鐵路客站板殼結(jié)構(gòu)站臺(tái)雨棚抗震性能分析

楊超望

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

引言

站臺(tái)雨棚作為鐵路旅客車站設(shè)施的重要組成部分，不僅要滿足為旅客遮風(fēng)擋雨的基本服務(wù)功能，而且其造型應(yīng)與站房的風(fēng)格相協(xié)調(diào)[1-3]。雨棚常用的設(shè)計(jì)方案有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、鋼管桁架結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[4]。鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚常見的破壞有風(fēng)雨棚伸縮過(guò)程導(dǎo)致的變形，使蓋板上的鉚釘與自攻螺絲造成脫落變形，蓋板極易松動(dòng)，甚至有可能脫落。另外，由于外界溫度、風(fēng)力、振動(dòng)等多方面的影響，檐口板極易產(chǎn)生振動(dòng)，長(zhǎng)此以往，就會(huì)使得其他固定結(jié)構(gòu)也隨之松動(dòng)，導(dǎo)致檐口板最終發(fā)生脫落現(xiàn)象。還會(huì)由于人工操作存在的差異性，導(dǎo)致有些相鄰屋面板之間無(wú)法達(dá)到牢固的鎖邊情況，從而導(dǎo)致面板容易掀起[5]。

目前，雨棚結(jié)構(gòu)形式又衍生出京張高鐵的清水混凝土站臺(tái)雨棚以及板殼結(jié)構(gòu)雨棚。其中板殼結(jié)構(gòu)雨棚由殼板、邊梁及橫隔三部分組成，在橫向以拱的形式承荷和傳力，在曲面內(nèi)產(chǎn)生橫向壓力，在縱向以縱梁的形式把荷載傳給橫隔。因此，殼板是橫向拱與縱向梁共同作用的空間受力結(jié)構(gòu)[6-7]。但是混凝土板殼結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性都比較明顯，簡(jiǎn)化計(jì)算及彈性分析已不能真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此，運(yùn)用細(xì)化彈性有限元分析掌握結(jié)構(gòu)傳力形式、變形形態(tài)，獲取設(shè)計(jì)所需要的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、材料應(yīng)力參數(shù)，用分層殼單元進(jìn)行非線性分析進(jìn)一步揭示了結(jié)構(gòu)的塑性性能。HABIB等[8]開發(fā)了基于有限元的三維殼體結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)了殼體結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化。TRFF等[9]為超大規(guī)模、基于殼單元的拓?fù)鋬?yōu)化提供了一個(gè)高性能計(jì)算框架。金吉等[10]運(yùn)用仿生生長(zhǎng)法，基于自然界分支系統(tǒng)的生長(zhǎng)機(jī)制，被作為一種新的結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化方法。等[11]提出了一種分析薄殼結(jié)構(gòu)的新的數(shù)值模型。CHONG等[12]提出鋼筋混凝土平板的沖切抗力是一個(gè)典型的以高度理想化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。基于能量原理，王金朝[13]采用改進(jìn)的傅里葉級(jí)數(shù)法建立了一般邊界條件下板殼及其組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，得到問(wèn)題的半解析解。針對(duì)鋼筋布置，董小虎等[14]通過(guò)引入等效靜態(tài)載荷法，運(yùn)用基于自然界分支系統(tǒng)形態(tài)形成機(jī)理的自適應(yīng)成長(zhǎng)法解決板殼加筋結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。王慶等[15]采用攝動(dòng)隨機(jī)有限元法研究了具有隨機(jī)參數(shù)的板殼結(jié)構(gòu)大撓度動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。結(jié)果表明，新的仿生生長(zhǎng)方法能夠有效、靈活地處理板殼結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)目標(biāo)，為結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種新的解決途徑。

鑒于目前板殼結(jié)構(gòu)雨棚的實(shí)際工程案例研究很少，無(wú)法對(duì)板殼結(jié)構(gòu)雨棚的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供有利支撐。因此，本文通過(guò)對(duì)安康西站站臺(tái)混凝土板殼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚進(jìn)行抗震力學(xué)性能研究，為工程設(shè)計(jì)提供參考及優(yōu)化建議。

1 工程概況

鐵路安康西站地處秦巴地區(qū)，位于安康市高新區(qū)西側(cè)、傅家河西岸，安康西站是中國(guó)西部地區(qū)重要鐵路樞紐——安康市的主要客運(yùn)站之一，安康西站站臺(tái)雨棚效果見圖1。車站雨棚全長(zhǎng)為450 m，投影面積8 210 m2。采用雙柱雨棚結(jié)構(gòu)形式，安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.1，雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期值為0.35 s。梁、板、柱均采用C35混凝土，抗震等級(jí)及構(gòu)造措施為三級(jí)。普通鋼筋采用HRB400級(jí)，箍筋采用HRB300級(jí)?；炷亮?、柱保護(hù)層厚度均為35 mm，混凝土板保護(hù)層厚度為25 mm。

圖1 安康西站站臺(tái)雨棚效果圖

2 雨棚有限元模型建立

2.1 計(jì)算模型

以新建鐵路西安至安康線安康西站站臺(tái)風(fēng)雨棚為原型建立有限元模型，選取一個(gè)結(jié)構(gòu)單元作為研究對(duì)象。通過(guò)建立有限元模型，輸入選定的地震波時(shí)程曲線，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程迭代求解，求得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，可以計(jì)算得到地震整個(gè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)各時(shí)刻的地震響應(yīng)。

2.1.1 模型尺寸

(1)雨棚柱

雨棚柱網(wǎng)尺寸為12 m×5.4 m，柱截面尺寸為600 mm×600 mm，雨棚柱高度為6 m，為方便下文分析敘述，將柱編號(hào)為KZ1～KZ12，具體的柱編號(hào)見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)單元框架柱編號(hào)(單位：mm)

(2)雨棚梁

按照形狀分為水平梁與弧形梁。

①垂直股道方向梁：水平梁，截面尺寸為300 mm×600 mm，梁長(zhǎng)5.4 m。

②順股道方向梁：弧形梁，截面尺寸為350 mm×900 mm，梁長(zhǎng)12 m，弧度與建筑造型保持一致。

③懸挑梁：變截面梁，截面尺寸為300 mm×900 mm/500 mm，梁長(zhǎng)3.3 m。

④封邊梁：弧形梁，截面尺寸為250 mm×700 mm，梁長(zhǎng)5.4 m。

(3)屋面板

風(fēng)雨棚屋面板板厚為120 mm，兩柱之間的屋面板上表面與垂直股道方向梁的上表面平齊；兩柱之外的屋面板下表面與懸挑梁的下表面平齊，板與梁的位置關(guān)系見圖3。

圖3 雨棚結(jié)構(gòu)剖面及大樣(單位：mm)

2.1.2 材料屬性及模型建立[16]

分別建立混凝土部分和各構(gòu)件中鋼筋的模型，將各構(gòu)件模型裝配成整體風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)框架；縱筋和箍筋組合成鋼筋籠；內(nèi)嵌入混凝土中，用以模擬鋼筋和混凝土在持荷時(shí)的共同作用。

混凝土采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，材料屬性采用有限元軟件內(nèi)提供的塑性損傷模型，其單軸本構(gòu)模型采用GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中的本構(gòu)模型，模型參數(shù)見表1。

鋼筋選用兩節(jié)點(diǎn)三維桁架單元，本構(gòu)模型使用雙折線理想彈塑性模型，不考慮強(qiáng)度退化。雙折線第一段是彈性階段，斜率為鋼筋彈性模量；第二段是強(qiáng)化階段，斜率取鋼筋彈性模量的1/100，鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，泊松比取0.3。

板殼雨棚結(jié)構(gòu)模型采用模態(tài)疊加法進(jìn)行模擬計(jì)算；同時(shí)建立雙柱單榀雨棚模型，對(duì)單跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力隱式計(jì)算。如圖4所示，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)單元與單榀雨棚的混凝土與鋼筋模型。

表1 混凝土損傷塑性模型參數(shù)標(biāo)定

圖4 有限元分析模型

2.2 地震波選取

按照GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)要求[18]，選用1組人工波(AR波)和2組天然波(EL-Centro波、Taft波)三種地震波加速度時(shí)程曲線，地震波作用方向?yàn)閄向、Y向，主次方向地震波峰值比為1∶0.85，持續(xù)時(shí)間為50 s，如圖5所示。

圖5 地震波時(shí)程曲線(峰值加速度為220 cm/s2)

本文所選用地震波主要作用集中在0～25 s區(qū)間段，故在對(duì)單跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力隱式求解時(shí)，分析步時(shí)間設(shè)置為25 s。

3 雨棚地震響應(yīng)分析

3.1 自振特性分析

在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析前，需對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析[19]。

本文計(jì)算分析了結(jié)構(gòu)前10階特征值。圖6為計(jì)算得出的前4階振型，第1階為繞無(wú)懸挑端的邊柱扭轉(zhuǎn)，第2階振型為繞帶懸挑端的邊柱扭轉(zhuǎn)，第3階振型為X向平動(dòng)，第4階振型為繞雨棚結(jié)構(gòu)中心軸的對(duì)折扭轉(zhuǎn)。

圖6 整體結(jié)構(gòu)模型前4階振型

列出前10階自振頻率，如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)的自振特性

3.2 雨棚結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

為進(jìn)一步掌握雨棚結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的地震響應(yīng)及抗震性能，選用模態(tài)疊加法開展了峰值加速度為35 cm/s2的AR人工波、EL-Centro波、Taft波作用下風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析，雙向輸入。

研究重點(diǎn)為雨棚結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件-鋼筋混凝土柱，編號(hào)為KZ1～KZ12(圖2)，圖7為峰值加速度為35 cm/s2的不同地震波輸入下12根鋼筋混凝土柱柱頂X向、Y向位移峰值曲線(位移峰值均為絕對(duì)值)。圖8為峰值加速度為35 cm/s2的AR波作用下KZ2柱頂X向、Y向位移時(shí)程曲線。

圖7 不同地震波輸入下柱頂位移峰值曲線(峰值加速度為35 cm/s2)

圖8 AR波作用下KZ2柱頂位移時(shí)程曲線(峰值加速度為35 cm/s2)

由圖7、圖8可以看出，X向和Y向柱頂位移峰值中的最大值分別為KZ4的1.77 mm和KZ2的4.26 mm，最大彈性層間位移角為1/1 294，符合規(guī)范規(guī)定，同時(shí)從圖中可以發(fā)現(xiàn)，雨棚Y向各柱的位移峰值遠(yuǎn)大于X向。X向的各柱位移峰值趨勢(shì)為：由伸縮縫處向另一側(cè)方向總體上呈減小的趨勢(shì)；Y向則總體上呈現(xiàn)出邊柱較大，中柱較小的趨勢(shì)。其中，靠近伸縮縫側(cè)的柱頂位移峰值明顯大于其他位置的鋼筋混凝土柱。由此可知，雨棚結(jié)構(gòu)在地震工況作用下，邊柱為抗震薄弱環(huán)節(jié)，在帶有懸挑部分一側(cè)的邊柱對(duì)于地震響應(yīng)更加劇烈，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)帶有懸挑部分一側(cè)的邊柱應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)構(gòu)造措施。

3.3 雨棚結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)是指地震作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)最大值與地震輸入峰值的比值，是評(píng)判結(jié)構(gòu)抗震能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一[20]。表3列出了12根框架柱在峰值加速度為220 cm/s2的AR波作用下的柱頂加速度放大系數(shù)。由表3可知，X向加速度放大系數(shù)變化較為平緩；Y向最大加速度放大系數(shù)達(dá)到了6.16，最小為2.93；Y向加速度放大系數(shù)大于X向加速度放大系數(shù)，且Y向加速度放大系數(shù)在伸縮縫(懸挑部分)處較大，另一側(cè)的放大系數(shù)較小，且差值較顯著，說(shuō)明伸縮縫一側(cè)的懸挑部分由于慣性，和主體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不同步，與結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相位差，相當(dāng)于對(duì)主體結(jié)構(gòu)施加了另一個(gè)振動(dòng)源，而且由于懸挑部分的運(yùn)動(dòng)相位差產(chǎn)生的振動(dòng)波隨傳播距離(雨棚位置)遞減，因此，Y向柱頂加速度放大系數(shù)隨雨棚位置發(fā)生遞減變化，其根本原因是懸挑部分給結(jié)構(gòu)的附加振動(dòng)波隨雨棚位置發(fā)生遞減變化，改變了框架結(jié)構(gòu)在地震作用中的動(dòng)力反應(yīng)。

表3 風(fēng)雨棚柱頂加速度放大系數(shù)

3.4 雨棚結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

對(duì)雨棚全模型采用模態(tài)疊加法進(jìn)行分析計(jì)算，基于結(jié)構(gòu)自然模態(tài)，計(jì)算結(jié)構(gòu)在峰值加速度為220 cm/s2罕遇地震作用下的線性響應(yīng)。從圖9可以看出，在罕遇地震作用下，邊柱柱腳處，特別是懸挑一側(cè)(伸縮縫處)應(yīng)力較大，是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，需要采取構(gòu)造措施對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；對(duì)于結(jié)構(gòu)的同一排框架柱，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大處出現(xiàn)在柱腳和梁柱節(jié)點(diǎn)處，且柱腳應(yīng)力略大于節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土柱腳和節(jié)點(diǎn)的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

圖9 地震波作用下最大應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖9還可以看出，在罕遇地震作用下，雨棚結(jié)構(gòu)框架梁、框架柱沒(méi)有發(fā)生塑性變形，均處于彈性階段內(nèi)，結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足了“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

3.5 雨棚結(jié)構(gòu)損傷

提取單榀框架，選取峰值加速度為220 cm/s2的AR人工波作用下風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)的彈塑性分析。如圖10所示，除混凝土柱端部和節(jié)點(diǎn)處少數(shù)部分發(fā)生輕度受壓損壞外，整體結(jié)構(gòu)完好，受壓損傷因子均小于0.1；柱內(nèi)的混凝土塑性應(yīng)變小于0.005，鋼筋塑性應(yīng)變小于0.01，屬于輕度損傷。發(fā)生受壓損傷的柱端損傷范圍較小，且其所占柱端截面比例較小，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響較小?？偟脕?lái)說(shuō)，大部分雨棚結(jié)構(gòu)在大震作用下未進(jìn)入塑性，且風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震承載力，滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)[21]。

圖10 AR地震波作用下混凝土受壓損傷云圖

3.6 板殼結(jié)構(gòu)雨棚受力特征分析

為探索板殼結(jié)構(gòu)雨棚的受力特征，在上述有限元模型的基礎(chǔ)上，以板殼結(jié)構(gòu)跨度/波長(zhǎng)為變量，建立有限元模型，對(duì)其施加Taft地震波。其中，原模型跨度/波長(zhǎng)為0.45，新建有限元模型跨度/波長(zhǎng)為2和4，將上述模型分別命名為YP-0.45，YP-2和YP-4。具體計(jì)算結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 結(jié)構(gòu)中部彎矩最大值

圖12 結(jié)構(gòu)中部橫向內(nèi)力最大值

通過(guò)計(jì)算分析得到板殼結(jié)構(gòu)雨棚的受力特征如下：跨度/波長(zhǎng)≥3時(shí)，由于跨度較大，結(jié)構(gòu)中的彎矩較大，縱向梁的傳力作用顯著，相較之下，橫向的拱作用明顯變小，其受力特點(diǎn)與梁類似；當(dāng)跨度/波長(zhǎng)≤12時(shí)，由于跨度較小，橫向的拱作用明顯，而縱向梁的傳力作用很小，因此受力特點(diǎn)與拱類似，而且殼體內(nèi)力主要是曲面應(yīng)力；當(dāng)12<跨度/波長(zhǎng)<3時(shí)，殼體既存在曲面應(yīng)力，又存在彎曲應(yīng)力，拱和梁的作用都比較明顯。

4 結(jié)論

本文對(duì)板殼結(jié)構(gòu)形式站臺(tái)雨棚的抗震性能進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)地震作用下，雨棚結(jié)構(gòu)的薄弱部位為兩側(cè)邊柱柱腳和梁柱節(jié)點(diǎn)處。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)算且采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)安全。

(2)由于懸挑部分的慣性與整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不同步，產(chǎn)生相位差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的懸挑部分在地震作用下對(duì)雨棚整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加振動(dòng)，影響抗側(cè)力構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)。

(3)多遇地震作用下，雨棚結(jié)構(gòu)側(cè)向位移滿足規(guī)范要求；罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷范圍較小，且鋼筋均處于彈性范圍內(nèi)，具有足夠的抗震承載力，滿足預(yù)期的抗震設(shè)防目標(biāo)。

(4)當(dāng)板殼結(jié)構(gòu)雨棚跨度/波長(zhǎng)≥3時(shí)，其受力特點(diǎn)與梁類似；當(dāng)跨度/波長(zhǎng)≤12時(shí)，其受力特點(diǎn)與拱類似；當(dāng)12<跨度/波長(zhǎng)<3時(shí)，拱和梁的作用都比較明顯。