王亞光

網(wǎng)架因其具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度好、抗震性能優(yōu)異的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高鐵站房中，作為候車廳的大跨屋面使用?？拐鹎蛐椭ё?，萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)、萬(wàn)向承載的特性具有十分良好的承載能力和抗震性能[1]。鋼網(wǎng)架與抗震球型支座十分適合用于高烈度區(qū)的高鐵站房。以前對(duì)于上部鋼網(wǎng)架、下部混凝土框架的混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，設(shè)計(jì)人員一般采用分塊單獨(dú)計(jì)算。下部混凝土結(jié)構(gòu)常采用等代鋼梁法，將鋼網(wǎng)架等代成剛度相等的H 型鋼進(jìn)行建模計(jì)算[2]。上部網(wǎng)架的計(jì)算則是將下部混凝土支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與支座水平剛度進(jìn)行串聯(lián)，以串聯(lián)后的剛度作為支座剛度進(jìn)行模擬計(jì)算。這種計(jì)算方法雖然方便，但是難以準(zhǔn)確考慮上部網(wǎng)架和下部框架結(jié)構(gòu)對(duì)彼此的協(xié)調(diào)變形能力、地震作用下的整體模態(tài)計(jì)算及內(nèi)力效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果較之整體建模分析有較大差別[3]。隨著計(jì)算機(jī)性能及軟件發(fā)展，上部鋼網(wǎng)架、下部混凝土框架結(jié)構(gòu)可以做到整體計(jì)算，從而得出更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。本文以一座抗震設(shè)防烈度為8 度地區(qū)的高鐵站房為例，采用混合結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算方法，探究網(wǎng)架支座剛度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 工程概況

某新建高速鐵路站房位于山西省朔州市，最高聚集人數(shù)為500 人，性質(zhì)為小型站。本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度，地震加速度為0.20 g，水平地震影響系數(shù)最大值0.16，地震分組為第2 組，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，特征周期0.40 s。站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0；框架抗震等級(jí)為二級(jí)，涉及重點(diǎn)設(shè)防類別的框架為一級(jí)。

站房?jī)蓚?cè)主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，中間候車大廳部分采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加金屬屋面。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式為正方四角錐焊接球網(wǎng)架，平面尺寸約為71.4 m×40 m，網(wǎng)架最大厚度為3 m。

站房共計(jì)兩層，總高為10.8 m，其中一層層高6 m，兩側(cè)輔房板厚為120 mm。中部候車廳各層均無(wú)樓板，前排框架柱為穿層柱，僅Y 向有框架梁拉結(jié)。后排框架柱在二層層高處與連廊結(jié)構(gòu)相連，用于支承網(wǎng)架的框架柱截面均為1000 mm×1300 mm。站房平面圖如圖1 所示。

圖1 站房平面圖（來(lái)源：作者自繪）

2 模型的建立

采用YJK 軟件建立混凝土結(jié)構(gòu)模型，并且在空間結(jié)構(gòu)模塊中建立鋼網(wǎng)架模型，整裝模型如圖2 所示。

圖2 站房整體模型（來(lái)源：作者自繪）

通過(guò)前處理模塊的兩點(diǎn)約束，連接支撐框架柱柱頂節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)架支座對(duì)應(yīng)位置球節(jié)點(diǎn)模擬支座的連接。

為研究支座的水平剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力影響，本算例選取不同的支座水平剛度取值，分別建立如下5 種計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算比較：

1）模型1。網(wǎng)架支座均為彈性鉸支座，支座水平剛度為2 kN/mm，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）模型2。網(wǎng)架支座均為彈性鉸支座，支座水平剛度為5 kN/mm，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）模型3。網(wǎng)架支座均為固定鉸支座，支座水平剛度無(wú)限大，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

4）模型4。網(wǎng)架前排支座為固定鉸支座，支座水平剛度無(wú)限大，后排支座為彈性鉸支座，支座水平剛度為4 kN/mm，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均為萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

5）模型5。網(wǎng)架前排支座為固定鉸支座，支座水平剛度無(wú)限大，后排支座為彈性鉸支座，支座水平剛度為5 kN/mm，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均為萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于整裝計(jì)算存在鋼網(wǎng)架空間層，不采用剛性樓板后會(huì)存在較多的局部振動(dòng)，故特征值分析須選用Ritz向量法，保證有效質(zhì)量系數(shù)不小于90%?；炷两Y(jié)構(gòu)阻尼比取值0.05，鋼屋蓋阻尼比取值0.03[4]。

3 動(dòng)力特性影響研究，自振同期對(duì)比

自振周期對(duì)比，各模型的前3 階自振中期如表1 所示。

表1 前3 階振動(dòng)周期 單位：s

通過(guò)查看5 個(gè)不同模型的自振周期，發(fā)現(xiàn)模型1、2、3 的自振周期依次減小，模型4、5 的自振周期稍大于模型3，其中模型3 的自振周期最小。這是因?yàn)槟Ｐ?、2、3 中支座的水平剛度逐漸增大，在整體模型其余的邊界條件不變的情況下，可以認(rèn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度也逐漸增大，故模型1、2、3 的自振周期依次減小。模型4、5 相較于模型3 只有部分的支座由固定鉸支座變?yōu)閺椥糟q支座，故可以認(rèn)為模型5 的整體剛度稍大于模型4，均小于模型3，從周期數(shù)值上也可反映其剛度變化規(guī)律。

4 地震效應(yīng)影響研究

4.1 基底剪力對(duì)比

各模型在地震作用下的基底總剪力如表2 所示。

表2 地震作用下基底剪力單位：kN

由圖3 可知，模型2、3 的基底剪力逐漸增大，模型3、4、5 基底剪力十分接近，但仍是模型3 的基底剪力更大。分析可得這是由于各模型剛度不同，地震下基底剪力分布與結(jié)構(gòu)的整體剛度有關(guān)，結(jié)構(gòu)整體剛度越大，其周期越小，則基底剪力越大，反之結(jié)構(gòu)整體剛度越小，其周期越大，則基底剪力越小。

圖3 地震作用下基底剪力（來(lái)源：作者自繪）

模型1 周期最大，整體剛度最小，但是其基底剪力最大，有悖于常規(guī)剛性樓板假定下結(jié)構(gòu)的規(guī)律。但是通過(guò)分析表3 所示模型1 的前10 階振型基底剪力可以看出由于支座的水平剛度較弱，前幾階振型并不能激發(fā)出結(jié)構(gòu)的最大基底剪力，基底剪力主要分布于高階振型，由于復(fù)雜邊界條件帶來(lái)結(jié)構(gòu)特殊的動(dòng)力特性有可能產(chǎn)生這樣的基底剪力差異。由此也可探究此類混合結(jié)構(gòu)計(jì)算的特點(diǎn)，地震效應(yīng)不僅要看結(jié)構(gòu)自身的剛度，也與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有關(guān)，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需特別注意，且相比一般結(jié)構(gòu)更需要關(guān)注高階振型的地震效應(yīng)，有效質(zhì)量系數(shù)須滿足設(shè)計(jì)要求，否則會(huì)使地震作用計(jì)算偏小，結(jié)構(gòu)偏不安全。

表3 模型1 各振型基底剪力 單位：kN

因此得出結(jié)論，對(duì)于相同的下部混凝土部分及上部鋼網(wǎng)架，僅僅改變支座的水平剛度也會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生影響，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)產(chǎn)生改變，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件及框架梁等的內(nèi)力產(chǎn)生變化，整裝計(jì)算可以更好地計(jì)算模態(tài)特性及地震效應(yīng)，使計(jì)算更加準(zhǔn)確。

4.2 支承框架柱位移對(duì)比

對(duì)于高烈度地區(qū)的工程來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的位移角限值是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的最重要指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)注的指標(biāo)。站房候車廳正、背立面支承框架柱由于Y 向無(wú)框架梁平衡柱身彎矩，抗側(cè)剛度弱，對(duì)于位移更加敏感，是位移角指標(biāo)的重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)件。由于支承框架柱與鋼屋蓋鉸接連接，柱身受力類似于排架柱，故此處的框架柱彈性層間位移角限值參照《上海建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程（DGJ08-9—2013）》[5]中表5.5.1“單層鋼筋混凝土柱排架”項(xiàng)取1/300 控制。

在溫度作用下，通過(guò)設(shè)置網(wǎng)架彈性支座可以釋放溫度應(yīng)力，避免框架柱承受過(guò)大的水平推力。但是在地震作用下，網(wǎng)架與下部結(jié)構(gòu)的相互作用更為復(fù)雜。一方面，地震作用下的網(wǎng)架支座反力會(huì)通過(guò)支座傳至支承框架柱頂，穿層的框架柱在無(wú)框架梁相連的方面會(huì)產(chǎn)生類似與懸壁柱受彎的彎曲，不利于柱頂位移；另一方面，網(wǎng)架作為剛性屋面也可將懸臂的穿層框架柱連為整體，可限制柱身的振動(dòng)，減小柱頂位移。

選取候車廳正立面中部位置的支承框架柱A 柱和背立面中部位置的支承框架柱B 柱記錄其層間位移值及層間位移角，探究支座水平剛度與柱頂位移的關(guān)系，如表4、表5 所示。同時(shí)記錄A 柱、B 柱的柱頂剪力值如表6 所示，即為網(wǎng)架支座對(duì)柱頂?shù)乃酵屏Α?/p>

表4 Y 向地震作用下A 柱柱頂水平位移

表5 Y 向地震作用下B 柱柱頂水平位移

表6 Y 向地震作用下柱頂剪力單位：kN

通過(guò)表4、表5 分析可得，模型1 的支座水平剛度最?。? kN/mm），柱頂位移最小，可以認(rèn)為模型1 產(chǎn)生的反力最小，作用到支承柱上產(chǎn)生的彎矩也是最小。模型3 支座水平剛度最大，可以看到柱頂?shù)募袅褪亲畲蟮?，但是由于背立面的框架柱剛度大于前排的框架柱，與柱頭固結(jié)的網(wǎng)架作為剛性屋蓋起到了剪力分配的作用，將大部分網(wǎng)架產(chǎn)生的剪力分配到背立面一排的框架柱上，反而使前排框架柱的水平推力減小，對(duì)于前排框架柱起到了側(cè)向支承的作用，在一定程度上有利于限制柱頂位移。模型2（支座水平剛度為5 kN/mm）的柱頂位移值最大，可以理解為網(wǎng)架產(chǎn)生的支座反力大于模型1，而網(wǎng)架作為剛性屋蓋對(duì)于柱頂?shù)募s束作用又不如設(shè)置固定鉸支座的模型3，才會(huì)產(chǎn)生此結(jié)果。

如果支座水平的剛度繼續(xù)減小，柱頂?shù)奈灰剖欠駮?huì)產(chǎn)生更好的結(jié)果。此處新增1 個(gè)比較模型，將A 柱的網(wǎng)架支座改為滑動(dòng)鉸支座，即水平剛度取為零。計(jì)算結(jié)果為柱A 的柱頂位移值為41.07 mm，層間位移角為1/438。此位移值大于模型1 的位移值，由此可見(jiàn)在支承柱頂既無(wú)水平推力也無(wú)鋼屋蓋側(cè)向約束的情況下，也不是最有效的控制柱頂位移的手段。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合某高烈度區(qū)新建鐵路站房結(jié)構(gòu)，具體分析了支座水平剛度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震效應(yīng)等抗震性能方面的影響，得到以下結(jié)論，并且對(duì)此類混合結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中提出一些意見(jiàn)：第1，下部混凝土結(jié)構(gòu)上部鋼網(wǎng)架的混合結(jié)構(gòu)，建議通過(guò)對(duì)支座連接準(zhǔn)確模擬進(jìn)行整裝計(jì)算，相較于上下分部計(jì)算，不僅變形協(xié)調(diào)、剛度計(jì)算的更準(zhǔn)確，也能更好地計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，使抗震計(jì)算更加精確。第2，通常支座的水平剛度越大，整體剛度越大，周期越小，基底剪力等地震效應(yīng)越大，反之亦然。但是由于混合結(jié)構(gòu)邊界條件的復(fù)雜性，也有可能會(huì)出現(xiàn)特殊情況。若支座水平剛度小，則基底剪力可能會(huì)主要分布于高階振型，這一點(diǎn)不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于此類混合結(jié)構(gòu)需要更加關(guān)注高階模態(tài)及有效質(zhì)量系數(shù)。第3，結(jié)構(gòu)中與網(wǎng)架相連的混凝土抗側(cè)力構(gòu)件，網(wǎng)架支座的剛度對(duì)其剪力、彎矩、位移等地震效應(yīng)具有十分顯著的影響。此類結(jié)構(gòu)的計(jì)算必須以整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，以剛度理論為依據(jù)進(jìn)行分析，不可局限于單個(gè)構(gòu)件。各種支座水平剛度的取值均需進(jìn)行比選計(jì)算，確保整個(gè)抗震計(jì)算的準(zhǔn)確性。