不同布索方式的正交梁系结构在车站雨棚中的应用_杜钢

第17卷第1期2011年3月空　间　结　构SPA T IA L ST R UCT U RESVo l .17No .1Mar .2011收稿日期:2010-10-31.作者简介:杜钢(1986—),男,湖北荆州人,硕士研究生,主要从事大跨度空间结构方面的研究.通讯联系人:袁行飞,女,教授,博士生导师.E -mail :yuanxf @zju .edu .cn不同布索方式的正交梁系结构在车站雨棚中的应用杜　钢,袁行飞(浙江大学空间结构研究中心,浙江杭州310058)摘　要:大跨度无站台柱雨棚设计是火车站建设的一个重点,它要求柱距大、跨度大.在各种大跨结构体系中如双层网架、柱面网壳、弦支网壳、张弦梁、实腹拱、拱形桁架、悬索、膜结构等,正交梁系结构由于其结构简洁、受力合理等优点而被广泛应用.论文对不同布索方式的正交梁系结构在车站雨棚中的应用进行了研究,探讨了不同布索方案对结构静、动力性能的影响,分析了结构的特征值屈曲和非线性屈曲,并采用弹性时程分析法比较了各方案抗震性能.研究结果表明合理的布索方案能有效改善正交梁系结构的承载力和抗震性能.关键词:正交梁系结构;初始缺陷;特征值屈曲;非线性屈曲;时程分析中图分类号:T U 393.3 文献标志码:A 文章编号:1006-6578(2011)01-0070-06Application of orthogonal beam structure with different cablelayout in the station canopyDU G ang ,YUA N Xing -fei(S p ace S tr uctur e Research Center ,Zhej iang U niver sity ,H angz ho u 310058,China )Abstract :Desig n of long -span canopy w ithout platform column is a key point in the construction of railw aystation and it requires big column spacing and large span .Among different large -span structural system s ,such as double -laye r g rid structure ,single -laye r cylindrical lattice shell ,suspended dom e ,beam string structure ,solid -spandrel arch ,o rthog onal beam structure ,arch truss ,suspended cable structure and mem brane structure ,the o rthog onal beam structure is widely adopted in the station canopy because of its sim ple structural form and reaso nable fo rce path .In this paper ,application o f o rthog onal beam structure w ith different cable layo ut in the station canopy is discussed .The effect of different cable layout on the static and dy namic perfo rmance of the structure is investig ated and the eig envalue buckling and no nlinear buckling is analy zed .By using the method of elastic time -history ,the anti -seismic analysis is also produced .The numerical results indicate that the reasonable cable lay out w ill improve the carrying capacity and the seismic behavior of the orthogo nal beam structure sig nificantly .Key words :orthogo nal beam structure ;initial defection ;eigenvalue buckling ;no nlinear buckling ;time -his -tory analy sis 我国铁路建设正进入快速发展期,到2012年,要建成六大枢纽性和十大区域性的客运中心.作为火车站的重要组成部分,站台是旅客进站上车的必经之地,因此其雨棚屋盖的建设是火车站建设的一个重点.目前大跨度无站台柱雨棚已得到业内与社会公众的普遍认可,成为火车站建设的一个亮点.大跨度无站台柱雨棚柱距大,跨度大,要求传力简洁明确,造型美观,造价经济合理,另外由于火车站人员高度密集,因而必须在安全方面有足够的保证.本文对适合车站雨棚的多种大跨结构体系进行第1期　杜钢,等:不同布索方式的正交梁系结构在车站雨棚中的应用71　了介绍,对其中的正交梁系结构进行了深入研究,提出了不同的布索方式,研究了初始缺陷等对结构性能的影响,并对其特征值屈曲、非线性屈曲进行了分析.考虑到车站是生命线工程,论文采用弹性时程分析法对各方案进行了抗震分析,为实际工程设计提供依据.1　已建车站雨棚的结构体系最早采用无站台柱雨棚的是俄罗斯圣彼得堡的莫斯科火车站,而国内于2004年4月成功完成对北京火车站的雨棚改造,采用连续拱形桁架结构建成了我国第一个无站台柱雨棚[1].此后全国各地新建了许多大型车站及无站台柱雨棚,结构体系也越来越丰富,如济南火车站、北戴河火车站雨棚采用钢管桁架结构(图1);北京北站、徐州火车站无站台柱雨棚采用张弦梁(桁架)结构(图2);上海火车站、青岛客站雨棚采用单层网壳;广州新客站采用索拱结构[2](图3);张家界火车站采用钢管桁架附加拉索体系;新深圳北站采用弦支柱面网壳(图4)等.图1　济南火车站雨棚Fig .1　Jinan sta tion canopy图2　徐州火车站雨棚F ig .2　Xuzhou statio ncanopy图3　广州新客站站台雨棚Fig .3　Guangzhou station canopy图4　深圳北站站台雨棚Fig .4　Shenzhen statio n canopy2　不同布索方式的正交梁系结构在各种适合车站雨棚的空间结构体系中,正交梁系结构由于其结构布置规则、简洁、受力合理、造价经济等优点而被广泛采用[3].为改善结构性能,常在正交梁系结构中引入不同方式的预应力索,在满足结构安全、可靠的同时使结构更经济.本文参考深圳北站站台雨棚结构尺寸,建立正交梁系结构模型(图5所示方案一).模型顺股道方图5　方案一立面图及标准网格单元Fig .5　Elev atio n view of structure with scheme 1andstanda rd g rid unit向189m ,垂直股道方向162m ,由9×9个标准结构单元组成.每个标准结构单元采用正交梁系布置方案,跨度24m ,宽度18m ,矢高为跨度的1/10,网格大小为3.5m ×3m .主梁1截面采用 550×16,主梁2截面采用 500×16,次梁截面采用 273×14,索截面为 7×73,强度1860M Pa ,撑杆采用 60钢棒.站台雨棚支撑采用钢管混凝土柱,柱高10m ,长向柱距为42m ,宽度方向柱距为36m ,四向分叉钢管斜柱汇交支承于落地柱顶端,斜柱竖向高度为8m .在方案一基础上,布置了不同方式的预应力索,方案72　空　间　结　构第17卷二布置水平索,方案三布置竖撑杆、矩形环索和斜索,方案四布置斜撑杆和斜索,各方案基本网格单元见图6.3　结构静力性能研究3.1　结构内力和变位为深入研究其受力性能,对这四种方案进行了分析,限于篇幅,本节探讨了不同布索方案对结构内力和变位的影响.本文模型布索方案中各索的预应力取380M Pa ,通过初始应变来施加,即索初应变为0.002.方案二施加于直索,方案三与四施加于斜索.结构竖向均布荷载为1kN /m 2.不同方案结构的最大位移和应力见表1,其中结构竖向最大位移出现在正交梁系跨中的最高点,上部构件最大应力出现在正交梁系的主梁1根部.图6　不同布索方案的正交梁系结构Fig .6　O rthog onal beam structure with diffe rent cable layo ut表1　不同方案结构内力和变位T able 1　T he static pe rfo rmance of differ ent scheme s方案竖向最大位移/mm 上部构件最大应力/M Pa 树状支撑最大应力/M Pa 柱最大应力/M Pa 索最大应力/M P a 方案一-166.94251.180132.0973.67无方案二-83.85240.8699.7668.12455.54方案三-74.88200.7980.0062.27184.60方案四-54.38177.9174.2064.15226.15 从表1可见,相对于正交梁系结构(方案一),各布索方案的最大竖向位移有很大的改善,主要构件的最大应力均有一定程度的改善;其中方案四对于竖向位移的改善最优.各布索方案对跨向根部内力影响不大,而各方案上部构件的最大应力出现在正交梁系的主梁1根部,因而上部构件的最大应力变化不大.各方案中索应力方案三最小,方案四其次,方案二最大.3.2　特征值屈曲与非线性屈曲在自重、预应力以及上述均布荷载作用下,对完善结构情况下进行各方案的特征值屈曲分析,并在此基础上考虑几何非线性,引入结构的第一阶整体屈曲模态并施加1/300跨度的初始缺陷,考察各方案的极限荷载安全系数.表2　结构的特征值屈曲与极限荷载安全系数Table 2　The first eigenvalue and ultimate load of safety coefficient特征值屈曲方案一28.09方案二31.35方案三45.75方案四49.39极限方案一27.35荷载方案二30.96安全方案三36.35系数方案四42.12 从表2可知,布索后结构的特征屈曲值及极限荷载安全系数有不同程度的提高,其中方案四最优,方案三次之.由非线性屈曲模态(图7)可见,方案一与方案二的屈曲模态基本一致,说明直索方案对结第1期　杜钢,等:不同布索方式的正交梁系结构在车站雨棚中的应用73　图7　各方案非线性屈曲模态Fig.7　N o nlinea r buckling modes构的屈曲模态影响不大,方案三的非线性屈曲模态为跨向边跨失稳,方案四为结构整体竖向失稳. 3.3　结构初始缺陷考虑初始缺陷对结构静力性能的影响,在自重、预应力以及1kN/m2的竖向均布荷载作用下,保持其他条件不变,仅改变初始缺陷的大小,研究其对结构非线性屈曲承载力的影响.表3　结构的极限荷载安全系数T able3　Ultimate load of safety coefficient初始缺陷1/1001/3001/5000极限方案一22.1927.3527.5627.57荷载方案二24.8430.9631.0831.09安全方案三28.9636.3542.3642.38系数方案四33.6442.1246.3646.38 由表3可知,各方案的极限荷载安全系数均随着初始缺陷的减小而增大.当初始缺陷从1/100减小到零时,极限荷载安全系数提高较明显,当初始缺陷从1/300减小到1/500时,极限荷载安全系数提高较小,当初始缺陷从1/500减小到0时,结构的极限荷载安全系数基本保持不变.4　结构动力性能研究4.1　模态分析模态分析用于确定设计机构或者结构的自振特性,结构的自振特性主要是指结构的自振频率与其对应振型组成的特征对.结构的自振特性是其本身固有的力学性能,它直接影响到动力荷载作用于结构自身产生的响应,同时又是衡量一个结构质量和刚度是否匹配,刚度是否合理的重要指标,因此对结构进行动力性能分析之前,需要先对结构进行模态分析以确定结构的自振特性[9].取结构矢跨比为1/10,在仅考虑结构自重和预应力情况下,考察不同布索方式的正交梁系结构各阶自振频率和自振模态,见表4、图5.表4　结构自振频率T able4　N atural frequency of st ructure方案一方案二方案三方案四第1阶0.970.970.951.02第2阶1.061.061.041.13第3阶1.061.071.041.16第4阶1.271.271.251.96第5阶1.461.501.472.12第6阶1.581.571.552.54第7阶1.701.921.872.55第8阶1.822.041.932.67第9阶1.892.081.952.68第10阶2.012.131.952.71表5　前三阶自振模态T able5　T he fir st th ree-order vibration mode shape s方案方案一方案二方案三方案四第1阶第2阶第3阶74　空　间　结　构第17卷 从以上计算结果可知,布索方案与无索正交梁系方案的前几阶自振模态基本一致,前几阶自振频率比较接近,并且各方案的高阶自振频率比较密集,但各布索方案对高阶频率有较大影响,各布索方案高阶自振频率较无索方案大.4.2　地震作用分析在保持各方案参数不变的情况下,结合结构自振模态考察结构的地震作用.地震波采用美国EI -Centro 波,并按峰值加速度为150cm /s 2进行调幅,波的持续时间为19.2s ,间隔时间为0.1s .在考虑重力及预应力作用时,采用弹性时程分析法,取结构阻尼比为0.02,考察结构的位移和应力响应[10].选取不同方案结构跨中顶点处的节点,查看其在水平x 向地震作用下x 、z 向的位移响应以及索应力的时程曲线,见图8、图9.从图8可知,在x 向地震、自重以及预应力作用下,各方案x 与z 向位移时程曲线均在一个大于零的值上下波动,以方案一最大,方案二次之,方案四最小.由图9可知,各方案中索的应力始终大于零,满足结构设计中索不松弛的要求.在时间历程中,方案四索的应力幅值最小.图8　x 向地震作用下的位移时程曲线Fig .8　Displacement time -histo ry cur ves unde r horizo ntal ear thquake第1期　杜钢,等:不同布索方式的正交梁系结构在车站雨棚中的应用75　图9　索应力时程响应Fig .9　Stre ss time -histo ry curv es o f cables5　结　论本文对正交梁系结构在车站雨棚中的应用进行了研究,分析了不同布索方式下结构的静动力性能.研究结果表明,合理的布索能明显改善正交梁系结构的静力性能和稳定性能,各方案中方案四最优,方案三次之,方案二有一定改善.布索对结构的低阶频率和模态影响较小,对高阶频率影响较大.在地震作用时,合理的布索方案能明显改善结构的性能,方案四最优,方案二次之.因此在实际工程应用中,应在满足建筑结构功能的基础上合理布索,并通过参数化分析找到最优的结构受力形态,提高结构的性能.参考文献[1]谷邛英.北京站无站台柱雨棚主桁架设计研究[J ].铁道工程学报,2006,16(9):77-81.G U Qiong -y ing .Resear ch on main truss design of no -platform -co lumn canopy 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