楊超望

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

站臺雨棚作為鐵路旅客車站設施的重要組成部分，不僅要滿足為旅客遮風擋雨的基本服務功能，而且其造型應與站房的風格相協(xié)調[1-3]。雨棚常用的設計方案有網(wǎng)格結構、鋼管桁架結構、張弦梁結構、懸索結構、斜拉結構和鋼筋混凝土結構[4]。鋼結構風雨棚常見的破壞有風雨棚伸縮過程導致的變形，使蓋板上的鉚釘與自攻螺絲造成脫落變形，蓋板極易松動，甚至有可能脫落。另外，由于外界溫度、風力、振動等多方面的影響，檐口板極易產(chǎn)生振動，長此以往，就會使得其他固定結構也隨之松動，導致檐口板最終發(fā)生脫落現(xiàn)象。還會由于人工操作存在的差異性，導致有些相鄰屋面板之間無法達到牢固的鎖邊情況，從而導致面板容易掀起[5]。

目前，雨棚結構形式又衍生出京張高鐵的清水混凝土站臺雨棚以及板殼結構雨棚。其中板殼結構雨棚由殼板、邊梁及橫隔三部分組成，在橫向以拱的形式承荷和傳力，在曲面內(nèi)產(chǎn)生橫向壓力，在縱向以縱梁的形式把荷載傳給橫隔。因此，殼板是橫向拱與縱向梁共同作用的空間受力結構[6-7]。但是混凝土板殼結構的幾何非線性和材料非線性都比較明顯，簡化計算及彈性分析已不能真實地模擬結構的受力狀態(tài)，因此，運用細化彈性有限元分析掌握結構傳力形式、變形形態(tài)，獲取設計所需要的結構內(nèi)力、材料應力參數(shù)，用分層殼單元進行非線性分析進一步揭示了結構的塑性性能。HABIB等[8]開發(fā)了基于有限元的三維殼體結構形狀優(yōu)化程序，實現(xiàn)了殼體結構的形狀優(yōu)化。TRFF等[9]為超大規(guī)模、基于殼單元的拓撲優(yōu)化提供了一個高性能計算框架。金吉等[10]運用仿生生長法，基于自然界分支系統(tǒng)的生長機制，被作為一種新的結構拓撲設計優(yōu)化方法。等[11]提出了一種分析薄殼結構的新的數(shù)值模型。CHONG等[12]提出鋼筋混凝土平板的沖切抗力是一個典型的以高度理想化方式進行設計的領域。基于能量原理，王金朝[13]采用改進的傅里葉級數(shù)法建立了一般邊界條件下板殼及其組合結構的動力學模型，得到問題的半解析解。針對鋼筋布置，董小虎等[14]通過引入等效靜態(tài)載荷法，運用基于自然界分支系統(tǒng)形態(tài)形成機理的自適應成長法解決板殼加筋結構動態(tài)響應拓撲優(yōu)化設計問題。王慶等[15]采用攝動隨機有限元法研究了具有隨機參數(shù)的板殼結構大撓度動力響應問題。結果表明，新的仿生生長方法能夠有效、靈活地處理板殼結構的加強筋布局優(yōu)化設計，實現(xiàn)多種設計目標，為結構拓撲設計優(yōu)化提供了一種新的解決途徑。

鑒于目前板殼結構雨棚的實際工程案例研究很少，無法對板殼結構雨棚的設計及應用提供有利支撐。因此，本文通過對安康西站站臺混凝土板殼結構風雨棚進行抗震力學性能研究，為工程設計提供參考及優(yōu)化建議。

1 工程概況

鐵路安康西站地處秦巴地區(qū)，位于安康市高新區(qū)西側、傅家河西岸，安康西站是中國西部地區(qū)重要鐵路樞紐——安康市的主要客運站之一，安康西站站臺雨棚效果見圖1。車站雨棚全長為450 m，投影面積8 210 m2。采用雙柱雨棚結構形式，安全等級為一級，結構重要系數(shù)為1.1，雨棚結構設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，場地類別為Ⅱ類。設計地震分組為第一組，特征周期值為0.35 s。梁、板、柱均采用C35混凝土，抗震等級及構造措施為三級。普通鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HRB300級?；炷亮?、柱保護層厚度均為35 mm，混凝土板保護層厚度為25 mm。

圖1 安康西站站臺雨棚效果圖

2 雨棚有限元模型建立

2.1 計算模型

以新建鐵路西安至安康線安康西站站臺風雨棚為原型建立有限元模型，選取一個結構單元作為研究對象。通過建立有限元模型，輸入選定的地震波時程曲線，通過對結構的運動微分方程迭代求解，求得結構的動力響應，可以計算得到地震整個過程中結構各時刻的地震響應。

2.1.1 模型尺寸

(1)雨棚柱

雨棚柱網(wǎng)尺寸為12 m×5.4 m，柱截面尺寸為600 mm×600 mm，雨棚柱高度為6 m，為方便下文分析敘述，將柱編號為KZ1～KZ12，具體的柱編號見圖2。

圖2 結構單元框架柱編號(單位：mm)

(2)雨棚梁

按照形狀分為水平梁與弧形梁。

①垂直股道方向梁：水平梁，截面尺寸為300 mm×600 mm，梁長5.4 m。

②順股道方向梁：弧形梁，截面尺寸為350 mm×900 mm，梁長12 m，弧度與建筑造型保持一致。

③懸挑梁：變截面梁，截面尺寸為300 mm×900 mm/500 mm，梁長3.3 m。

④封邊梁：弧形梁，截面尺寸為250 mm×700 mm，梁長5.4 m。

(3)屋面板

風雨棚屋面板板厚為120 mm，兩柱之間的屋面板上表面與垂直股道方向梁的上表面平齊；兩柱之外的屋面板下表面與懸挑梁的下表面平齊，板與梁的位置關系見圖3。

圖3 雨棚結構剖面及大樣(單位：mm)

2.1.2 材料屬性及模型建立[16]

分別建立混凝土部分和各構件中鋼筋的模型，將各構件模型裝配成整體風雨棚結構框架；縱筋和箍筋組合成鋼筋籠；內(nèi)嵌入混凝土中，用以模擬鋼筋和混凝土在持荷時的共同作用。

混凝土采用八節(jié)點六面體實體單元，材料屬性采用有限元軟件內(nèi)提供的塑性損傷模型，其單軸本構模型采用GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[17]中的本構模型，模型參數(shù)見表1。

鋼筋選用兩節(jié)點三維桁架單元，本構模型使用雙折線理想彈塑性模型，不考慮強度退化。雙折線第一段是彈性階段，斜率為鋼筋彈性模量；第二段是強化階段，斜率取鋼筋彈性模量的1/100，鋼筋的屈服強度、極限強度按《混凝土結構設計規(guī)范》取值，泊松比取0.3。

板殼雨棚結構模型采用模態(tài)疊加法進行模擬計算；同時建立雙柱單榀雨棚模型，對單跨結構進行動力隱式計算。如圖4所示，建立整個結構單元與單榀雨棚的混凝土與鋼筋模型。

表1 混凝土損傷塑性模型參數(shù)標定

圖4 有限元分析模型

2.2 地震波選取

按照GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)要求[18]，選用1組人工波(AR波)和2組天然波(EL-Centro波、Taft波)三種地震波加速度時程曲線，地震波作用方向為X向、Y向，主次方向地震波峰值比為1∶0.85，持續(xù)時間為50 s，如圖5所示。

圖5 地震波時程曲線(峰值加速度為220 cm/s2)

本文所選用地震波主要作用集中在0～25 s區(qū)間段，故在對單跨結構進行動力隱式求解時，分析步時間設置為25 s。

3 雨棚地震響應分析

3.1 自振特性分析

在對建筑結構進行動力分析前，需對建筑結構進行模態(tài)分析[19]。

本文計算分析了結構前10階特征值。圖6為計算得出的前4階振型，第1階為繞無懸挑端的邊柱扭轉，第2階振型為繞帶懸挑端的邊柱扭轉，第3階振型為X向平動，第4階振型為繞雨棚結構中心軸的對折扭轉。

圖6 整體結構模型前4階振型

列出前10階自振頻率，如表2所示。

表2 結構的自振特性

3.2 雨棚結構位移響應

為進一步掌握雨棚結構在多遇地震作用下的地震響應及抗震性能，選用模態(tài)疊加法開展了峰值加速度為35 cm/s2的AR人工波、EL-Centro波、Taft波作用下風雨棚結構的動力時程分析，雙向輸入。

研究重點為雨棚結構的抗側力構件-鋼筋混凝土柱，編號為KZ1～KZ12(圖2)，圖7為峰值加速度為35 cm/s2的不同地震波輸入下12根鋼筋混凝土柱柱頂X向、Y向位移峰值曲線(位移峰值均為絕對值)。圖8為峰值加速度為35 cm/s2的AR波作用下KZ2柱頂X向、Y向位移時程曲線。

圖7 不同地震波輸入下柱頂位移峰值曲線(峰值加速度為35 cm/s2)

圖8 AR波作用下KZ2柱頂位移時程曲線(峰值加速度為35 cm/s2)

由圖7、圖8可以看出，X向和Y向柱頂位移峰值中的最大值分別為KZ4的1.77 mm和KZ2的4.26 mm，最大彈性層間位移角為1/1 294，符合規(guī)范規(guī)定，同時從圖中可以發(fā)現(xiàn)，雨棚Y向各柱的位移峰值遠大于X向。X向的各柱位移峰值趨勢為：由伸縮縫處向另一側方向總體上呈減小的趨勢；Y向則總體上呈現(xiàn)出邊柱較大，中柱較小的趨勢。其中，靠近伸縮縫側的柱頂位移峰值明顯大于其他位置的鋼筋混凝土柱。由此可知，雨棚結構在地震工況作用下，邊柱為抗震薄弱環(huán)節(jié)，在帶有懸挑部分一側的邊柱對于地震響應更加劇烈，設計時應對帶有懸挑部分一側的邊柱應進行加強構造措施。

3.3 雨棚結構加速度響應

結構加速度放大系數(shù)是指地震作用下結構加速度響應最大值與地震輸入峰值的比值，是評判結構抗震能力的關鍵指標之一[20]。表3列出了12根框架柱在峰值加速度為220 cm/s2的AR波作用下的柱頂加速度放大系數(shù)。由表3可知，X向加速度放大系數(shù)變化較為平緩；Y向最大加速度放大系數(shù)達到了6.16，最小為2.93；Y向加速度放大系數(shù)大于X向加速度放大系數(shù)，且Y向加速度放大系數(shù)在伸縮縫(懸挑部分)處較大，另一側的放大系數(shù)較小，且差值較顯著，說明伸縮縫一側的懸挑部分由于慣性，和主體結構的運動并不同步，與結構的運動產(chǎn)生相位差，相當于對主體結構施加了另一個振動源，而且由于懸挑部分的運動相位差產(chǎn)生的振動波隨傳播距離(雨棚位置)遞減，因此，Y向柱頂加速度放大系數(shù)隨雨棚位置發(fā)生遞減變化，其根本原因是懸挑部分給結構的附加振動波隨雨棚位置發(fā)生遞減變化，改變了框架結構在地震作用中的動力反應。

表3 風雨棚柱頂加速度放大系數(shù)

3.4 雨棚結構應力響應

對雨棚全模型采用模態(tài)疊加法進行分析計算，基于結構自然模態(tài)，計算結構在峰值加速度為220 cm/s2罕遇地震作用下的線性響應。從圖9可以看出，在罕遇地震作用下，邊柱柱腳處，特別是懸挑一側(伸縮縫處)應力較大，是結構的薄弱點，需要采取構造措施對設計進行補強；對于結構的同一排框架柱，結構應力較大處出現(xiàn)在柱腳和梁柱節(jié)點處，且柱腳應力略大于節(jié)點應力，設計時應驗算結構鋼筋混凝土柱腳和節(jié)點的抗震性能，保證結構的安全性。

圖9 地震波作用下最大應力云圖(單位：MPa)

由圖9還可以看出，在罕遇地震作用下，雨棚結構框架梁、框架柱沒有發(fā)生塑性變形，均處于彈性階段內(nèi)，結構的抗震性能滿足了“大震不倒”的設防目標。

3.5 雨棚結構損傷

提取單榀框架，選取峰值加速度為220 cm/s2的AR人工波作用下風雨棚結構的彈塑性分析。如圖10所示，除混凝土柱端部和節(jié)點處少數(shù)部分發(fā)生輕度受壓損壞外，整體結構完好，受壓損傷因子均小于0.1；柱內(nèi)的混凝土塑性應變小于0.005，鋼筋塑性應變小于0.01，屬于輕度損傷。發(fā)生受壓損傷的柱端損傷范圍較小，且其所占柱端截面比例較小，對結構抗震性能影響較小?？偟脕碚f，大部分雨棚結構在大震作用下未進入塑性，且風雨棚結構具有足夠的抗震承載力，滿足所設定的抗震性能目標[21]。

圖10 AR地震波作用下混凝土受壓損傷云圖

3.6 板殼結構雨棚受力特征分析

為探索板殼結構雨棚的受力特征，在上述有限元模型的基礎上，以板殼結構跨度/波長為變量，建立有限元模型，對其施加Taft地震波。其中，原模型跨度/波長為0.45，新建有限元模型跨度/波長為2和4，將上述模型分別命名為YP-0.45，YP-2和YP-4。具體計算結果見圖11、圖12。

圖11 結構中部彎矩最大值

圖12 結構中部橫向內(nèi)力最大值

通過計算分析得到板殼結構雨棚的受力特征如下：跨度/波長≥3時，由于跨度較大，結構中的彎矩較大，縱向梁的傳力作用顯著，相較之下，橫向的拱作用明顯變小，其受力特點與梁類似；當跨度/波長≤12時，由于跨度較小，橫向的拱作用明顯，而縱向梁的傳力作用很小，因此受力特點與拱類似，而且殼體內(nèi)力主要是曲面應力；當12<跨度/波長<3時，殼體既存在曲面應力，又存在彎曲應力，拱和梁的作用都比較明顯。

4 結論

本文對板殼結構形式站臺雨棚的抗震性能進行分析，得出以下主要結論。

(1)地震作用下，雨棚結構的薄弱部位為兩側邊柱柱腳和梁柱節(jié)點處。設計時應重點驗算且采取相應的構造措施，保證結構安全。

(2)由于懸挑部分的慣性與整體結構的運動并不同步，產(chǎn)生相位差，導致結構的懸挑部分在地震作用下對雨棚整體結構產(chǎn)生附加振動，影響抗側力構件的動力響應。

(3)多遇地震作用下，雨棚結構側向位移滿足規(guī)范要求；罕遇地震作用下，結構發(fā)生嚴重損傷范圍較小，且鋼筋均處于彈性范圍內(nèi)，具有足夠的抗震承載力，滿足預期的抗震設防目標。

(4)當板殼結構雨棚跨度/波長≥3時，其受力特點與梁類似；當跨度/波長≤12時，其受力特點與拱類似；當12<跨度/波長<3時，拱和梁的作用都比較明顯。