文/易春燕、趙康祺

1 前言

軌道交通發(fā)展迅猛，市區(qū)交通壓力越來越大，截至2020年12月31日，中國內(nèi)地累計(jì)有45 個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營線路共7978.19km。城際軌道與城市地鐵不同，由于市區(qū)擁擠，城市地鐵多采用地下鐵路。城際軌道是專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群，旅客列車設(shè)計(jì)速度200km/h 及其以下的快速、便捷、高密度客運(yùn)專線鐵路，大多位于城郊。另外，高架區(qū)間和高架車站也越來越多，由于高架車站大跨度造型需求，鋼結(jié)構(gòu)雨棚的應(yīng)用也越來越廣泛。本文在鋼結(jié)構(gòu)雨棚設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，探討了利用Midas Gen 對高架車站鋼結(jié)構(gòu)雨棚的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

2 工程概況

長株潭城際軌道交通西環(huán)線一期工程為EPC 總承包項(xiàng)目，線路全長17.29km，南起湘潭北站，北止于長沙市軌道交通3 號(hào)線終點(diǎn)站山塘站（不含），高架段長9.7km，主要沿潭州大道敷設(shè)，共8 站8 區(qū)間，白泉站為第4 個(gè)車站，位于長沙市岳麓區(qū)雙湖小學(xué)以西、潭州大道路中；白泉站為側(cè)式高架車站，車站上部鋼結(jié)構(gòu)雨棚為弧形剛架結(jié)構(gòu)形式的輕型屋面系統(tǒng)，雨棚結(jié)構(gòu)全長140m，高度為7.749m，單跨跨度為21.83m，柱腳鉸接在站臺(tái)板下層，雨棚鋼結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)圖紙用鋼量為288.7t。

3 Midas Gen 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理分析

Midas Gen 的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于以結(jié)構(gòu)用鋼量為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化功能原理，在強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)前提下，以側(cè)向位移為約束條件的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

4 有限元建模

白泉站主體雨棚鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式為框架，本結(jié)構(gòu)有限元分析的幾何建模是通過Midas Gen 建立的，按照現(xiàn)有設(shè)計(jì)圖紙對鋼框架結(jié)構(gòu)整體分析，鋼構(gòu)件驗(yàn)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)。模型如下：

圖1 白泉站鋼結(jié)構(gòu)雨棚模型

5 施加荷載

5.1 恒載

結(jié)構(gòu)自重：由軟件自動(dòng)計(jì)算得出；金屬屋面恒荷載（含吊掛）：0.8KN/m2；玻璃天窗恒荷載：1KN/m2。

5.2 活載

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

5.3 風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓W0=0.4KN/m2（100年一遇）；地面粗糙度：B 類；建筑高度大于20m，風(fēng)壓高度變化系數(shù)：μz：1.23；風(fēng)振系數(shù)：βz。

6 鋼構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對圖紙中的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行鋼構(gòu)件截面驗(yàn)算可知，本次設(shè)計(jì)中用鋼量為288.7t，優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)雨棚用鋼量為227t，通過Midas Gen 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化功能，鋼結(jié)構(gòu)雨棚優(yōu)化了61.7t。鋼結(jié)構(gòu)雨棚鋼構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)前后結(jié)果對比如下表所示：

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通過鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算比柱狀圖（圖2）可知，優(yōu)化前鋼構(gòu)件受力極不均勻充分，平均僅達(dá)到30%左右。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算比柱狀圖（圖3）可知，優(yōu)化后所有鋼構(gòu)件基本可達(dá)到55%左右，一定程度上提高了鋼結(jié)構(gòu)雨棚鋼構(gòu)件的使用效率[3]。

圖2 優(yōu)化前鋼結(jié)構(gòu)雨棚驗(yàn)算比

圖3 優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)雨棚驗(yàn)算比

優(yōu)化完成后用鋼量為227t，較現(xiàn)有設(shè)計(jì)圖紙上減少61.7t，鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算比柱狀圖（圖3）可知，優(yōu)化后不同的構(gòu)件應(yīng)力比分別從25% 到90%，30% 到70%，55%到65%，節(jié)約了鋼材用量，提高了鋼材使用效率。

7 結(jié)語

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)管理等許多實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到諸如在一定條件下怎樣使產(chǎn)量最高、用料最省、效益最大、成本最低等一系列“最優(yōu)化問題”，即函數(shù)的最大值或最小值的問題，Midas Gen 的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化自動(dòng)化計(jì)算就屬于這類問題，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量即為該目標(biāo)函數(shù)的最值，鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)即求解最小用鋼量的過程。

本次通過利用Midas Gen 進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，白泉站鋼結(jié)構(gòu)雨棚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可節(jié)約鋼材61.5t、21.3%，在滿足功能、受力等要求的前提下，減少了鋼材用量，節(jié)約了成本。