某铁路站台大跨度封闭结构稳定性分析

高衡山

（中铁三局集团有限公司勘测设计分公司，山西 太原 030001）

引言

随着我国经济建设和煤炭工业的快速发展，以及国务院关于推进运输结构调整（简称“公转铁”），铁路货运站台储存煤也越来越多。露天堆放的储煤场,厂区的煤堆表面遭受太阳光的照射、加上水分受热蒸发，在有风的天气作用下会产生扬尘，在风速较大时，煤尘漫天弥散，再加上时间长，对环境造成一定的污染。为防止站台存煤的风力损失和装卸及运输过程中扬尘对环境的污染，对煤场封闭的要求迫在眉睫[1-2]。

1 工程概况

本工程为某铁路站台封闭项目，站台封闭的结构形式应根据跨度大小、现场场地及结构受力等因素选择合适的结构形式，保证结构安全，同时经济适用。经多方比对，本工程结构体系采用双层三心圆抽空网壳结构，结构跨度100 m，总长895 m，分为五个区域，总高度约33 m，本次分析取中间部分，长度162 m。建筑设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级。

站台封闭涉及的荷载主要有恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载及温度荷载：

1）恒荷载：由于铁路站台封闭面积较大，且没有采暖要求，一般围护材料为单层镀铝锌压型钢板，厚度0.5~0.6 mm，考虑到支撑彩板的檩条荷载，上弦恒荷载取值为0.30 kN/m2；下弦恒荷载主要考虑管道、吊挂照明等，荷载取值为0.10 kN/m2；

2）活荷载：根据我国规范《建筑结构荷载规范》其中的5.3.1条，不上人的屋面均布活荷载为0.5 kN/m2；

3）风荷载：50年一遇的基本风压为0.45 kN/m2。地面粗糙度为B类；

4）雪荷载：100年一遇的基本雪压为0.30 kN/m2；

5）地震荷载：地震烈度为8度，第二组，Ⅲ类场地，特征周期0.55 s；

6）温度荷载：设计要求合拢温度5~15℃，当地最高月平均气温34℃，最低月平均气温-13℃，设计最大温升温降分别为30℃、-30℃。

网壳设计采用满应力进行设计，设计要求应力比不高于0.85，且挠度不大于1/250跨度。本工程采用浙江大学MSTCAD网架专业设计软件进行结构的内力分析及杆件设计，为保证安全，采用国际通用有限元结构分析软件MIDAS进行稳定性分析[3-4]。

2 模型建立

网壳结构的杆件通常采用圆管，管材可选用高频焊管或无缝钢管，结构构件主要承担拉力或压力，一般不能承担弯矩，因此杆件采用桁架单元模拟，屋面荷载和下挂荷载等必须作用在结构节点处。

网格的平面尺寸及网格厚度与结构跨度大小、荷载条件、柱网尺寸、支承情况、网格形式及建筑功能等因素确定。选择网格尺寸与厚度的原则为：同等条件下用钢量指标最优、杆件内力宜均匀连续。理论上讲，平面网格尺寸越大，杆件数量越少，相应的节点球数量也越少，结构的用钢量越低。但当网格平面尺寸过大时，压杆的稳定性较难控制，网格的平面尺寸宜控制在6m以内。本次分析，网格尺寸为4.5m×4.5m，网壳厚度为3.0 m，为降低用钢量，每隔四个网格抽取二个网格，整体性略弱，但用钢量降低幅度较大。模型图见图2。

3 动力特性分析

动力特性分析是用来确定结构的自振频率和振型，同时也是振型分解反应谱法和时程分析法的基础。了解结构本身的振型特性能为研究该类结构动力性能提供很大的帮助，同时也为求解结构动力反应而采用振型分解反应谱法及时程分析法等奠定基础，因而对结构进行动力特性分析极其重要。本结构前三个阵型见图3~图5。

从结构阵型图可以看出，前几阶未发现局部阵型，结构整体性好，结构刚度大，第一阵型表现为跨度方向平动，符合实际情况。

4 稳定性计算

根据《空间网格结构技术规程》（JGJ 7—2010）第4.3.1~4.3.5条，规范规定单层网壳和网壳断面厚度小于跨度1/50的双层网壳，按规范要求应进行稳定性计算。单层网壳必须进行稳定性计算，双层网壳稳定性较高，通过调整厚度不小于跨度的1/50，一般无需计算即可满足规范要求。本工程跨度较大，且采用抽空网壳结构，按规范要求，应进行稳定性分析。

4.1 特征值屈曲分析

根据上述理论，在恒+活标准组合下，结构的弹性屈曲分析结果见图6，特征值K值为21.8。说明结构刚度大，稳定性好，结构理想承载力高，见图7。

4.2 考虑几何非线性的稳定分析

根据《网格规程》，在采用软件进行网壳全过程分析的过程中，应充分考虑实际安装偏差的初始曲面形状的影响；根据规范规定，对于网壳结构可采用结构的第一阶屈曲模态作为结构的初始缺陷分布模态，其最大值可三百分之一的网壳跨度取值。以第一节特征值屈曲分析的第一阶模态向量施加结构缺陷，第一阶模态最大向量节点为2 286，则该节点施加最大缺陷值100 000/300=333 mm，其他节点按第一阶模态向量值的比值大小施加相应缺陷。

本次分析施加的荷载为标准组合，取值为1.0恒+1.0活，根据软件计算表明临界荷载系数为21.5，根据《网格规程》4.3.4条网壳稳定性容许承载力为4.2，本工程临界荷载值为21.5>4.2，满足规程对整体稳定的规定。通过本次分析说明，该结构体系刚度大、稳定性好，整体性好，对初始缺陷不敏感。

5 结论

1）结构选型：三心圆抽空网壳刚度大，受力合理，安全冗余度高，经济效益明显，适用于大型铁路站台封闭，可以大规模的推广应用。

2）对网壳分别进行线性屈曲分析和考虑几何非线性的荷载-位移全过程分析，因为后者考虑建筑结构实际存在的初始缺陷以及模型加载过程中的几何非线性效应，得到前者高于后者的安全系数。根据分析结果表明：结构考虑初始缺陷的几何非线性的全过程分析，临界荷载系数为21.5，满足网《网格规程》4.3.4条关于网壳稳定性容许承载力系数K大于4.2的规定，表明该结构体系整体刚度大，安全冗余度高，对初始缺陷不敏感。

3）本次分析结果，可以为类似项目提供参考和借鉴。

4）本次分析暂未考虑材料非线性，建议跨度超过120 m的网壳结构考虑几何加材料非线性的稳定性分析。