铁路客站板壳结构站台雨棚抗震性能分析

2023-02-18杨超望

铁道标准设计 2023年2期

杨超望

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

站台雨棚作为铁路旅客车站设施的重要组成部分，不仅要满足为旅客遮风挡雨的基本服务功能，而且其造型应与站房的风格相协调[1-3]。雨棚常用的设计方案有网格结构、钢管桁架结构、张弦梁结构、悬索结构、斜拉结构和钢筋混凝土结构[4]。钢结构风雨棚常见的破坏有风雨棚伸缩过程导致的变形，使盖板上的铆钉与自攻螺丝造成脱落变形，盖板极易松动，甚至有可能脱落。另外，由于外界温度、风力、振动等多方面的影响，檐口板极易产生振动，长此以往，就会使得其他固定结构也随之松动，导致檐口板最终发生脱落现象。还会由于人工操作存在的差异性，导致有些相邻屋面板之间无法达到牢固的锁边情况，从而导致面板容易掀起[5]。

目前，雨棚结构形式又衍生出京张高铁的清水混凝土站台雨棚以及板壳结构雨棚。其中板壳结构雨棚由壳板、边梁及横隔三部分组成，在横向以拱的形式承荷和传力，在曲面内产生横向压力，在纵向以纵梁的形式把荷载传给横隔。因此，壳板是横向拱与纵向梁共同作用的空间受力结构[6-7]。但是混凝土板壳结构的几何非线性和材料非线性都比较明显，简化计算及弹性分析已不能真实地模拟结构的受力状态，因此，运用细化弹性有限元分析掌握结构传力形式、变形形态，获取设计所需要的结构内力、材料应力参数，用分层壳单元进行非线性分析进一步揭示了结构的塑性性能。HABIB等[8]开发了基于有限元的三维壳体结构形状优化程序，实现了壳体结构的形状优化。TRFF等[9]为超大规模、基于壳单元的拓扑优化提供了一个高性能计算框架。金吉等[10]运用仿生生长法，基于自然界分支系统的生长机制，被作为一种新的结构拓扑设计优化方法。等[11]提出了一种分析薄壳结构的新的数值模型。CHONG等[12]提出钢筋混凝土平板的冲切抗力是一个典型的以高度理想化方式进行设计的领域。基于能量原理，王金朝[13]采用改进的傅里叶级数法建立了一般边界条件下板壳及其组合结构的动力学模型，得到问题的半解析解。针对钢筋布置，董小虎等[14]通过引入等效静态载荷法，运用基于自然界分支系统形态形成机理的自适应成长法解决板壳加筋结构动态响应拓扑优化设计问题。王庆等[15]采用摄动随机有限元法研究了具有随机参数的板壳结构大挠度动力响应问题。结果表明，新的仿生生长方法能够有效、灵活地处理板壳结构的加强筋布局优化设计，实现多种设计目标，为结构拓扑设计优化提供了一种新的解决途径。

鉴于目前板壳结构雨棚的实际工程案例研究很少，无法对板壳结构雨棚的设计及应用提供有利支撑。因此，本文通过对安康西站站台混凝土板壳结构风雨棚进行抗震力学性能研究，为工程设计提供参考及优化建议。

1 工程概况

铁路安康西站地处秦巴地区，位于安康市高新区西侧、傅家河西岸，安康西站是中国西部地区重要铁路枢纽——安康市的主要客运站之一，安康西站站台雨棚效果见图1。车站雨棚全长为450 m，投影面积8 210 m2。采用双柱雨棚结构形式，安全等级为一级，结构重要系数为1.1，雨棚结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，场地类别为Ⅱ类。设计地震分组为第一组，特征周期值为0.35 s。梁、板、柱均采用C35混凝土，抗震等级及构造措施为三级。普通钢筋采用HRB400级，箍筋采用HRB300级。混凝土梁、柱保护层厚度均为35 mm，混凝土板保护层厚度为25 mm。

图1 安康西站站台雨棚效果图

2 雨棚有限元模型建立

2.1 计算模型

以新建铁路西安至安康线安康西站站台风雨棚为原型建立有限元模型，选取一个结构单元作为研究对象。通过建立有限元模型，输入选定的地震波时程曲线，通过对结构的运动微分方程迭代求解，求得结构的动力响应，可以计算得到地震整个过程中结构各时刻的地震响应。

2.1.1 模型尺寸

(1)雨棚柱

雨棚柱网尺寸为12 m×5.4 m，柱截面尺寸为600 mm×600 mm，雨棚柱高度为6 m，为方便下文分析叙述，将柱编号为KZ1～KZ12，具体的柱编号见图2。

图2 结构单元框架柱编号(单位：mm)

(2)雨棚梁

按照形状分为水平梁与弧形梁。

①垂直股道方向梁：水平梁，截面尺寸为300 mm×600 mm，梁长5.4 m。

②顺股道方向梁：弧形梁，截面尺寸为350 mm×900 mm，梁长12 m，弧度与建筑造型保持一致。

③悬挑梁：变截面梁，截面尺寸为300 mm×900 mm/500 mm，梁长3.3 m。

④封边梁：弧形梁，截面尺寸为250 mm×700 mm，梁长5.4 m。

(3)屋面板

风雨棚屋面板板厚为120 mm，两柱之间的屋面板上表面与垂直股道方向梁的上表面平齐；两柱之外的屋面板下表面与悬挑梁的下表面平齐，板与梁的位置关系见图3。

图3 雨棚结构剖面及大样(单位：mm)

2.1.2 材料属性及模型建立[16]

分别建立混凝土部分和各构件中钢筋的模型，将各构件模型装配成整体风雨棚结构框架；纵筋和箍筋组合成钢筋笼；内嵌入混凝土中，用以模拟钢筋和混凝土在持荷时的共同作用。

混凝土采用八节点六面体实体单元，材料属性采用有限元软件内提供的塑性损伤模型，其单轴本构模型采用GB50010—2010《混凝土结构设计规范》[17]中的本构模型，模型参数见表1。

钢筋选用两节点三维桁架单元，本构模型使用双折线理想弹塑性模型，不考虑强度退化。双折线第一段是弹性阶段，斜率为钢筋弹性模量；第二段是强化阶段，斜率取钢筋弹性模量的1/100，钢筋的屈服强度、极限强度按《混凝土结构设计规范》取值，泊松比取0.3。

板壳雨棚结构模型采用模态叠加法进行模拟计算；同时建立双柱单榀雨棚模型，对单跨结构进行动力隐式计算。如图4所示，建立整个结构单元与单榀雨棚的混凝土与钢筋模型。

表1 混凝土损伤塑性模型参数标定

图4 有限元分析模型

2.2 地震波选取

按照GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)要求[18]，选用1组人工波(AR波)和2组天然波(EL-Centro波、Taft波)三种地震波加速度时程曲线，地震波作用方向为X向、Y向，主次方向地震波峰值比为1∶0.85，持续时间为50 s，如图5所示。

图5 地震波时程曲线(峰值加速度为220 cm/s2)

本文所选用地震波主要作用集中在0～25 s区间段，故在对单跨结构进行动力隐式求解时，分析步时间设置为25 s。

3 雨棚地震响应分析

3.1 自振特性分析

在对建筑结构进行动力分析前，需对建筑结构进行模态分析[19]。

本文计算分析了结构前10阶特征值。图6为计算得出的前4阶振型，第1阶为绕无悬挑端的边柱扭转，第2阶振型为绕带悬挑端的边柱扭转，第3阶振型为X向平动，第4阶振型为绕雨棚结构中心轴的对折扭转。

图6 整体结构模型前4阶振型

列出前10阶自振频率，如表2所示。

表2 结构的自振特性

3.2 雨棚结构位移响应

为进一步掌握雨棚结构在多遇地震作用下的地震响应及抗震性能，选用模态叠加法开展了峰值加速度为35 cm/s2的AR人工波、EL-Centro波、Taft波作用下风雨棚结构的动力时程分析，双向输入。

研究重点为雨棚结构的抗侧力构件-钢筋混凝土柱，编号为KZ1～KZ12(图2)，图7为峰值加速度为35 cm/s2的不同地震波输入下12根钢筋混凝土柱柱顶X向、Y向位移峰值曲线(位移峰值均为绝对值)。图8为峰值加速度为35 cm/s2的AR波作用下KZ2柱顶X向、Y向位移时程曲线。

图7 不同地震波输入下柱顶位移峰值曲线(峰值加速度为35 cm/s2)

图8 AR波作用下KZ2柱顶位移时程曲线(峰值加速度为35 cm/s2)

由图7、图8可以看出，X向和Y向柱顶位移峰值中的最大值分别为KZ4的1.77 mm和KZ2的4.26 mm，最大弹性层间位移角为1/1 294，符合规范规定，同时从图中可以发现，雨棚Y向各柱的位移峰值远大于X向。X向的各柱位移峰值趋势为：由伸缩缝处向另一侧方向总体上呈减小的趋势；Y向则总体上呈现出边柱较大，中柱较小的趋势。其中，靠近伸缩缝侧的柱顶位移峰值明显大于其他位置的钢筋混凝土柱。由此可知，雨棚结构在地震工况作用下，边柱为抗震薄弱环节，在带有悬挑部分一侧的边柱对于地震响应更加剧烈，设计时应对带有悬挑部分一侧的边柱应进行加强构造措施。

3.3 雨棚结构加速度响应

结构加速度放大系数是指地震作用下结构加速度响应最大值与地震输入峰值的比值，是评判结构抗震能力的关键指标之一[20]。表3列出了12根框架柱在峰值加速度为220 cm/s2的AR波作用下的柱顶加速度放大系数。由表3可知，X向加速度放大系数变化较为平缓；Y向最大加速度放大系数达到了6.16，最小为2.93；Y向加速度放大系数大于X向加速度放大系数，且Y向加速度放大系数在伸缩缝(悬挑部分)处较大，另一侧的放大系数较小，且差值较显著，说明伸缩缝一侧的悬挑部分由于惯性，和主体结构的运动并不同步，与结构的运动产生相位差，相当于对主体结构施加了另一个振动源，而且由于悬挑部分的运动相位差产生的振动波随传播距离(雨棚位置)递减，因此，Y向柱顶加速度放大系数随雨棚位置发生递减变化，其根本原因是悬挑部分给结构的附加振动波随雨棚位置发生递减变化，改变了框架结构在地震作用中的动力反应。

表3 风雨棚柱顶加速度放大系数

3.4 雨棚结构应力响应

对雨棚全模型采用模态叠加法进行分析计算，基于结构自然模态，计算结构在峰值加速度为220 cm/s2罕遇地震作用下的线性响应。从图9可以看出，在罕遇地震作用下，边柱柱脚处，特别是悬挑一侧(伸缩缝处)应力较大，是结构的薄弱点，需要采取构造措施对设计进行补强；对于结构的同一排框架柱，结构应力较大处出现在柱脚和梁柱节点处，且柱脚应力略大于节点应力，设计时应验算结构钢筋混凝土柱脚和节点的抗震性能，保证结构的安全性。

图9 地震波作用下最大应力云图(单位：MPa)

由图9还可以看出，在罕遇地震作用下，雨棚结构框架梁、框架柱没有发生塑性变形，均处于弹性阶段内，结构的抗震性能满足了“大震不倒”的设防目标。

3.5 雨棚结构损伤

提取单榀框架，选取峰值加速度为220 cm/s2的AR人工波作用下风雨棚结构的弹塑性分析。如图10所示，除混凝土柱端部和节点处少数部分发生轻度受压损坏外，整体结构完好，受压损伤因子均小于0.1；柱内的混凝土塑性应变小于0.005，钢筋塑性应变小于0.01，属于轻度损伤。发生受压损伤的柱端损伤范围较小，且其所占柱端截面比例较小，对结构抗震性能影响较小。总得来说，大部分雨棚结构在大震作用下未进入塑性，且风雨棚结构具有足够的抗震承载力，满足所设定的抗震性能目标[21]。

图10 AR地震波作用下混凝土受压损伤云图

3.6 板壳结构雨棚受力特征分析

为探索板壳结构雨棚的受力特征，在上述有限元模型的基础上，以板壳结构跨度/波长为变量，建立有限元模型，对其施加Taft地震波。其中，原模型跨度/波长为0.45，新建有限元模型跨度/波长为2和4，将上述模型分别命名为YP-0.45，YP-2和YP-4。具体计算结果见图11、图12。

图11 结构中部弯矩最大值

图12 结构中部横向内力最大值

通过计算分析得到板壳结构雨棚的受力特征如下：跨度/波长≥3时，由于跨度较大，结构中的弯矩较大，纵向梁的传力作用显著，相较之下，横向的拱作用明显变小，其受力特点与梁类似；当跨度/波长≤12时，由于跨度较小，横向的拱作用明显，而纵向梁的传力作用很小，因此受力特点与拱类似，而且壳体内力主要是曲面应力；当12<跨度/波长<3时，壳体既存在曲面应力，又存在弯曲应力，拱和梁的作用都比较明显。