能量法在铁路组合车库纵向地震验算中的应用

靳鹏

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

能量法在铁路组合车库纵向地震验算中的应用

靳鹏

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

利用能量法对屋面荷载较大的组合车库钢结构厂房进行纵向抗震验算。计算过程中对模型进行合理的假定，并且通过与风荷载作用的对比，确定柱间支撑最后的荷载控制工况，使结构纵向地震的计算简单便捷，做到了安全实用、经济合理。

能量法；组合车库；纵向地震；钢结构

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.008

1　引言

组合车库是对铁路货车车体及配件进行检修的钢结构厂房，常采用带吊车的单层门式刚架结构体系，即横向为刚接的门式刚架，所有钢梁与钢柱刚接；纵向为铰接排架，采用水平系杆及柱间支撑与柱铰接。刚架横向方向的地震验算通过软件自身进行，但对于纵向方向的地震验算，由于存在吊车层，还没有特别好的软件对其纵向地震更好的模拟。本文提出采用能量法计算结构纵向地震的自振周期，从而得出纵向地震的水平地震影响系数，并与风荷载进行简单比较，得出一些结论，希望对此类厂房提供设计参考。

2　工程实例

2.1组合车库的组成

新建山西中南部铁路工程日照南组合车库是由修车库、钩缓间、制动检修间、配件检修中心及铆焊间、转向架间、轮对加修间等车间组合而成，建筑面积24259.5m2，檐口高度14.5m，单层厂房，其中车间设有10t、5t、3t等17台吊车。由于甲方对屋面及墙面的耐久性要求比较高，故屋面及墙面采用钢骨架混凝土轻型板材(自重约0.7kN/m3)，屋面采用常规的保温及防水做法，导致屋面荷载比较大，屋面自重产生的重力荷载代表值要比常规压型钢板屋面大得多，因此，纵向地震的计算显得尤为重要。组合车库的平面及纵向剖面图见图1和图2。

图1　组合车库平面图

图2　组合车库纵向剖面图

2.2组合车库的计算参数

组合车库的基本计算参数如表1所示。

表1　组合车库的主要技术参数[1]

3　能量法的理论及计算假定

3.1能量法的计算理论

能量法是根据体系在振动过程的能量守恒原理导出的，适用于求解结构的基本周期，示意图见图3。设体系作自由振动，任一质点i的位移：

速度为：

图3　能量法示意图

当体系振动达到平衡位置时，体系变形位能为零，体系动能达到最大值Tmax：

当体系振动达到振幅最大值时，体系动能为零，位能达到最大值Umax：

根据能量守恒定律：Tmax＝Umax

一般假定：将结构各质点的重力荷载代表值当成水平荷载作用于质点上，计算上下支撑各自的相对位移，进而求出结构的自振周期。

3.2组合车库纵向周期的计算假定

组合车库中设有吊车，把厂房分成吊车梁顶标高处质点即7.2m处质点和屋顶标高处质点即12.2m处质点，因此计算时可以简化为二质点体系，G1为12.2m处质点的重力荷载代表值，G2为7.2m处质点的重力荷载代表值。因为厂房吊车梁顶标高较高，且屋面荷载比较大，相应的柱间支撑系统较强，为方便计算假设钢柱纵向方向的刚度贡献为零，纵向地震作用全部由柱间支撑来承担。本组合车库中设上柱支撑为5道，下柱支撑为3道，柱间支撑局部立面布置图见图4。

图4　柱间支撑立面布置图

4　能量法的应用

采用能量法进行组合车库纵向自振周期的计算，首先需要计算重力荷载代表值G1和G2。G1和G2的重力荷载代表值主要组成如下:

G1=屋盖荷载+屋面梁自重+上柱自重1/2+上柱围墙墙重1/2+屋面雪荷载+上柱部分山墙重+上柱部分抗风柱重。

G2=吊车梁自重+下柱部分自重+下柱部分围墙墙重+吊车桥架重+下柱部分山墙重+下柱部分抗风柱重。

根据以上计算所得的G1和G2重力荷载代表值，作为水平荷载施加在屋顶标高和吊车梁顶表处为各节点处的相对位移[2]，根据式(2)，计算各处的相对位移：

图5　重力代表值作用示意图

根据式（1），可得出组合车库纵向地震下的自振周期T。

5　地震作用与风荷载比较

对于常规门式刚架结构来说，地震作用一般不占控制作用，但是由于本组合车库的屋面采用轻型屋面板且屋面有保温及防水的荷载，导致其屋面自重荷载比压型钢板屋面要大得多，必须对其进行纵向地震作用的计算，同时还需和风载下的纵向作用进行比较，来确定柱间支撑何种作用占控制地位。

6　结语

由于普通门式刚架屋面采用压型钢板，屋面的自重很小，导致纵向地震比较小。但是，当屋面荷载采用比较重的屋面形式时，就必须对其纵向地震进行详细的分析。本文采用能量法对带有吊车的厂房进行二质点单元抗震的计算，简化了计算模型，使纵向地震的计算变得相对简单实用，同时简述了通过地震与风荷载的对比来确定柱间支撑的最终受力作用。

【1】GB 50009—2012建筑结构荷载规范[S].

【2】龙驭球,包世华.结构力学教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社,2000.

【3】GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].

Application of Energy Methodin the Longitudinal Seismic Checking Calculation of Combined Garage for Railway

JIN Peng
(China Railway Engineering Consulting Group Co.Ltd.,Beijing 100055，China)

Energy method for the longitudinal seismic design of the combined garage steel structure with large roof load.Calculation process in the model is a reasonable assumption,and through comparison and the wind load,determine the inter column bracing the last load control condition,the vertical structural seismic calculation is simple and convenient,make the safe and practical,economic and reasonable.

energy method；combined garage；longitudinal seismic；steel structure

TU352;TU391

A

1007-9467（2016）05-0041-03

靳鹏（1981～），男，河北保定人，工程师，从事结构工程设计与研究，（电子信箱）jin64919@163.com。

2016-01-28