關于利用Midas Gen對高架車站鋼結構雨棚優化設計的研究

文/易春燕、趙康祺

1 前言

軌道交通發展迅猛，市區交通壓力越來越大，截至2020年12月31日，中國內地累計有45 個城市開通城市軌道交通，運營線路共7978.19km。城際軌道與城市地鐵不同，由于市區擁擠，城市地鐵多采用地下鐵路。城際軌道是專門服務于相鄰城市間或城市群，旅客列車設計速度200km/h 及其以下的快速、便捷、高密度客運專線鐵路，大多位于城郊。另外，高架區間和高架車站也越來越多，由于高架車站大跨度造型需求，鋼結構雨棚的應用也越來越廣泛。本文在鋼結構雨棚設計圖紙的基礎上，探討了利用Midas Gen 對高架車站鋼結構雨棚的優化設計[1]。

2 工程概況

長株潭城際軌道交通西環線一期工程為EPC 總承包項目，線路全長17.29km，南起湘潭北站，北止于長沙市軌道交通3 號線終點站山塘站（不含），高架段長9.7km，主要沿潭州大道敷設，共8 站8 區間，白泉站為第4 個車站，位于長沙市岳麓區雙湖小學以西、潭州大道路中；白泉站為側式高架車站，車站上部鋼結構雨棚為弧形剛架結構形式的輕型屋面系統，雨棚結構全長140m，高度為7.749m，單跨跨度為21.83m，柱腳鉸接在站臺板下層，雨棚鋼結構按照設計圖紙用鋼量為288.7t。

3 Midas Gen 鋼結構優化設計原理分析

Midas Gen 的鋼結構優化設計是基于以結構用鋼量為目標函數的優化功能原理，在強度優化設計前提下，以側向位移為約束條件的自動化設計。

4 有限元建模

白泉站主體雨棚鋼結構結構型式為框架，本結構有限元分析的幾何建模是通過Midas Gen 建立的，按照現有設計圖紙對鋼框架結構整體分析，鋼構件驗算及優化設計。模型如下：

圖1 白泉站鋼結構雨棚模型

5 施加荷載

5.1 恒載

結構自重：由軟件自動計算得出；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 風荷載

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

6 鋼構件優化設計

通過對圖紙中的設計情況進行鋼構件截面驗算可知，本次設計中用鋼量為288.7t，優化后鋼結構雨棚用鋼量為227t，通過Midas Gen 鋼結構設計優化功能，鋼結構雨棚優化了61.7t。鋼結構雨棚鋼構件優化設計前后結果對比如下表所示：

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通過鋼結構驗算比柱狀圖（圖2）可知，優化前鋼構件受力極不均勻充分，平均僅達到30%左右。通過優化設計后鋼結構驗算比柱狀圖（圖3）可知，優化后所有鋼構件基本可達到55%左右，一定程度上提高了鋼結構雨棚鋼構件的使用效率[3]。

圖2 優化前鋼結構雨棚驗算比

圖3 優化后鋼結構雨棚驗算比

優化完成后用鋼量為227t，較現有設計圖紙上減少61.7t，鋼結構驗算比柱狀圖（圖3）可知，優化后不同的構件應力比分別從25% 到90%，30% 到70%，55%到65%，節約了鋼材用量，提高了鋼材使用效率。

7 結語

在工農業生產、工程設計、經濟管理等許多實踐中，經常會遇到諸如在一定條件下怎樣使產量最高、用料最省、效益最大、成本最低等一系列“最優化問題”，即函數的最大值或最小值的問題，Midas Gen 的鋼結構設計優化自動化計算就屬于這類問題，鋼結構用鋼量即為該目標函數的最值，鋼結構優化設計即求解最小用鋼量的過程。

本次通過利用Midas Gen 進行鋼結構設計優化，白泉站鋼結構雨棚進行優化設計后，可節約鋼材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，節約了成本。