过密，设置3个压力环以调整径向拱形钢梁的支承位置。

(2)桁架：由箱形截面和圆钢管组成，该区域柱网呈正三角形布置，平面布置采用主次桁架，其中支承于柱上的主桁架高度为4.2 m，上弦、下弦和腹杆均采用箱形截面。

(3)在高程25.1～29.3 m范围内，沿屋盖周边布置圆锥形曲面，结构采用拱形桁架或拱形梁，拱形桁架上下弦及拱形梁的截面均为□400 mm×300 mm×12 mm×20 mm，拱形梁支承于主桁架上。

屋盖承受荷载为[4]：恒载0.4 kPa (不包括结构自重)；活载0.5 kPa ；基本风压0.60 kPa，地面粗糙度为B类；雪荷载0.45 kPa(局部0.9 kPa)；最低温度-35 ℃，最高温度25 ℃。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，工程场地位于8度地震区[5]，结合工程地质与水文地质条件，地震动参数如下：地震动峰值加速度值为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。工程场地土类型为中软场地土。其余均按《建筑结构荷载规范》[4]采用。

2 球面屋盖性能分析

2.1 稳定分析

稳定性能是空间钢结构选型合理与否的重要决定因素[6]，中部的球面屋盖结构跨度大，结构形式拓扑关系复杂，有必要通过对稳定性有重要影响的初始缺陷、非线性性能、荷载工况、边界条件等因素进行分析，了解结构的稳定性能和刚度。

大跨结构的稳定性除了与结构本身几何特性有关外，还与温度效应、风荷载、初始缺陷和不平衡荷载等因素有关。根据规范要求[4，7]，将恒荷载与活荷载、风荷载以及温度作用进行组合，得到共计12种荷载组合。

工况1：1.2(自重+恒荷载)+1.4(上弦活荷载+下弦活荷载)；

工况2：1.35(自重+恒荷载)+1.4×0.7(上弦活荷载+下弦活荷载)；

工况3：0.9(自重+恒荷载)+1.4风荷载；

工况4：1.2(自重+恒荷载)+1.4(雪荷载+下弦活荷载)+1.4×0.6风荷载；

工况5：1.2(自重+恒荷载)+1.4×0.7(雪荷载+下弦活荷载)+1.4风荷载；

工况6：1.2(自重+恒荷载)+1.4风荷载+0.6升温荷载；

工况7：1.2(自重+恒荷载)+1.4×0.6风荷载+1.0升温荷载；

工况8：1.2(自重+恒荷载)+1.4×0.7雪荷载+1.0降温荷载；

工况9：1.2(自重+恒荷载)+1.4雪荷载+0.7降温荷载；

工况10：1.2(自重+恒荷载)+1.4×0.6风荷载+1.4(雪荷载+下弦活荷载)+0.6降温荷载；

工况11：1.2(自重+恒荷载)+1.4×0.6风荷载+1.4×0.7(雪荷载+下弦活荷载)+1.0降温荷载；

工况12：1.2(自重+恒荷载)+1.4风荷载+1.4×0.7(雪荷载+下弦活荷载)+0.6降温荷载；

分别进行上述各种工况下的结构分析，得到结构的薄弱位置以及最不利荷载工况。结构静力计算结果见表1。

从表1可以看出，大跨度球面屋盖结构的线性特征值分布密集，耦合程度高；线性屈曲荷载系数较大，均满足安全系数大于5的要求[7]，说明结构整体稳定性较好，安全富裕度高。有温度荷载及风荷载参与的工况，屈曲荷载系数相对较低，说明温度荷载及风荷载成为结构设计的控制荷载，对结构的安全性能有重要影响。通过此分析，可以得到结构的理论屈曲强度，获得结构的极限承载力上限，作为结构选型的参考。

表1 线性屈曲特征值

2.2 非线性全过程分析

为了更好地分析几何变形、P-Δ效应等非线性因素对结构性能的影响，根据《空间网格结构技术规程》规定[7]，采用第一阶屈曲模态作为结构初始缺陷分布模态，考虑初始缺陷对结构稳定性能的影响[8]。以1.0倍恒载+1.0活载作为荷载工况，取结构跨度的1/300为初始缺陷，通过对结构模型中节点的坐标修正进行缺陷模拟。

分别考虑无初始缺陷及初始缺陷情况下结构的非线性全过程分析，可以看出，几何缺陷对结构的稳定性能有一定影响，当考虑初始缺陷时，稳定承载力降低。

图2所示为考虑了初始缺陷的球面屋盖的位移-荷载系数曲线，可以看出，球面屋盖结构的极限荷载系数为61.5，说明结构的安全性很高，安全储备充足。

图2 位移-荷载系数曲线

3 多点输入地震动分析

3.1 基本理论

地震时，地面运动是一个复杂的时间-空间过程，由于传播途径的不同，地震波从震源传至测点的时间差异导致的行波效应；由于测点处表层土局部场地条件的差异导致的局部场地效应；由于传播介质的不均匀性或者不同测点的地震波是从震源的不同部位释放，从而引起测点间的部分相干效应[9]；由于测点到震源的距离差异引起的衰减效应。对空间杆系钢结构进行抗震设计时必须对地震动的随机性和空间变化性有充分的认识，考虑地震动在传播过程的空间效应所引起的大跨度结构不同支撑点的不同地震动过程。

可以看出，研究大跨复杂结构在地震作用下的动力响应的关键是地震动的输入问题。

引起地震动空间变异性的因素可以采用相干函数来表达，相干函数在频域内反映了地震动空间变异性的本质特征。两测点k、l的加速度互谱可以表示为[12]

在频域范围内，可以通过地面各点加速度的功率谱密度函数矩阵来表达地震动的空间变化效应，即

联合式(2)和式(3)，可得用功率谱密度矩阵表示的某时程的傅里叶谱

对式(4)进行快速离散逆傅里叶变换技术处理[13]，可以得到包含了空间效应统计规律的时程函数

对生成的地震波时程加上一个振幅非平稳性系数，即强度包络线，则可以得到符合实际地震波振动规律的合成地震波时程数据

式中，g(t)是强度包络线。

通过以上的步骤，可以得到考虑空间相干作用时，由功率谱密度函数基于概率统计意义生成的地震动时程数据。

3.2 结构分析

在进行地震波合成时的水平相干模型采用Loh和Yeh模型[14]

竖向地震动采用刘先明博士提出的相干性模型[15]

γ(dx,dy,f)=exp(-β1dx-β2dy)×

式中：α1、α2、β1、β2由最小二乘法得到；dx，dy为两测点在x，y方向的投影距离。

采用Amin和Ang提出的非平稳调制函数模型[16]以及欧进萍-杜修力地震动功率谱函数[17]，得到各支座处的地震时程。其中，视波速为300 km/s时，最左侧部位支座处的水平及竖向地震波如图3、图4所示。

图3 合成地震波(左侧支座水平向)

图4 合成地震波(左侧支座竖向)

考虑工程实际，均进行三维地震动输入，分别进行一致输入及多点输入的结构动力响应分析。如图5为三维一致输入及视波速为300 km/s时多点输入下结构柱底内力比较图。可以看出，大跨度火车站站房结构由于具有对称性，在地震动一致输入时，对称位置处的反力基本也呈对称分布；在进行考虑空间效应多点地震动的输入时，柱底动力响应的对称现象不明显。同时，在考虑多点输入时，火车站两翼站台处的x向(长跨方向)剪力较一致输入时增大，而火车站中部的大跨网壳结构的柱底x向剪力减小，具有较强的规律性；柱底y向(短跨方向)剪力在中部网壳部位有减小的趋势，在两端翼缘和网壳交接的部位增大；对于竖向柱底轴力，多点输入和一致输入时，变化不大。

图5 柱底内力比较

对于上部屋盖结构，同样考虑多点输入后，结构动力响应的对称现象不再明显，结构的最大内力相对于一致输入减小，但是出现位置从边缘附近向中心位置移动；对于应力分布图，两种输入情况下，两翼缘部分的应力均较大，但是一致输入下站台翼缘处的最大应力幅值约为多点输入时的2倍；对于最大位移，多点输入时最大位移较一致输入时增大，沿短跨方向位移增大明显，且沿地震波输入方向有增大趋势，一致输入时的位移响应分布较为均匀。

对于不同的地震视波速，随着视波速的增大，上部结构及柱底内力均有接近于一致输入时的内力响应的趋势；而对于上部结构的位移响应，视波速越大，结构x向的位移的差异性增加，y向的位移差异性变化不大，最大位移部位在一致输入时出现在中部，在多点输入时向端部移动。

4 结论

本文通过对呼和浩特东大跨度火车站房屋盖结构进行的稳定性能分析、非线性全过程分析以及多维多点地震动分析，可以得到：

(1)对于新型复杂火车站房结构，有必要通过多种计算方法确定设计方案，验算结构的稳定性能，提高结构的安全性；

(2)风荷载及温度荷载对结构的稳定性能影响较大，是结构设计的控制荷载，需要将温度作用作为一种荷载工况与其他荷载工况进行组合，作为结构构件设计的依据；

(3)非线性对结构有明显影响，使结构的荷载系数降低，在考虑非线性时，本结构仍有较高的安全储备；

(4)结构在多维多点输入下的动力响应与一致输入下有明显变化，应将多点输入作为重要的计算补充进行结构设计。

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The Analysis of Large-span Railway Station Roof Structural Performance

Ma Qianying1， Mao Nianhua2， Zhang Guihai2， Zhao Junhai1

(1.School of Civil Engineering， Chang’an University， Xi’an， 710061， China 2.China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

with Reference to the engineering characteristics of HuHeHaoTeDong long-span railway station roof structure the structure stability is analyzed and the upper limit of this structure ultimate bearing capacity is then obtained. The results show that the design is reasonable， and the wind load and temperature load are the main factors affecting the building structure of the station. With the whole process of structural nonlinear analysis， it is shown that the load coefficient decreases because of the nonlinear influence， but the structure still has enough safety reservation， which proves the good stability and high safety of the project. The dynamic analysis of large span structure with comparison of 3-D multi-point input with uniform input concludes that when multi-support and multi-dimension input is conducted， the structural size change and the internal force at the flanks increase to a higher degree， while the internal force at the central part decreases， and the differences in displacement response of structure are obvious．

Railway station; Bearing capacity; Stability; Nonlinear; Multipoint input

2014-03-31；

：2014-06-19

国家自然科学基金项目(51208041)；陕西省博士后基金(110412)；国家重点实验室开放项目(11JS061)；长安大学大学生创新创业训练计划(201310710052)。

马乾瑛(1982—)，男，博士，讲师，E-mail：mqianying@126.com。

1004-2954(2014)11-0125-05

TU248.1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.029