高铁站房钢结构施工及抗震性能分析

摘 要：高铁站房是高速铁路系统的重要配套设施，其安全性关系到整个高速铁路的运营和稳定。针对高铁站房的棚顶施工问题，本文提出了基于大跨度钢结构的桁架施工方法，并采用虚功分析法、增量分析法和自振分析法对高铁站房棚顶的大跨度钢结构进行抗震性能分析，结果表明，基于自振的分析方法分析效果最理想。

关键词：高速铁路；站房；钢结构；抗震性能

中图分类号：TU 391" " " 文献标志码：A

我国在高速铁路建设方面取得了很大的成就。无论是高铁速度、总里程、覆盖规模，都达到了较高的水平[1]。高铁站房作为高速铁路的重要配套设施，起到了旅客集散、班次中转等重要作用[2]。因此，高铁站房的安全性也直接影响整个高速铁路的安全性。与常规建筑相比，高铁站房要充分考虑人员密集、难于救援的潜在问题，因此必须要有更高规格的安保措施。在这种情况下，高铁站房建设要有更可靠的策略。本文以高铁站房棚顶为例，不仅要考虑自身的重力因素，还要充分考虑恶劣天气可能带来的影响，例如暴雨、暴雪、积冰等问题。尤其是地震等强地质灾害可能造成的破坏[3]。基于上述考虑，将钢结构施工作为主体技术流程，是提高高铁站房棚顶安全性的重要途径。本文以高铁站房为例，探讨其钢结构施工以及抗震性能。

1 高铁站房棚顶的钢结构施工

为便于阐述高铁站房棚顶的钢结构施工过程，选择一个总体面积约10000㎡的高铁站房作为研究对象，该站房共分为4个区域，上部面积约6500㎡，下部面积约3500㎡。在这4个区域中，第一区域、第二区域、第三区域都是3层的超高度建筑，最大高度为50.2m，第四区域是二层的常规建筑，最大高度22.5m，施工参数见表1。

高铁站房的整体工程由超高高度工程和常规高度工程组成，棚顶主体结构类型为钢框架结构，主要构件类型包括箱型柱、圆管柱、箱型梁、“H”形钢梁。

高铁站房的第一区域、第二区域、第三区域均使用大跨度箱型钢梁，截面规格为1600mm×800mm×240mm，最大跨度为25m，单件质量为45t。

在施工过程中，对大跨度钢梁须合理布置临时支撑胎架，胎架底部预埋锚栓与楼板临时固定，胎架顶部设置“H”形钢和千斤顶支撑分段钢梁并卸载。选择75t汽车吊20.1m主臂，起重为26.2t，构件质量16.15t，安全系数K=26.2/（16.15+1）=1.52＞1.2，满足安全系数要求。

为了提高高铁站房棚顶大跨度钢结构的稳定性，施工过程中用大量的桁架结构完成棚顶装配。其中，局部10根构件钢桁架结构示意图，如图1所示。

高铁站房的顶部设计为钢结构，并且采用桁架的形式增加其强度和稳定性。图1的局部位置共采用了10个构件的桁架结构。在多个点位上，桁架结构的多构件铰链可以提高结构强度。例如在上方中间位置，构件1、构件2、构件5、构件8和构件9，这5个构件铰链在一起。在下方中间位置，构件3、构件4、构件5、构件7和构件10，也是5个构件铰链在一起，从而改变了仅有水平构件和垂直构件铰链的简单形式，提高了结构强度。

从图1可以看出，为了提高桁架结构的强度，各钢构件交错连接形成多重支撑关系。使用桁架结构要避免桁架结构质量过大。因此，在施工过程中要特别注意桁架优化，这种优化处理包括很多方面，如图2所示。

通过采取多样化的优化施工措施，不仅可以有效减少钢桁架结构的质量，还可以提高整个高铁站房棚顶的强度和抗震性能。

2 高铁站房棚顶钢结构施工后的抗震性能分析

从研究可知，高铁站房棚顶的钢结构设计，属于典型的大跨度钢结构。为了验证大跨度钢结构的抗震性能，通常可以采用3种方法，如图3所示。

2.1 抗震性能的虚功方法分析

虚功分析方法：虚功模型可以充分考虑大跨钢结构受到的各种影响因素，从而将这些影响因素设定为对应的约束条件，当分析某个条件时假定其他条件都不发生变化，可以观察到该条件的变化对大跨钢结构某方面的影响程度。根据虚功模型，设定敏感性参数，如公式（1）所示。

（1）

式中：sik为当第k个条件发生变化时，大跨钢结构中第i个条件表现的敏感程度，也称之为敏感系数；∆gi为当第k个条件发生变化时，大跨钢结构中第i个条件出现的改变量；∆vk为大跨钢结构中第k个条件的改变量。

进一步考虑一种极限的情况，当大跨钢结构中第i个条件的改变量趋近于0即其变化非常微小时，公式（1）的各种变化量变成了微元的形式，从而使敏感性参数的计算等同于微分求导的过程，如公式（2）所示。

sik= （2）

式中：sik为当第k个条件发生变化时大跨钢结构中第i个条件表现出的敏感程度，也称之为敏感系数；dgi为当第k个条件发生变化时大跨钢结构中第i个条件出现的改变量微元；dvk为大跨钢结构中第k个条件的改变量微元。

在虚功理论体系下，外力所引发的大跨钢结构出现的虚功变化等于内力所引发的虚功变化，即外力虚功和内力虚功相等，如公式（3）所示。

δWe=δWi " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：δWe为大跨钢结构所受的外力所做的虚功总和；δWi为大跨钢结构所受的内力所做的虚功总和。

将虚功模型和大框钢结构的各构件结合起来，可以形成公式（4）的关系。

（4）

式中：δWe为大跨钢结构所受的外力所做的虚功总和；k为大跨钢结构中的构件序号；P为大跨钢结构的全部构件；ek为大跨钢结构中的第k个构件。

2.2 抗震性能的增量方法分析

大跨度结构设计变量较多，若在优化过程中计算每个设计变量的敏感性系数，则整个优化过程将耗费大量时间，且对整体结构优化来说，精确到构件层级的敏感性分析并不具有必要性，可通过概念判断或工程经验将设计变量成组。

对不同组的设计变量来说，若设计变量改变量相等，则对敏感性系数的比较可以转换为对约束条件改变量的比较。等增量敏感性是指不同构件组增加相同成本，引起某约束条件的变化量。通过比较约束条件的变化量，可判断各构件组的敏感性。若约束条件改变量为正，则构件组的敏感性系数为正。若约束条件改变量为负，则构件组的敏感性系数为负。若约束条件改变量为零，则构件组对约束条件不产生影响。

虚功敏感性系数分析法通过虚功原理等数学、力学方法推导建立设计变量和约束条件间的显式关系，再求出约束条件对某设计变量的偏导，即敏感性系数。可提取结构模型的真实工况和虚拟工况下的构件受力、构件尺寸及材料参数，还可以通过编程计算单根构件敏感性系数，再对同一构件组敏感性系数进行加权平均（权重为构件成本或体积）。程序仅运行一次即可获得约束敏感性。

增量敏感性分析方法通过对不同构件组增加成比例的成本或体积，利用通用结构分析软件比较约束条件的变化量，以此判断各构件组的敏感性。构件分组越精细，计算结果越精确。但分组越精细，计算模型越多，耗费的时间也越长，因此要考虑工程需要和计算结果准确度等因素合理确定构件分组的数量。

2.3 抗震性能的自振方法分析

如果研究对象做简谐振动，那么结合能量守恒定律，根据瑞利模型的推演，可以得到振动频率和虚功间的关系，如公式（5）所示。

（5）

式中：ω为大跨钢结构的固有频率；W为大跨钢结构所做的虚功；M为大跨钢结构的质量；ϕ为大跨钢结构的振型向量。

根据振动频率和振动周期的关系，可以进一步得公式（6）。

（6）

式中：ω为大跨钢结构的固有频率；T为大跨钢结构的振动周期。

结合公式（5）和公式（6）可知，大跨钢结构的固有振动频率和多个因素有关，包括大跨钢结构的质量、大跨钢结构所做的虚功、大跨钢结构的振型向量、大跨钢结构的振动周期等。这些因素中的某个条件或某几个条件发生改变，都会使大跨钢结构振动特性改变。

3 高铁站房棚顶钢结构施工后抗震性能分析试验

在接下来的工作中，将通过试验对比来分析3种方法对大跨钢结构振动敏感性分析的有效性。在试验过程中，对高铁站房棚顶中大跨钢结构的5个不同位置进行测试，对比3种方法的抗震性能分析效果。这5个位置为5个局部区域的中心点，高度、构件配置都不同，3种方法对振动敏感性的测试结果如图4所示。

从3种方法对比结果可以明显看出，基于自振模型法的的振动敏感性测试效果最佳，其敏感程度要高于其他两种方法，可以最有效地检测大跨钢结构可能出现的意外振动。以第5个位置为例，基于自振模型法的振动敏感性测试达到了0.7‰，而同一位置的虚功模型法和增量模型法的振动敏感性测试分别为0.61‰和0.6‰。基于增量模型法的振动敏感性分析和基于虚功模型的振动敏感性分析各有优劣，在振动幅度较小的位置上，基于增量模型法的振动敏感性更强。在振动幅度较大的位置上，基于虚功模型法的振动敏感性更强。从5个位置的情况来看，这5个位置因高度、位置、构件配置的不同，振动强弱也不同。其中，第5个位置的振动效果最明显。

4 结论

高铁站房因整体规模、建筑高度、建筑跨度的增加，需要配置大跨钢结构。为了稳定安装高铁站房棚顶大跨钢结构，应该按照合理的施工流程，保障其施工后的安全性。本文以高铁站房棚顶的大跨钢结构的施工为研究对象，给出了详细的施工流程。并针对大跨钢结构的振动敏感性，提出了3种分析方法，包括虚功分析法、增量分析法、自振分析法。针对高铁站房棚顶的大跨钢结构进行振动敏感性的分析对比试验，选取5个不同位置并同时采用3种不同的方法进行分析。试验结果显示，基于自振分析的方法，对大跨钢结构的振动敏感性最强，有效检出率最高。

参考文献

[1]戴建斌，赵少锋，王海亮，等.某高铁站钢结构深化设计与施工合理性探索[J].焊接技术，2020，49（3）：80-84.

[2]刘辉，宫涛.高铁站台钢结构雨棚健康监测技术的研究与应用[J].铁路计算机应用，2018，2018，27（6）：43-47.

[3]张瑞斌，王伟.基于能量系数的分层装配柔性支撑钢结构体系抗震设计与评估方法[J].工程力学，2023，40（2）：179-189.