铁路客站大跨叠层桁架结构受力分析

2019-01-23樊轶江

铁道标准设计 2019年2期

樊轶江

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

大跨度钢结构常见的结构形式主要有以下几种：网架、网壳、悬索(膜)、空间桁架等，目前应用较多的是空间桁架[1]，它具有外形丰富美观、传力明确简捷、结构自重轻，经济效益好，同时能很好地适应大跨空间结构的特点。

目前，静力特性研究主要集中在单层大跨度结构上，文献[2]讨论了大跨度空间张弦桁架在永久荷载、可变载荷作用下的静力特性，得到了节点位移和内力的变化特征。文献[3]采用ANSYS程序分析了张弦空间桁架的静力性能，得出了预应力的施加对结构静力性能影响较大。文献[4]对张弦桁架在使用阶段的静力性能进行了分析，讨论了变参数(初始预应力幅值、垂直跨与矢高比、拱截面惯性矩和撑杆间距及数目)等对整个桁架结构静力性能的影响。文献[5]分析空间桁架的静力性能，并且讨论了在索中施加不同的预应力对其静力性能的影响。文献[6]分析了柔性连接钢结构连廊的自振特性，抗风能力及构件设计。动力特性研究大多集中在网格结构方面，文献[7]对预应力组合网架的自振特性进行了探讨，并进行了现场周期及阻尼的测试。文献[8-9]对斜拉网架和斜拉网壳的动力性能作了研究。文献[10]通过对某游泳跳水馆屋盖结构进行模态分析，得出这种结构的振型分布具有一定的规律，且自振频率比较密集，但目前对大跨叠层桁架结构的研究工作文献极少。

本文依托西安火车站站改工程，对52 m跨度叠层桁架结构的受力性能进行了深入的探讨，分析了多种荷载(永久+可变荷载，屋面可变荷载，风荷载，温度荷载)作用下结构变形特征及大跨叠层桁架的自振特性，得出一些有益的结论，为工程设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程结构信息

东配楼为西安火车站站改工程的重要组成部分，位于西安市新城区，总建筑面积约93 000 m2，地下2层，埋深12.00 m，地上6层，1～2层层高5.40 m、3～6层层高4.00 m，拟采用钢筋混凝土框架结构体系。由于受场地条件及整体规划方案的制约，西安f3地裂缝从东配楼左上角斜向穿过，为确保建筑结构的安全，须按《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ61—6—2006)[11]中有关要求进行有效避让，东配楼被f3地裂缝分割成3个平面极其不规则的建筑单体。为确保建筑功能的连续性，拟在2层设大跨桁架和4～5层设大跨叠层桁架，以跨越地裂缝的方式连接各单体建筑，结构整体模型见图1，大跨叠层桁架的建筑功能为走廊。

本文着重研究在4～5层设置的大跨叠层桁架，见图1。

图1 结构整体模型

1.2 技术参数

结构设计使用年限：50年；结构安全等级：二级；抗震设防烈度：8度、设计基本地震加速度0.20g；设计地震分组：第二组；特征周期：0.40g；场地类别：Ⅱ类。

2 模型建立

2.1 模型材料参数

大跨叠层桁架采用钢结构形式，材质为Q345B。桁架上、下弦杆，主梁采用箱形截面，腹杆采用H形截面，撑杆采用圆管，在上弦杆端部设置支座，支座形式为左端铰接、右端滑动，楼面采用钢格板。构件截面尺寸见表1。

表1 构件截面尺寸

2.2 荷载工况

根据建筑实际情况及所处地理位置，将主要荷载工况考虑如下。

(1)结构构件自重：按实际自重考虑。

(2)楼面恒荷载：2.0 kN/m2。

(3)楼面活荷载：2.5 kN/m2。

(4)基本风压：0.35 kN/m2。

(5)温度作用：参考当地气候条件，本文温度荷载工况，取月平均最高温度37 ℃、月平均最低温度-9 ℃[12]及合龙温度13～18 ℃。

2.3 模型建立

本文采用有限元软件SAP2000对大跨叠层桁架进行模拟分析，其中，坐标系规定如下：沿桁架跨度方向为X轴，宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴。桁架上、下弦，梁，腹杆及撑杆选用线单元，楼板选用膜单元。为减小f3地裂缝蠕变对大跨叠层桁架的影响，支座A、B设置铰接支座，支座C、D设置滑动支座。大跨叠层桁架计算简图见图2。

图2 大跨叠层桁架计算简图(单位：mm)

3 静力特性分析

3.1 永久+可变荷载作用下结构静力分析

在永久+可变荷载标准值作用下，结构最大竖向位移为52.14 mm(图3)，小于《钢结构设计规范》(GB50017—2003)[13]规定的l0/400=135 mm的限值。

3.2 主要可变荷载作用下结构静力分析

3.2.1 楼面活荷载作用下结构变形分析

楼面活荷载作用下，结构竖向位移分布呈正对称特征，结构的最大位移区域位于桁架跨中位置，最大位移值为15.1 mm(图4)，满足规范要求。

图3 永久+可变下竖向位移(单位：m)

图4 楼面活载下竖向位移(单位：m)

3.2.2 风荷载作用下结构静力分析

(1) 左风作用下结构变形分析

在左风荷载作用下，结构水平位移分布呈正对称特征，最大水平位移区域位于桁架跨中位置，最大位移值为0.56 mm(图5(a))。

(2)右风作用下结构变形分析

右风荷载作用下结构水平位移分析，如图5(b)所示。

图5 风荷载作用下结构水平位移(单位：m)

在右风荷载作用下，结构水平位移分布呈对称特征，最大水平位移区域位于桁架跨中位置，最大位移值为0.34 mm，与左风荷载作用下水平位移最大值0.56 mm相比，位移相差较小，原因是该桁架是轴对称结构，桁架左、右受风面基本一致。

3.2.3 温度荷载作用下结构静力分析

(1)升温荷载作用下结构变形分析

升温温差为ΔT+=18 ℃-(-9) ℃=27 ℃时，升温时结构X向水平位移分析，如图6(a)所示。

当结构升温时，结构X向水平位移从左到右位移逐渐增大，最大位移区域位于桁架的右边跨位置，最大位移值为7.68 mm。由于桁架采用左铰右滑支座形式，桁架右端X向约束取消导致该端位移得到释放，形成X向位移从左到右逐渐增大，最大位移发生在桁架右端支座处。

(2)降温荷载作用下结构变形分析

降温温差为ΔT=13 ℃-37 ℃=-24 ℃时，降温时结构X向水平位移分析，如图6(b)所示。

图6 温度荷载作用下结构水平位移(单位：m)

当结构降温时，结构X向水平位移值从左到右位移逐渐增大，结构的最大位移区域位于桁架的右边跨位置，最大位移为-8.36 mm。由于桁架采用左铰右滑支座形式，桁架右端X向约束取消导致该端位移得到释放，形成X向位移值从左到右逐渐增大，最大位移发生在桁架右端支座处。

由以上结果分析可知，在永久+可变荷载、楼面活荷载工况作用下，最大竖向位移均位于桁架跨中区域；在风荷载工况作用下，最大水平位移位于桁架跨中区域，呈对称分布，分析其原因，在于结构布置形式为轴对称形式，受力较均匀；在温度荷载工况下，水平位移值从左到右位移逐渐增大，原因是桁架采用左铰右滑支座形式，桁架右端X向约束取消。