关于利用Midas Gen对高架车站钢结构雨棚优化设计的研究

文/易春燕、赵康祺

1 前言

轨道交通发展迅猛，市区交通压力越来越大，截至2020年12月31日，中国内地累计有45 个城市开通城市轨道交通，运营线路共7978.19km。城际轨道与城市地铁不同，由于市区拥挤，城市地铁多采用地下铁路。城际轨道是专门服务于相邻城市间或城市群，旅客列车设计速度200km/h 及其以下的快速、便捷、高密度客运专线铁路，大多位于城郊。另外，高架区间和高架车站也越来越多，由于高架车站大跨度造型需求，钢结构雨棚的应用也越来越广泛。本文在钢结构雨棚设计图纸的基础上，探讨了利用Midas Gen 对高架车站钢结构雨棚的优化设计[1]。

2 工程概况

长株潭城际轨道交通西环线一期工程为EPC 总承包项目，线路全长17.29km，南起湘潭北站，北止于长沙市轨道交通3 号线终点站山塘站（不含），高架段长9.7km，主要沿潭州大道敷设，共8 站8 区间，白泉站为第4 个车站，位于长沙市岳麓区双湖小学以西、潭州大道路中；白泉站为侧式高架车站，车站上部钢结构雨棚为弧形刚架结构形式的轻型屋面系统，雨棚结构全长140m，高度为7.749m，单跨跨度为21.83m，柱脚铰接在站台板下层，雨棚钢结构按照设计图纸用钢量为288.7t。

3 Midas Gen 钢结构优化设计原理分析

Midas Gen 的钢结构优化设计是基于以结构用钢量为目标函数的优化功能原理，在强度优化设计前提下，以侧向位移为约束条件的自动化设计。

4 有限元建模

白泉站主体雨棚钢结构结构型式为框架，本结构有限元分析的几何建模是通过Midas Gen 建立的，按照现有设计图纸对钢框架结构整体分析，钢构件验算及优化设计。模型如下：

图1 白泉站钢结构雨棚模型

5 施加荷载

5.1 恒载

结构自重：由软件自动计算得出；金属屋面恒荷载（含吊挂）：0.8KN/m2；玻璃天窗恒荷载：1KN/m2。

5.2 活载

不上人屋面：0.5KN/m2；基本雪压：0.7KN/m2（100年 一 遇）[2]。

5.3 风荷载

基本风压W0=0.4KN/m2（100年一遇）；地面粗糙度：B 类；建筑高度大于20m，风压高度变化系数：μz：1.23；风振系数：βz。

6 钢构件优化设计

通过对图纸中的设计情况进行钢构件截面验算可知，本次设计中用钢量为288.7t，优化后钢结构雨棚用钢量为227t，通过Midas Gen 钢结构设计优化功能，钢结构雨棚优化了61.7t。钢结构雨棚钢构件优化设计前后结果对比如下表所示：

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通过钢结构验算比柱状图（图2）可知，优化前钢构件受力极不均匀充分，平均仅达到30%左右。通过优化设计后钢结构验算比柱状图（图3）可知，优化后所有钢构件基本可达到55%左右，一定程度上提高了钢结构雨棚钢构件的使用效率[3]。

图2 优化前钢结构雨棚验算比

图3 优化后钢结构雨棚验算比

优化完成后用钢量为227t，较现有设计图纸上减少61.7t，钢结构验算比柱状图（图3）可知，优化后不同的构件应力比分别从25% 到90%，30% 到70%，55%到65%，节约了钢材用量，提高了钢材使用效率。

7 结语

在工农业生产、工程设计、经济管理等许多实践中，经常会遇到诸如在一定条件下怎样使产量最高、用料最省、效益最大、成本最低等一系列“最优化问题”，即函数的最大值或最小值的问题，Midas Gen 的钢结构设计优化自动化计算就属于这类问题，钢结构用钢量即为该目标函数的最值，钢结构优化设计即求解最小用钢量的过程。

本次通过利用Midas Gen 进行钢结构设计优化，白泉站钢结构雨棚进行优化设计后，可节约钢材61.5t、21.3%，在满足功能、受力等要求的前提下，减少了钢材用量，节约了成本。