高鐵站房鋼結(jié)構(gòu)施工及抗震性能分析

摘 要：高鐵站房是高速鐵路系統(tǒng)的重要配套設(shè)施，其安全性關(guān)系到整個高速鐵路的運(yùn)營和穩(wěn)定。針對高鐵站房的棚頂施工問題，本文提出了基于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的桁架施工方法，并采用虛功分析法、增量分析法和自振分析法對高鐵站房棚頂?shù)拇罂缍蠕摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，結(jié)果表明，基于自振的分析方法分析效果最理想。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；站房；鋼結(jié)構(gòu)；抗震性能

中圖分類號：TU 391" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國在高速鐵路建設(shè)方面取得了很大的成就。無論是高鐵速度、總里程、覆蓋規(guī)模，都達(dá)到了較高的水平[1]。高鐵站房作為高速鐵路的重要配套設(shè)施，起到了旅客集散、班次中轉(zhuǎn)等重要作用[2]。因此，高鐵站房的安全性也直接影響整個高速鐵路的安全性。與常規(guī)建筑相比，高鐵站房要充分考慮人員密集、難于救援的潛在問題，因此必須要有更高規(guī)格的安保措施。在這種情況下，高鐵站房建設(shè)要有更可靠的策略。本文以高鐵站房棚頂為例，不僅要考慮自身的重力因素，還要充分考慮惡劣天氣可能帶來的影響，例如暴雨、暴雪、積冰等問題。尤其是地震等強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害可能造成的破壞[3]?；谏鲜隹紤]，將鋼結(jié)構(gòu)施工作為主體技術(shù)流程，是提高高鐵站房棚頂安全性的重要途徑。本文以高鐵站房為例，探討其鋼結(jié)構(gòu)施工以及抗震性能。

1 高鐵站房棚頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)施工

為便于闡述高鐵站房棚頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)施工過程，選擇一個總體面積約10000㎡的高鐵站房作為研究對象，該站房共分為4個區(qū)域，上部面積約6500㎡，下部面積約3500㎡。在這4個區(qū)域中，第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域都是3層的超高度建筑，最大高度為50.2m，第四區(qū)域是二層的常規(guī)建筑，最大高度22.5m，施工參數(shù)見表1。

高鐵站房的整體工程由超高高度工程和常規(guī)高度工程組成，棚頂主體結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件類型包括箱型柱、圓管柱、箱型梁、“H”形鋼梁。

高鐵站房的第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域均使用大跨度箱型鋼梁，截面規(guī)格為1600mm×800mm×240mm，最大跨度為25m，單件質(zhì)量為45t。

在施工過程中，對大跨度鋼梁須合理布置臨時支撐胎架，胎架底部預(yù)埋錨栓與樓板臨時固定，胎架頂部設(shè)置“H”形鋼和千斤頂支撐分段鋼梁并卸載。選擇75t汽車吊20.1m主臂，起重為26.2t，構(gòu)件質(zhì)量16.15t，安全系數(shù)K=26.2/（16.15+1）=1.52＞1.2，滿足安全系數(shù)要求。

為了提高高鐵站房棚頂大跨度鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，施工過程中用大量的桁架結(jié)構(gòu)完成棚頂裝配。其中，局部10根構(gòu)件鋼桁架結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

高鐵站房的頂部設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)，并且采用桁架的形式增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。圖1的局部位置共采用了10個構(gòu)件的桁架結(jié)構(gòu)。在多個點(diǎn)位上，桁架結(jié)構(gòu)的多構(gòu)件鉸鏈可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。例如在上方中間位置，構(gòu)件1、構(gòu)件2、構(gòu)件5、構(gòu)件8和構(gòu)件9，這5個構(gòu)件鉸鏈在一起。在下方中間位置，構(gòu)件3、構(gòu)件4、構(gòu)件5、構(gòu)件7和構(gòu)件10，也是5個構(gòu)件鉸鏈在一起，從而改變了僅有水平構(gòu)件和垂直構(gòu)件鉸鏈的簡單形式，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

從圖1可以看出，為了提高桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，各鋼構(gòu)件交錯連接形成多重支撐關(guān)系。使用桁架結(jié)構(gòu)要避免桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量過大。因此，在施工過程中要特別注意桁架優(yōu)化，這種優(yōu)化處理包括很多方面，如圖2所示。

通過采取多樣化的優(yōu)化施工措施，不僅可以有效減少鋼桁架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，還可以提高整個高鐵站房棚頂?shù)膹?qiáng)度和抗震性能。

2 高鐵站房棚頂鋼結(jié)構(gòu)施工后的抗震性能分析

從研究可知，高鐵站房棚頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于典型的大跨度鋼結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證大跨度鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，通?？梢圆捎?種方法，如圖3所示。

2.1 抗震性能的虛功方法分析

虛功分析方法：虛功模型可以充分考慮大跨鋼結(jié)構(gòu)受到的各種影響因素，從而將這些影響因素設(shè)定為對應(yīng)的約束條件，當(dāng)分析某個條件時假定其他條件都不發(fā)生變化，可以觀察到該條件的變化對大跨鋼結(jié)構(gòu)某方面的影響程度。根據(jù)虛功模型，設(shè)定敏感性參數(shù)，如公式（1）所示。

（1）

式中：sik為當(dāng)?shù)趉個條件發(fā)生變化時，大跨鋼結(jié)構(gòu)中第i個條件表現(xiàn)的敏感程度，也稱之為敏感系數(shù)；?gi為當(dāng)?shù)趉個條件發(fā)生變化時，大跨鋼結(jié)構(gòu)中第i個條件出現(xiàn)的改變量；?vk為大跨鋼結(jié)構(gòu)中第k個條件的改變量。

進(jìn)一步考慮一種極限的情況，當(dāng)大跨鋼結(jié)構(gòu)中第i個條件的改變量趨近于0即其變化非常微小時，公式（1）的各種變化量變成了微元的形式，從而使敏感性參數(shù)的計算等同于微分求導(dǎo)的過程，如公式（2）所示。

sik= （2）

式中：sik為當(dāng)?shù)趉個條件發(fā)生變化時大跨鋼結(jié)構(gòu)中第i個條件表現(xiàn)出的敏感程度，也稱之為敏感系數(shù)；dgi為當(dāng)?shù)趉個條件發(fā)生變化時大跨鋼結(jié)構(gòu)中第i個條件出現(xiàn)的改變量微元；dvk為大跨鋼結(jié)構(gòu)中第k個條件的改變量微元。

在虛功理論體系下，外力所引發(fā)的大跨鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的虛功變化等于內(nèi)力所引發(fā)的虛功變化，即外力虛功和內(nèi)力虛功相等，如公式（3）所示。

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

式中：δWe為大跨鋼結(jié)構(gòu)所受的外力所做的虛功總和；δWi為大跨鋼結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力所做的虛功總和。

將虛功模型和大框鋼結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件結(jié)合起來，可以形成公式（4）的關(guān)系。

（4）

式中：δWe為大跨鋼結(jié)構(gòu)所受的外力所做的虛功總和；k為大跨鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件序號；P為大跨鋼結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件；ek為大跨鋼結(jié)構(gòu)中的第k個構(gòu)件。

2.2 抗震性能的增量方法分析

大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計變量較多，若在優(yōu)化過程中計算每個設(shè)計變量的敏感性系數(shù)，則整個優(yōu)化過程將耗費(fèi)大量時間，且對整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說，精確到構(gòu)件層級的敏感性分析并不具有必要性，可通過概念判斷或工程經(jīng)驗(yàn)將設(shè)計變量成組。

對不同組的設(shè)計變量來說，若設(shè)計變量改變量相等，則對敏感性系數(shù)的比較可以轉(zhuǎn)換為對約束條件改變量的比較。等增量敏感性是指不同構(gòu)件組增加相同成本，引起某約束條件的變化量。通過比較約束條件的變化量，可判斷各構(gòu)件組的敏感性。若約束條件改變量為正，則構(gòu)件組的敏感性系數(shù)為正。若約束條件改變量為負(fù)，則構(gòu)件組的敏感性系數(shù)為負(fù)。若約束條件改變量為零，則構(gòu)件組對約束條件不產(chǎn)生影響。

虛功敏感性系數(shù)分析法通過虛功原理等數(shù)學(xué)、力學(xué)方法推導(dǎo)建立設(shè)計變量和約束條件間的顯式關(guān)系，再求出約束條件對某設(shè)計變量的偏導(dǎo)，即敏感性系數(shù)?？商崛〗Y(jié)構(gòu)模型的真實(shí)工況和虛擬工況下的構(gòu)件受力、構(gòu)件尺寸及材料參數(shù)，還可以通過編程計算單根構(gòu)件敏感性系數(shù)，再對同一構(gòu)件組敏感性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均（權(quán)重為構(gòu)件成本或體積）。程序僅運(yùn)行一次即可獲得約束敏感性。

增量敏感性分析方法通過對不同構(gòu)件組增加成比例的成本或體積，利用通用結(jié)構(gòu)分析軟件比較約束條件的變化量，以此判斷各構(gòu)件組的敏感性。構(gòu)件分組越精細(xì)，計算結(jié)果越精確。但分組越精細(xì)，計算模型越多，耗費(fèi)的時間也越長，因此要考慮工程需要和計算結(jié)果準(zhǔn)確度等因素合理確定構(gòu)件分組的數(shù)量。

2.3 抗震性能的自振方法分析

如果研究對象做簡諧振動，那么結(jié)合能量守恒定律，根據(jù)瑞利模型的推演，可以得到振動頻率和虛功間的關(guān)系，如公式（5）所示。

（5）

式中：ω為大跨鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率；W為大跨鋼結(jié)構(gòu)所做的虛功；M為大跨鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；?為大跨鋼結(jié)構(gòu)的振型向量。

根據(jù)振動頻率和振動周期的關(guān)系，可以進(jìn)一步得公式（6）。

（6）

式中：ω為大跨鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率；T為大跨鋼結(jié)構(gòu)的振動周期。

結(jié)合公式（5）和公式（6）可知，大跨鋼結(jié)構(gòu)的固有振動頻率和多個因素有關(guān)，包括大跨鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、大跨鋼結(jié)構(gòu)所做的虛功、大跨鋼結(jié)構(gòu)的振型向量、大跨鋼結(jié)構(gòu)的振動周期等。這些因素中的某個條件或某幾個條件發(fā)生改變，都會使大跨鋼結(jié)構(gòu)振動特性改變。

3 高鐵站房棚頂鋼結(jié)構(gòu)施工后抗震性能分析試驗(yàn)

在接下來的工作中，將通過試驗(yàn)對比來分析3種方法對大跨鋼結(jié)構(gòu)振動敏感性分析的有效性。在試驗(yàn)過程中，對高鐵站房棚頂中大跨鋼結(jié)構(gòu)的5個不同位置進(jìn)行測試，對比3種方法的抗震性能分析效果。這5個位置為5個局部區(qū)域的中心點(diǎn)，高度、構(gòu)件配置都不同，3種方法對振動敏感性的測試結(jié)果如圖4所示。

從3種方法對比結(jié)果可以明顯看出，基于自振模型法的的振動敏感性測試效果最佳，其敏感程度要高于其他兩種方法，可以最有效地檢測大跨鋼結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的意外振動。以第5個位置為例，基于自振模型法的振動敏感性測試達(dá)到了0.7‰，而同一位置的虛功模型法和增量模型法的振動敏感性測試分別為0.61‰和0.6‰?；谠隽磕Ｐ头ǖ恼駝用舾行苑治龊突谔摴δＰ偷恼駝用舾行苑治龈饔袃?yōu)劣，在振動幅度較小的位置上，基于增量模型法的振動敏感性更強(qiáng)。在振動幅度較大的位置上，基于虛功模型法的振動敏感性更強(qiáng)。從5個位置的情況來看，這5個位置因高度、位置、構(gòu)件配置的不同，振動強(qiáng)弱也不同。其中，第5個位置的振動效果最明顯。

4 結(jié)論

高鐵站房因整體規(guī)模、建筑高度、建筑跨度的增加，需要配置大跨鋼結(jié)構(gòu)。為了穩(wěn)定安裝高鐵站房棚頂大跨鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)該按照合理的施工流程，保障其施工后的安全性。本文以高鐵站房棚頂?shù)拇罂玟摻Y(jié)構(gòu)的施工為研究對象，給出了詳細(xì)的施工流程。并針對大跨鋼結(jié)構(gòu)的振動敏感性，提出了3種分析方法，包括虛功分析法、增量分析法、自振分析法。針對高鐵站房棚頂?shù)拇罂玟摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行振動敏感性的分析對比試驗(yàn)，選取5個不同位置并同時采用3種不同的方法進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，基于自振分析的方法，對大跨鋼結(jié)構(gòu)的振動敏感性最強(qiáng)，有效檢出率最高。

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