哈大铁路客运专线鞍山站站房屋盖与下部支承结构的动力相互作用研究

田承昊，米宏广，王彦芳，黄 丽

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

1 概述

鞍山火车站位于鞍山市，是哈尔滨至大连新建客运专线铁路的重要客运站房，建筑面积1.5万m2。本工程建筑主体结构通过伸缩缝沿轨道方向分为左、中、右3段，各段结构形式均采用现浇钢筋混凝土结构，其中，中段屋盖采用由橡胶支座支承的大跨度空间网架结构体系。

鞍山站主体采用钢筋混凝土框架结构，而屋面采用网架结构，这种特殊结构是由2种不同的材料及两种不同的结构形式组成的，对该类网架－支座－支承框架结构而言，现行的设计方法明显存在一些不足之处:一方面，在现行的网架设计中，设计人员将网架结构与支承框架分开独立设计;在进行上部网架结构设计时，支承框架柱等效为网架支承节点的弹性约束。在动力分析时，该方法忽视了下部支承框架构件间的相互作用，因此探讨网架结构与下部支承结构的相互作用成为一个亟待解决的问题［1-2］;另一方面，在大型网架工程中，为了考虑温度变形等因素的要求，常在网架和下部支承结构间设置橡胶支座，但未考虑设置橡胶支座后结构体系动力特性的改变和对地震响应的影响。因此，研究这些问题具有重要的实际意义。结合鞍山站站房设计，探讨了网架-支承框架结构的相互作用和在支承柱顶设置橡胶支座对结构地震反应的影响。

2 鞍山站站房工程介绍

鞍山站主站房属于高大空旷房屋，柱网尺寸以12 m为主，屋面高度21 m;柱截面分700 mm×700 mm，700 mm×1 200 mm 2种，主梁截面分 350 mm×1 100 mm，500 mm ×1 000 mm，350 mm ×800 mm 3种;局部楼面板厚130 mm;网架形式为正交正放四角锥网架，通过橡胶支座节点与下部结构连接，网架平面尺寸为163 m×63 m，网架矢高2.7 m，分格3 m×3 m，计算跨度48 m，周圈外挑7.5 m。下部结构为周边柱支承，支承柱间设置有连梁，增强柱间连接，形成框架，提高了下部结构的整体性，其中连梁分3层，层高均为6 m。上弦恒荷载标准值为0.6 kN/m2，活荷载标准值为0.5 kN/m2，下弦恒荷载标准值为0.2 kN/m2。杆件规格:上弦杆截面主要尺寸为140 mm×6 mm，180 mm×10 mm;下弦杆截面尺寸为159 mm×8 mm，180 mm×10 mm;腹杆截面尺寸为89 mm×4 mm，114 mm×6 mm。钢材为Q235B，支承框架的混凝土强度等级选用C30。材料特性遵循现行有关设计规范。

3 分析模型的确定

3.1 网架计算模型

现行的网架设计方法，在研究网架结构竖向地震作用时，通常将柱子及下部结构简化为弹性支座，只考虑柱子提供的竖向约束作用。如果柱子及下部结构的整体刚度较大，可将网架支座简化为固定铰。在研究水平地震作用时，计算时通常将下部结构简化为水平约束，计算出下部结构的侧向刚度，作为上部结构水平弹性约束的弹簧刚度［3］。

本文根据研究目的采用Midas分别建立了3种有限元模型，其分类如下:

(1)依据不考虑下部框架构件间相互作用的现行网架设计方法，简化处理下部框架结构，建立了网架结构有限元模型;

(2)考虑结构各部分的相互作用，建立了整体分析模型，网架与下部结构通过固定铰连接;

(3)考虑结构各部分的相互作用，网架与下部结构之间通过三向弹性支座连接，相应建立了整体分析模型。见图1。

本文简单命名了3种模型，见表1。

图1 整体计算模型

在计算分析中，对比内容如下:

(1)铰接简化模型与铰接支座模型在地震作用下结构控制节点和杆件反应的差异对比;

表1 网架计算模型分类

(2)铰接支座模型与橡胶支座模型在地震作用下结构控制节点与杆件反应的差异对比。

3.2 橡胶支座单元［4］

橡胶支座节点是在平板压力支座节点的支座底板下增设橡胶板，并以锚栓相连而构成支座节点。该类支座在竖向具有一定的承压能力，在水平方向又可产生一定的剪切变位。因此，将它应用于支座节点，不仅可使支座节点在不出现过大压缩变形的情况下获得足够的承载力，而且既可以适应支座节点的转动要求，又能适应温度变化、地震作用所产生的水平变位，从而减小或消除温度应力，减轻地震作用的影响，并能改善下部支承结构的受力状态。普通橡胶支座的恢复力特性可以简化成线弹性模型。本文利用了Kelvin阻尼器的模型来模拟夹层橡胶支座的水平和竖向力学特性［5］。Kelvin阻尼器模型见图2。

图2 Kelvin阻尼器模型

采用图2中的计算模型来模拟夹层橡胶支座3个方向的恢复力和阻尼特性。该模型在一维中有轴向拉压的能力。i，j为模型的两个受力节点，k为其刚度系数，c为其阻尼系数。可利用此模型来模拟夹层橡胶支座的水平和竖向行为，不考虑夹层橡胶支座在竖向和水平的弯曲和扭转。如果夹层橡胶支座具有合适的阻尼比，就能有效地控制结构的地震反应，减少上部结构的水平位移。所以，阻尼比是减震结构的重要动力参数之一。

夹层橡胶支座的阻尼比应采用实验的方法来确定，可分为直接测定法与间接测定法。

文献［6］给出了在设计竖向恒定荷载作用下，夹层橡胶支座阻尼比ξ的直接测定方法的计算公式

式中 ξ——夹层橡胶支座的阻尼比;

ωc——曲线Q-d的包络面积;

Kh——橡胶支座水平有效刚度;

d——夹层橡胶支座上下板的水平相对位移;

在分析计算时，把橡胶板看做为一个弹性元件，其竖向刚度Kz0和两个水平方向的侧向刚度Kx0和Ky0分别可取为

式中，E为橡胶垫板抗压弹性模量;A为垫板承压面积;d0为橡胶层的总厚度;G为橡胶垫板剪切模量。

3.3 独立柱单元

独立柱的竖向刚度Kzl和2个水平方向的侧向刚度 Kxl和 Kyl为

式中，E为独立柱的弹性模量;Ix、Iy为独立柱截面2个方向的惯性矩;l为独立柱的高度。

4 对比内容分析

4.1 网架结构的动力特性分析

结构的动力特性分析又称为结构的模态分析。在分析网架、支座与支承框架的动力特性时，研究内容分为2个部分。一方面，研究分析了铰接简化模型与铰接支座模型的动力特性，并比较了两者间的差异;另一方面，重点对比分析了橡胶支座模型与铰接支座模型动力特性的差异。对比分析表明:3种网架模型在竖向的自振频率及振型均较为相似，说明3种模型在竖向的动力特性极为相似，即考虑下部框架构件相互作用与否或设置橡胶支座与否，对网架结构的竖向动力特性影响较小;3种模型在水平方向的自振频率与振型图相差较大，说明3种模型在水平向的动力特性差异较大，即考虑下部框架构件相互作用与否或设置橡胶支座与否，均对网架结构的水平动力特性影响较大。

4.2 网架与下部支承体系静力相互作用

以支座处和平面中部的计算跨度方向上弦杆内力为例比较3种模型的静力计算结果可知:按铰接简化模型计算所得结果用于设计很不安全。

4.3 网架与下部支承体系动力相互作用

应用振型分解反应谱法进行准动力计算，比较3种模型的计算结果可知:

(1)采用铰支简化模型计算将使动内力偏小;

(2)若采用动静比表达网架杆件地震内力计算方法，按铰支简化模型将导致更大的误差。橡胶支座模型计算的结果与实际最为相符。

4.4 框架结构柱的剪力对比

(1)铰接简化模型与铰接支座模型框架柱顶部剪力的对比

2种模型框架结构底部总剪力变化规律不一致，考虑下部结构的整体作用后，框架结构柱的柱顶总剪力反应明显增大。根据计算所得数据可知，在水平地震作用下，铰接支座模型的框架柱柱顶总剪力最大值较铰接简化模型增加了70.7%。

(2)铰接支座模型与橡胶支座模型框架柱底部剪力的对比

2种模型框架结构底部总剪力变化规律一致，设置橡胶支座后，框架结构柱的底部总剪力反应变化较大，橡胶支座模型的计算结果明显小于铰接支座模型的计算结果。根据计算所得数据可知，在水平地震作用下，设置橡胶支座，框架柱底部总剪力减小了33.6%。

4.5 框架结构柱顶的位移对比

(1)铰接简化模型与铰接支座模型柱顶位移的对比

铰接简化模型与铰接支座模型水平向的动力特性差异极大。是否考虑下部支承框架结构的整体作用，对网架结构水平向的动力特性影响较大，致使2种模型在水平地震作用下下部框架结构柱的柱顶位移及其协调变形。

(2)铰接支座模型与橡胶支座模型柱顶位移的对比

在水平地震力作用下，铰接支座模型与橡胶支座模型下部框架结构柱顶位移反应有较大差异。在支承框架结构柱的柱顶设置橡胶支座，能有效降低下部框架结构柱的柱顶位移。

5 结论

(1)3种网架模型在竖向的自振频率及振型均较为相似，说明3种模型在竖向的动力特性极为相似，即考虑下部框架构件相互作用与否或设置橡胶支座与否，对网架结构的竖向动力特性影响较小。

(2)进行动力特性分析时，铰接简化模型水平向同阶频率均小于铰接支座模型，即结构的水平刚度明显偏小，且两者的水平动力特性相差较大。

(3)按铰接简化模型计算的网架静力计算结果与实际内力相差较大，铰接简化模型的网架杆件静力分布规律与铰接支座模型、橡胶支座模型的杆件静力分布规律截然不同。因此，在实际工程设计中，必须考虑下部结构的刚度对网架杆件受力的影响，不可简单地以铰支简化模型进行设计计算。

(4)3种模型计算出的杆件动内力分布规律大致近似，但动内力大小不同:铰接简化模型的计算结果与铰接支座模型、橡胶支座模型模型相比，动内力一般偏小。而水平地震力作用下，计算结果表明，铰接简化模型支承柱柱顶剪力同铰接支座模型的计算结果有很大的区别，其下部结构的反应计算结果偏小。

(5)在对设置橡胶支座的模型进行水平地震作用计算分析时，由于橡胶支座的设置，上部网架连同橡胶支座形成了类似于TMD的减震体系，改变了原结构的动力特性，起到了减震作用，且底部剪力分布更均匀，因此，设置橡胶支座对调整下部结构内力分布，减小结构在动力作用下的反应是切实可行的。

［1］董石麟，李元齐.三峡水电站左岸厂房上部网架结构整体分析［J］.空间结构，2000，6(4):3-10.

［2］周华天.相互网架的设计计算方法和算例分析.空间结构［J］.1998，4(3):43-52.

［3］严慧，董石麟.板式橡胶支座节点的设计与应用研究［J］.空间结构，1995(5):33-40.

［4］李宏男，等.结构振动与控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［5］周庆文.叠层橡胶支座隔震性能及设计［J］.工业建筑，2000，30(8):23-25.

［6］周福霖.工程结构减震控制［M］.北京:地震出版社，1997.