某高铁站房大跨度管桁架屋盖结构抗震性能研究

某高铁站房大跨度管桁架屋盖结构抗震
性能研究
摘要:以某高铁站房大跨空间管桁架结构为研究对象，通过Midas软件对大跨度管桁架组合结构进行分析，对比结构在不同组合地震荷载作用下的竖向位移与位移差的分布，得到了其动力特性及振动规律。

结果表明：（1）结构的自振周期较为密集，频谱分布变化均匀，振型特点符合结构动力学基本原理；（2）结构站房区左右两侧区域平面内的刚度较大，两端悬挑侧位置受地震影响较大，在三向地震作用下最大竖向位移为8.14mm；（3）站房区与落客平台区连接处的位移差变化最大，在设计时需考虑对该部位进行适当加强。

关键词:大跨管桁架结构；模态分析；反应谱分析；抗震性能；Midas
0 引言
随着国民经济的发展，大跨度空间结构获得了广泛应用，然而此类结构由于跨度大，结构受力复杂，受地震灾害影响严重，由于人员密集，一旦发生地震灾害，往往会涉及到成千上万人的生命财产安全。

地震作为一种突发性自然灾害，运动过程复杂，破坏大，全球每年因地震灾害造成的生命财产损失不计其数，引发了国内外学者的广泛关注[1-3]。

因此对此类结构抗震性能的研究尤为重要。

本文通过对结构进行地震作用下的性能分析，总结有关抗震资料和分析方法，为将来空间管桁架结构的抗震设计概念、标准、措施等工作提供参考。

1工程概况
站房主体结构东西长244m，南北宽56m，建筑面积50680㎡，建筑高度24.40m。

屋面结构分别在6轴、17轴和A轴处设置有伸缩缝兼抗震缝；A轴将结
构沿横向分为站房区和落客平台区两个结构单元，6轴、17轴将结构沿纵向分为三个区段，左区和右区主体结构最大跨度为24m；中区主体结构屋面最大跨度
56m。

图1结构平面布置/mm
Fig. 1 Structural layout /mm
钢结构主要包括站前V型柱及V柱间横梁、屋盖大跨桁架，站前V型柱及V 柱间横梁采用四边形管桁架，管桁架截面主要为∅180×10~ ∅700×30；型钢柱主要采用圆钢管柱，圆钢管柱截面主要为∅600×25~ ∅1300×36；屋盖大跨桁架采用空间倒三角桁架，桁架截面主要为∅140×6~ ∅500×25，所有材质均为Q345B。

2模态分析
空间结构固有频率和振型直接影响结构在地震作用下的动力响应，通过模态分析[4-5]，对结构进行直接动态性能评估。

采用 Midas gen[6]建立南阳南钢结构计算模型，根据《建筑抗震设计规范》[7]，该结构抗震设防烈度7度( 0. 1g)，场地类别为II类，设防地震分组为第一组，特征周期为0. 35s，多遇地震下的地震影响系数最大值为0. 08。

按照 JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》[8]的规定，模型阻尼比取 0. 03。

对结构进行抗震分析，选取前40阶振型及频率。

图2前40阶振型频率分布图
Fig. 2 Frequency distribution of the first40 modes
由上图，结构自振频率的频域分布较宽，频谱分布变化比较均匀，跳跃现象
不显著，自振频率分布整体比较密集，振型较复杂。

3反应谱分析
反应谱法[9]主要有 SRSS 法和 CQC 法两种，前者通常对振型间的耦合作用不
会进行考虑，后者主要是参考随机振动理论来进行分析。

由模态分析可知，本文
选取的大跨空间结构，其自振频率密集，且振型间存在相互耦合作用，故本文反
应谱法采用 CQC 法以便得到更加准确的结果。

3.1反应谱曲线
按《抗震规范》第 5.1.4条，根据结构抗震设防烈度、设计基本地震加速度、设计地震分组、场地类别、地震影响系数最大值等因素确定反应谱曲线。

3.2地震作用下结构位移响应分析
对该整体结构进行反应谱分析。

对不同三种地震作用组合进行对比分析，得
到类似大跨空间结构在抗震设计中存在的问题，从而得到有效参考结论。

本结构
屋盖空间桁架单元主桁架有21榀，沿 X 方向按照顺序依次编号为 A1~A21。

图3结构主桁架布置
Fig. 3 Layout of main truss of structure
结构沿Y轴对称分布，故选取主体结构A1~A11共11榀主桁架为研究对象，
分析桁架单元上、下弦杆的节点位移响应，其中上弦平面取均值进行分析。

3.2.1桁架结构在地震作用下的节点竖向位移
屋盖在水平方向地震作用下，竖向位移最大发生在主桁架A1的悬挑端，最
大值为3.956mm，中区主体结构竖向动位移较小，最大仅为0.392mm，V型柱柱间
横梁处最大竖向位移为 1.623mm，结构站房区左右两侧由于支撑柱分布较为密集，在水平地震作用下，竖向位移分布较为均匀。

屋盖在竖向地震作用下，竖向动位移最大发生在中区主体结构主桁架A11中
7号节点处，最大值为3.691mm，中区主体结构中心竖向动位移较大，V型柱柱间
横梁跨中位置竖向位移为3.609mm，两侧悬挑端末端竖向位移为3.646mm，结构
站房区左右两侧竖向变形与水平向地震作用结果相对一致，变形较小。

结构在三向地震作用下，屋盖两侧边缘悬挑处的竖向位移最大，最大竖向位
移为7.602mm，结构中区主体结构跨中位置竖向位移主要受竖向地震作用的影响，中区主体结构主桁架A11中7号节点竖向位移为3.752mm。

V型柱柱间横梁跨中
位置竖向位移为4.045mm。

结构两侧两侧边缘悬挑端受水平及竖向地震影响较大，在三向地震作用时产
生的竖向位移最大，结构中区主体结构与V型柱柱间横梁主要受竖向地震作用的
影响，结构站房区左右两侧区域由于支座分布密集，平面内刚度与平面外刚度较大，受地震作用影响总体较小。

（a）水平地震作用下弦节点竖向位移（b）竖向地震作用下弦节点竖向位
移
（c ）三向地震作用下弦节点竖向位移 （d ）水平地震作用上弦节点竖向位
移
（e ）竖向地震作用上弦节点竖向位移 （f ）三向地震作用上弦节点竖向位
移
图4 不同地震组合作用主桁架上、下弦节点竖向位移分布
Fig. 4 Vertical displacement of main truss joints under earthquake
action
3.2.2桁架结构在地震作用下节点位移差
由图8（a ）可得，在水平地震作用时，主桁架上下弦节点位移差整体较小， A1主桁架15号节点最大值为0.115mm ，站房区左右两侧A1~A4主桁架节点位移差总体较中区偏大，A3、A6、A7三榀主桁架受V 型柱影响在落客平台端段节点位移差较大。

（a）水平地震作用上下弦节点位移差图
（b）竖直地震作用上下弦节点位移差
（c）三向地震作用上下弦节点位移差
图5不同地震作用主桁架上、下弦节点位移差
Fig. 5 Vertical displacement difference of main truss joints under
earthquake action
由图8（b）可知，在竖向地震作用下，结构左右两侧区域相对中区上下弦节
点位移差较小，中区由于跨度大，支座分布较少，受竖向地震作用影响较大。

站
房区与落客平台区连接处受支座影响，上下弦节点位移差分布变化较大，最大值
为0.148mm，发生在A10主桁架15号节点处。

由图8（c）可得，在三向地震作用下，结构A1主桁架15号节点位移差最大0.23mm。

站房左右两侧主桁架节点位移差与水平向地震作用分布相同，表明该区
域受水平向地震作用影响较大，站房中区大跨部分受水平地震与竖向地震作用的
影响均比较大，但总体位移差均小于0.1mm。

4结论
通过Midas软件对该大跨屋盖管桁架结构进行抗震模态分析与反应谱分析，
得到整体结构的竖向变形与节点位移差在地震作用下的响应规律，分析地震作用
对结构的关键部位的影响，寻找到结构在地震作用下的薄弱位置。

1、该大跨度屋盖结构的自振周期较为密集，振型复杂，频谱分布变化均匀，跳跃现象不明显，其振型特点符合结构动力学的基本原理。

2、对比结构在三种不同地震组合作用下的节点竖向位移分布，站房区由于
跨度较大，平面内支撑较少，故在竖向地震作用下最大竖向位移为3.69mm。

落客
平台区通过V型柱支撑，两侧位置受地震影响较大，在三向地震作用下最大竖向
位移为8.14mm。

但均满足规范[10]要求。

3通过分析结构主桁架上下弦节点在三种不同地震作用下的竖向位移差峰值，结构最薄弱位置为A1主桁架15号节点处，位移差最大为0.231mm。

主要原因，
悬挑侧竖向位移较大；受支座影响，下弦位移较小，上弦受主体结构变形影响，
产生较大位移，故在设计时需考虑对该部位进行适当加强。

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