基于SAP2000的公交候车厅结构优化设计

陈洁

摘要：利用SAP2000软件将公交候车厅简化为三维模型，通过适当的节点处理、截面处理，选择适合的材料，施加当地的风荷载，雪荷载及实际情况下座椅上的人荷载来判定结构的稳定程度。最后根据人体使用舒适度，在结构安全可靠的基础上對结构进行优化。

关键字：模型建立；荷载工况；优化设计

1概述

公交候车厅作为公共服务设施，在我们生活中随处可见。我选取公交候车亭作为研究对象，分析其承受风雪荷载的能力，揭示拥有简单构造的公交站台能在风雨吹打下可以岿然不动的内在原因。然而，市面上大部分的公交候车厅忽视了结构给人们带来的舒适度，我对此展开了研究，提出了在保证候车亭可靠的同时又满足使用舒适度的优化设计。

2 基于SAP2000的公交候车厅结构优化设计

2.1SAP2000软件简单介绍

SAP2000是一个集成化的通用结构分析和设计软件，它具有友好的用户界面，它可以对不同体系类型的结构进行分析与设计，它是公认的结构领域最有效和最实用的软件。基于SAP2000简洁实用的功能，又考虑到我们选取的公交站台为较简单的三维框架结构，我们采用SAP2000进行有限元分析。公交车站台中的杆件均为直杆，且各杆之间通过刚节点连接，选用软件中的轴网工具进行建模。SAP2000特别适用于规整的三维模型建构。

2.2 常见公交候车厅结构组成

整个公交站台构造比较简单，由立杆、支撑杆、主梁、次梁、顶棚组成。顶棚主要起挡雨挡雪的作用，主要承受外荷载引起的弯矩。立杆和支撑杆主要承受压力，支撑上部横梁和顶棚。下部斜撑主要承受座椅上的人引起的弯矩。立杆、支撑杆、横梁是主要的受力杆件。

2.3力学模型的建立

经过现场实地测量，整个等车棚最顶端距地面为2408毫米，整个站台的高度为2408毫米，宽度为4800mm。5根立杆的间距均为1100毫米，两侧支撑杆与立杆的垂直距离为475毫米，主梁在立杆和撑杆的支撑下仰起10.5度，主梁相对于立杆所在平面向前

伸出1060毫米，向后伸出380毫米。立柱的截面尺寸有两种，分别为50*100和50*70。支撑杆的截面尺寸为50*50。次梁的截面尺寸为50*50。压条的截面尺寸为30*30。下部斜支撑的外直径为26.4mm。座椅板平面距地面为290毫米，座椅板厚为30mm。

公交站台简化为一个三维框架力学模型。立杆、支撑杆、次梁均为标准的方钢构件，材料为我们熟知的Q235。

本力学模型中共有4种框架截面和2种面截面。立杆有两种截面类型：Q235钢制成，截面尺寸为50*100和50*70的矩形截面，规格为3毫米厚。支撑杆和次梁的截面属性均为：Q235钢制成，截面尺寸为50*50的矩形截面。主梁为一变截面的构件，我们将其等效为等截面构件。截面为由Q235钢制成，截面尺寸为100*200的矩形截面。

2.4荷载工况

公交车站台结构需要承受的荷载有以下几种：座椅上人的重量，风荷载和雪荷载。椅子的总长为4800mm，正常情况下整个椅子板面的均布荷载为0.00168kN/mm2。公交站台处在较为开阔的马路旁，为保证乘客的安全，公交站台需要有良好的抗风能力。经查阅资料，南京地区的基本风压0.35kN/mm2。公交站台所在的南工大江浦校区房屋比较稀疏的郊区，根据《建筑结构荷载规范》，地面粗糙度应该选择为B类。积雪过多也会影响公交站台的稳定性，经查阅资料，南京地区的基本雪压为0.65kPa。

当施加乘客产生的0.00168kN/mm2的面均布荷载时，运用软件分析可得各杆件的内力均较小，说明人的荷载对公交站台的整体受力影响不大。

当施加基本雪压为0.65kPa的雪荷载时，运用软件得到的结构节点的自由度值（节点自由度值按从小到大排列，此处选取节点的自由度值较大的前8个节点）为：

现取最边上的主梁进行分析：主梁上两端的弯矩值较大，最前端的弯矩为570.84kN*mm。最后端的弯矩值为377.25kN*mm。主梁中的剪力均为0.976kN。在雪荷载作用下，最边上的两根主梁承受较大的弯矩和剪力，且最边上梁的节点的自由度值为364KN-s2/mm，，远远高于其他节点。在雪荷载作用下，主梁是主要受力构件。

根据南京地区的风情况，设置立柱平面为迎风面。当施加基本风压为0.35kPa的风荷载时，运用软件得到的结构的整体弯矩图和剪力图为：

在施加风荷载时，结构受影响最大的是立柱和支撑杆，立柱和支撑杆承受较大的弯矩和剪力。柱成为主要的受力杆件。弯矩最大值和剪力最大值均出现在立柱与地面连接的地方和立柱与主梁连接的地方。支撑杆上的受力与立杆的受力相差无几。

由软件计算的各节点自由值如表2。这里只选出自由度值较大的几个。

自由度值较大的点为顶棚的四个角点和座椅板的四个角点。因此在实际模型中对这几个节点均做了加固处理，以保证节点的坚固性和整体的稳定性。

2.5力学模型优化设想

经过现场实地勘察和体验，座椅设置为290mm高不尽合理。经查阅资料，椅子的合理高度为450mm。若设置得过低，没有足够的下部空间，腿部蜷缩给人带来不舒适感。，设置椅子的高度为450mm，利用软件计算可座椅板面高度的变化对结构各杆件的受力并没有较大的影响。当调整椅子高度时，考虑在风荷载作用下结构内力的影响。

原结构立柱上的剪力最大值为5.72E-04kN，弯矩最大值为0.17kN*mm。

3结论

雪荷载作用下的在主梁中引起的剪力和弯矩远远大于风荷载作用下在立杆和支撑杆中引起的剪力和弯矩。因此，抵抗雪荷载成为保证公交站台稳定的首要考虑因素。在南京以外的其他区域考虑公交站台稳定性时，可以从两方面采取措施：（1）.从主梁本身，当主梁本身具有强大的刚度时，可以高效率地保证主梁具有优良的抗弯性能。（2）.从周围杆件入手，立柱和支撑杆为主梁稳定性提供支撑，可充分利用它们的支撑作用，做好梁与柱的节点连接，保证节点的牢固性，从而保证整体结构具有良好的抗弯性能和整体稳定性。

座椅由290mm提高到450mm，不仅提升了舒适度，也同时满足了稳定性要求。与原结构相比较，各节点的自由度值变化不大。剪力值和弯矩值虽有所增加，但增加幅度不大，在安全的范围内。因此对于提高座椅高度，在保证结构安全稳定性的前提下，提高公交站台的实用性，结构得到了优化。

座椅高度的调整的优势：（1）可操作性强。对于施工人员而言操作简单，只需提高座椅摆放位置。同时，对于投入资金的政府来说，座椅高度的调整并不会增加资金投入。（2）安全性不受影响。对于公共服务设施，除了提供必要的方便外，其安全性是必须得到保障的，提高座椅高度后，受风荷载、雪荷载时剪力值、弯矩值变化幅度很小，自由度几乎没有变化，稳定性和安全性都得到了保障。（3）舒适度提高。依据我国平均身高和人体工程学原理，座椅设置高度在450mm左右更为适合。