某鐵路站臺(tái)大跨度封閉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

高衡山

（中鐵三局集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)分公司，山西 太原 030001）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，以及國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整（簡(jiǎn)稱(chēng)“公轉(zhuǎn)鐵”），鐵路貨運(yùn)站臺(tái)儲(chǔ)存煤也越來(lái)越多。露天堆放的儲(chǔ)煤場(chǎng),廠區(qū)的煤堆表面遭受太陽(yáng)光的照射、加上水分受熱蒸發(fā)，在有風(fēng)的天氣作用下會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，在風(fēng)速較大時(shí)，煤塵漫天彌散，再加上時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境造成一定的污染。為防止站臺(tái)存煤的風(fēng)力損失和裝卸及運(yùn)輸過(guò)程中揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)煤場(chǎng)封閉的要求迫在眉睫[1-2]。

1 工程概況

本工程為某鐵路站臺(tái)封閉項(xiàng)目，站臺(tái)封閉的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)跨度大小、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地及結(jié)構(gòu)受力等因素選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，保證結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)經(jīng)濟(jì)適用。經(jīng)多方比對(duì)，本工程結(jié)構(gòu)體系采用雙層三心圓抽空網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)跨度100 m，總長(zhǎng)895 m，分為五個(gè)區(qū)域，總高度約33 m，本次分析取中間部分，長(zhǎng)度162 m。建筑設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。

站臺(tái)封閉涉及的荷載主要有恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載及溫度荷載：

1）恒荷載：由于鐵路站臺(tái)封閉面積較大，且沒(méi)有采暖要求，一般圍護(hù)材料為單層鍍鋁鋅壓型鋼板，厚度0.5~0.6 mm，考慮到支撐彩板的檁條荷載，上弦恒荷載取值為0.30 kN/m2；下弦恒荷載主要考慮管道、吊掛照明等，荷載取值為0.10 kN/m2；

2）活荷載：根據(jù)我國(guó)規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》其中的5.3.1條，不上人的屋面均布活荷載為0.5 kN/m2；

3）風(fēng)荷載：50年一遇的基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2。地面粗糙度為B類(lèi)；

4）雪荷載：100年一遇的基本雪壓為0.30 kN/m2；

5）地震荷載：地震烈度為8度，第二組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，特征周期0.55 s；

6）溫度荷載：設(shè)計(jì)要求合攏溫度5~15℃，當(dāng)?shù)刈罡咴缕骄鶜鉁?4℃，最低月平均氣溫-13℃，設(shè)計(jì)最大溫升溫降分別為30℃、-30℃。

網(wǎng)殼設(shè)計(jì)采用滿應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求應(yīng)力比不高于0.85，且撓度不大于1/250跨度。本工程采用浙江大學(xué)MSTCAD網(wǎng)架專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析及桿件設(shè)計(jì)，為保證安全，采用國(guó)際通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS進(jìn)行穩(wěn)定性分析[3-4]。

2 模型建立

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件通常采用圓管，管材可選用高頻焊管或無(wú)縫鋼管，結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要承擔(dān)拉力或壓力，一般不能承擔(dān)彎矩，因此桿件采用桁架單元模擬，屋面荷載和下掛荷載等必須作用在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處。

網(wǎng)格的平面尺寸及網(wǎng)格厚度與結(jié)構(gòu)跨度大小、荷載條件、柱網(wǎng)尺寸、支承情況、網(wǎng)格形式及建筑功能等因素確定。選擇網(wǎng)格尺寸與厚度的原則為：同等條件下用鋼量指標(biāo)最優(yōu)、桿件內(nèi)力宜均勻連續(xù)。理論上講，平面網(wǎng)格尺寸越大，桿件數(shù)量越少，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)球數(shù)量也越少，結(jié)構(gòu)的用鋼量越低。但當(dāng)網(wǎng)格平面尺寸過(guò)大時(shí)，壓桿的穩(wěn)定性較難控制，網(wǎng)格的平面尺寸宜控制在6m以?xún)?nèi)。本次分析，網(wǎng)格尺寸為4.5m×4.5m，網(wǎng)殼厚度為3.0 m，為降低用鋼量，每隔四個(gè)網(wǎng)格抽取二個(gè)網(wǎng)格，整體性略弱，但用鋼量降低幅度較大。模型圖見(jiàn)圖2。

3 動(dòng)力特性分析

動(dòng)力特性分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，同時(shí)也是振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法的基礎(chǔ)。了解結(jié)構(gòu)本身的振型特性能為研究該類(lèi)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能提供很大的幫助，同時(shí)也為求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)而采用振型分解反應(yīng)譜法及時(shí)程分析法等奠定基礎(chǔ)，因而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析極其重要。本結(jié)構(gòu)前三個(gè)陣型見(jiàn)圖3~圖5。

從結(jié)構(gòu)陣型圖可以看出，前幾階未發(fā)現(xiàn)局部陣型，結(jié)構(gòu)整體性好，結(jié)構(gòu)剛度大，第一陣型表現(xiàn)為跨度方向平動(dòng)，符合實(shí)際情況。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）第4.3.1~4.3.5條，規(guī)范規(guī)定單層網(wǎng)殼和網(wǎng)殼斷面厚度小于跨度1/50的雙層網(wǎng)殼，按規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。單層網(wǎng)殼必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，雙層網(wǎng)殼穩(wěn)定性較高，通過(guò)調(diào)整厚度不小于跨度的1/50，一般無(wú)需計(jì)算即可滿足規(guī)范要求。本工程跨度較大，且采用抽空網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，按規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4.1 特征值屈曲分析

根據(jù)上述理論，在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合下，結(jié)構(gòu)的彈性屈曲分析結(jié)果見(jiàn)圖6，特征值K值為21.8。說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度大，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)理想承載力高，見(jiàn)圖7。

4.2 考慮幾何非線性的穩(wěn)定分析

根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)程》，在采用軟件進(jìn)行網(wǎng)殼全過(guò)程分析的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮實(shí)際安裝偏差的初始曲面形狀的影響；根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可采用結(jié)構(gòu)的第一階屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)的初始缺陷分布模態(tài)，其最大值可三百分之一的網(wǎng)殼跨度取值。以第一節(jié)特征值屈曲分析的第一階模態(tài)向量施加結(jié)構(gòu)缺陷，第一階模態(tài)最大向量節(jié)點(diǎn)為2 286，則該節(jié)點(diǎn)施加最大缺陷值100 000/300=333 mm，其他節(jié)點(diǎn)按第一階模態(tài)向量值的比值大小施加相應(yīng)缺陷。

本次分析施加的荷載為標(biāo)準(zhǔn)組合，取值為1.0恒+1.0活，根據(jù)軟件計(jì)算表明臨界荷載系數(shù)為21.5，根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)程》4.3.4條網(wǎng)殼穩(wěn)定性容許承載力為4.2，本工程臨界荷載值為21.5>4.2，滿足規(guī)程對(duì)整體穩(wěn)定的規(guī)定。通過(guò)本次分析說(shuō)明，該結(jié)構(gòu)體系剛度大、穩(wěn)定性好，整體性好，對(duì)初始缺陷不敏感。

5 結(jié)論

1）結(jié)構(gòu)選型：三心圓抽空網(wǎng)殼剛度大，受力合理，安全冗余度高，經(jīng)濟(jì)效益明顯，適用于大型鐵路站臺(tái)封閉，可以大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

2）對(duì)網(wǎng)殼分別進(jìn)行線性屈曲分析和考慮幾何非線性的荷載-位移全過(guò)程分析，因?yàn)楹笳呖紤]建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的初始缺陷以及模型加載過(guò)程中的幾何非線性效應(yīng)，得到前者高于后者的安全系數(shù)。根據(jù)分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)考慮初始缺陷的幾何非線性的全過(guò)程分析，臨界荷載系數(shù)為21.5，滿足網(wǎng)《網(wǎng)格規(guī)程》4.3.4條關(guān)于網(wǎng)殼穩(wěn)定性容許承載力系數(shù)K大于4.2的規(guī)定，表明該結(jié)構(gòu)體系整體剛度大，安全冗余度高，對(duì)初始缺陷不敏感。

3）本次分析結(jié)果，可以為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考和借鑒。

4）本次分析暫未考慮材料非線性，建議跨度超過(guò)120 m的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)考慮幾何加材料非線性的穩(wěn)定性分析。