高鐵站房鋼結構施工及抗震性能分析

摘 要：高鐵站房是高速鐵路系統的重要配套設施，其安全性關系到整個高速鐵路的運營和穩定。針對高鐵站房的棚頂施工問題，本文提出了基于大跨度鋼結構的桁架施工方法，并采用虛功分析法、增量分析法和自振分析法對高鐵站房棚頂的大跨度鋼結構進行抗震性能分析，結果表明，基于自振的分析方法分析效果最理想。

關鍵詞：高速鐵路；站房；鋼結構；抗震性能

中圖分類號：TU 391" " " 文獻標志碼：A

我國在高速鐵路建設方面取得了很大的成就。無論是高鐵速度、總里程、覆蓋規模，都達到了較高的水平[1]。高鐵站房作為高速鐵路的重要配套設施，起到了旅客集散、班次中轉等重要作用[2]。因此，高鐵站房的安全性也直接影響整個高速鐵路的安全性。與常規建筑相比，高鐵站房要充分考慮人員密集、難于救援的潛在問題，因此必須要有更高規格的安保措施。在這種情況下，高鐵站房建設要有更可靠的策略。本文以高鐵站房棚頂為例，不僅要考慮自身的重力因素，還要充分考慮惡劣天氣可能帶來的影響，例如暴雨、暴雪、積冰等問題。尤其是地震等強地質災害可能造成的破壞[3]。基于上述考慮，將鋼結構施工作為主體技術流程，是提高高鐵站房棚頂安全性的重要途徑。本文以高鐵站房為例，探討其鋼結構施工以及抗震性能。

1 高鐵站房棚頂的鋼結構施工

為便于闡述高鐵站房棚頂的鋼結構施工過程，選擇一個總體面積約10000㎡的高鐵站房作為研究對象，該站房共分為4個區域，上部面積約6500㎡，下部面積約3500㎡。在這4個區域中，第一區域、第二區域、第三區域都是3層的超高度建筑，最大高度為50.2m，第四區域是二層的常規建筑，最大高度22.5m，施工參數見表1。

高鐵站房的整體工程由超高高度工程和常規高度工程組成，棚頂主體結構類型為鋼框架結構，主要構件類型包括箱型柱、圓管柱、箱型梁、“H”形鋼梁。

高鐵站房的第一區域、第二區域、第三區域均使用大跨度箱型鋼梁，截面規格為1600mm×800mm×240mm，最大跨度為25m，單件質量為45t。

在施工過程中，對大跨度鋼梁須合理布置臨時支撐胎架，胎架底部預埋錨栓與樓板臨時固定，胎架頂部設置“H”形鋼和千斤頂支撐分段鋼梁并卸載。選擇75t汽車吊20.1m主臂，起重為26.2t，構件質量16.15t，安全系數K=26.2/（16.15+1）=1.52＞1.2，滿足安全系數要求。

為了提高高鐵站房棚頂大跨度鋼結構的穩定性，施工過程中用大量的桁架結構完成棚頂裝配。其中，局部10根構件鋼桁架結構示意圖，如圖1所示。

高鐵站房的頂部設計為鋼結構，并且采用桁架的形式增加其強度和穩定性。圖1的局部位置共采用了10個構件的桁架結構。在多個點位上，桁架結構的多構件鉸鏈可以提高結構強度。例如在上方中間位置，構件1、構件2、構件5、構件8和構件9，這5個構件鉸鏈在一起。在下方中間位置，構件3、構件4、構件5、構件7和構件10，也是5個構件鉸鏈在一起，從而改變了僅有水平構件和垂直構件鉸鏈的簡單形式，提高了結構強度。

從圖1可以看出，為了提高桁架結構的強度，各鋼構件交錯連接形成多重支撐關系。使用桁架結構要避免桁架結構質量過大。因此，在施工過程中要特別注意桁架優化，這種優化處理包括很多方面，如圖2所示。

通過采取多樣化的優化施工措施，不僅可以有效減少鋼桁架結構的質量，還可以提高整個高鐵站房棚頂的強度和抗震性能。

2 高鐵站房棚頂鋼結構施工后的抗震性能分析

從研究可知，高鐵站房棚頂的鋼結構設計，屬于典型的大跨度鋼結構。為了驗證大跨度鋼結構的抗震性能，通常可以采用3種方法，如圖3所示。

2.1 抗震性能的虛功方法分析

虛功分析方法：虛功模型可以充分考慮大跨鋼結構受到的各種影響因素，從而將這些影響因素設定為對應的約束條件，當分析某個條件時假定其他條件都不發生變化，可以觀察到該條件的變化對大跨鋼結構某方面的影響程度。根據虛功模型，設定敏感性參數，如公式（1）所示。

（1）

式中：sik為當第k個條件發生變化時，大跨鋼結構中第i個條件表現的敏感程度，也稱之為敏感系數；?gi為當第k個條件發生變化時，大跨鋼結構中第i個條件出現的改變量；?vk為大跨鋼結構中第k個條件的改變量。

進一步考慮一種極限的情況，當大跨鋼結構中第i個條件的改變量趨近于0即其變化非常微小時，公式（1）的各種變化量變成了微元的形式，從而使敏感性參數的計算等同于微分求導的過程，如公式（2）所示。

sik= （2）

式中：sik為當第k個條件發生變化時大跨鋼結構中第i個條件表現出的敏感程度，也稱之為敏感系數；dgi為當第k個條件發生變化時大跨鋼結構中第i個條件出現的改變量微元；dvk為大跨鋼結構中第k個條件的改變量微元。

在虛功理論體系下，外力所引發的大跨鋼結構出現的虛功變化等于內力所引發的虛功變化，即外力虛功和內力虛功相等，如公式（3）所示。

δWe=δWi " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：δWe為大跨鋼結構所受的外力所做的虛功總和；δWi為大跨鋼結構所受的內力所做的虛功總和。

將虛功模型和大框鋼結構的各構件結合起來，可以形成公式（4）的關系。

（4）

式中：δWe為大跨鋼結構所受的外力所做的虛功總和；k為大跨鋼結構中的構件序號；P為大跨鋼結構的全部構件；ek為大跨鋼結構中的第k個構件。

2.2 抗震性能的增量方法分析

大跨度結構設計變量較多，若在優化過程中計算每個設計變量的敏感性系數，則整個優化過程將耗費大量時間，且對整體結構優化來說，精確到構件層級的敏感性分析并不具有必要性，可通過概念判斷或工程經驗將設計變量成組。

對不同組的設計變量來說，若設計變量改變量相等，則對敏感性系數的比較可以轉換為對約束條件改變量的比較。等增量敏感性是指不同構件組增加相同成本，引起某約束條件的變化量。通過比較約束條件的變化量，可判斷各構件組的敏感性。若約束條件改變量為正，則構件組的敏感性系數為正。若約束條件改變量為負，則構件組的敏感性系數為負。若約束條件改變量為零，則構件組對約束條件不產生影響。

虛功敏感性系數分析法通過虛功原理等數學、力學方法推導建立設計變量和約束條件間的顯式關系，再求出約束條件對某設計變量的偏導，即敏感性系數。可提取結構模型的真實工況和虛擬工況下的構件受力、構件尺寸及材料參數，還可以通過編程計算單根構件敏感性系數，再對同一構件組敏感性系數進行加權平均（權重為構件成本或體積）。程序僅運行一次即可獲得約束敏感性。

增量敏感性分析方法通過對不同構件組增加成比例的成本或體積，利用通用結構分析軟件比較約束條件的變化量，以此判斷各構件組的敏感性。構件分組越精細，計算結果越精確。但分組越精細，計算模型越多，耗費的時間也越長，因此要考慮工程需要和計算結果準確度等因素合理確定構件分組的數量。

2.3 抗震性能的自振方法分析

如果研究對象做簡諧振動，那么結合能量守恒定律，根據瑞利模型的推演，可以得到振動頻率和虛功間的關系，如公式（5）所示。

（5）

式中：ω為大跨鋼結構的固有頻率；W為大跨鋼結構所做的虛功；M為大跨鋼結構的質量；?為大跨鋼結構的振型向量。

根據振動頻率和振動周期的關系，可以進一步得公式（6）。

（6）

式中：ω為大跨鋼結構的固有頻率；T為大跨鋼結構的振動周期。

結合公式（5）和公式（6）可知，大跨鋼結構的固有振動頻率和多個因素有關，包括大跨鋼結構的質量、大跨鋼結構所做的虛功、大跨鋼結構的振型向量、大跨鋼結構的振動周期等。這些因素中的某個條件或某幾個條件發生改變，都會使大跨鋼結構振動特性改變。

3 高鐵站房棚頂鋼結構施工后抗震性能分析試驗

在接下來的工作中，將通過試驗對比來分析3種方法對大跨鋼結構振動敏感性分析的有效性。在試驗過程中，對高鐵站房棚頂中大跨鋼結構的5個不同位置進行測試，對比3種方法的抗震性能分析效果。這5個位置為5個局部區域的中心點，高度、構件配置都不同，3種方法對振動敏感性的測試結果如圖4所示。

從3種方法對比結果可以明顯看出，基于自振模型法的的振動敏感性測試效果最佳，其敏感程度要高于其他兩種方法，可以最有效地檢測大跨鋼結構可能出現的意外振動。以第5個位置為例，基于自振模型法的振動敏感性測試達到了0.7‰，而同一位置的虛功模型法和增量模型法的振動敏感性測試分別為0.61‰和0.6‰。基于增量模型法的振動敏感性分析和基于虛功模型的振動敏感性分析各有優劣，在振動幅度較小的位置上，基于增量模型法的振動敏感性更強。在振動幅度較大的位置上，基于虛功模型法的振動敏感性更強。從5個位置的情況來看，這5個位置因高度、位置、構件配置的不同，振動強弱也不同。其中，第5個位置的振動效果最明顯。

4 結論

高鐵站房因整體規模、建筑高度、建筑跨度的增加，需要配置大跨鋼結構。為了穩定安裝高鐵站房棚頂大跨鋼結構，應該按照合理的施工流程，保障其施工后的安全性。本文以高鐵站房棚頂的大跨鋼結構的施工為研究對象，給出了詳細的施工流程。并針對大跨鋼結構的振動敏感性，提出了3種分析方法，包括虛功分析法、增量分析法、自振分析法。針對高鐵站房棚頂的大跨鋼結構進行振動敏感性的分析對比試驗，選取5個不同位置并同時采用3種不同的方法進行分析。試驗結果顯示，基于自振分析的方法，對大跨鋼結構的振動敏感性最強，有效檢出率最高。

參考文獻

[1]戴建斌，趙少鋒，王海亮，等.某高鐵站鋼結構深化設計與施工合理性探索[J].焊接技術，2020，49（3）：80-84.

[2]劉輝，宮濤.高鐵站臺鋼結構雨棚健康監測技術的研究與應用[J].鐵路計算機應用，2018，2018，27（6）：43-47.

[3]張瑞斌，王偉.基于能量系數的分層裝配柔性支撐鋼結構體系抗震設計與評估方法[J].工程力學，2023，40（2）：179-189.