鐵路客站側式站房超長結構屈曲約束支撐混凝土框架節點性能的有限元分析

摘 要：通過有限元分析方法，研究側式站房超長結構中屈曲約束支撐混凝土框架節點的性能。對超長結構的整體概念進行了概述，分析了結構特性與節點性能之間的關聯。采用專業的分析軟件，建立了詳細的有限元模型，并對節點進行了系統的性能評估。研究重點包括荷載-位移響應、彎矩-曲率響應、剪切性能以及節點的承載力和剛度。通過探討屈曲約束支撐在改善節點性能中的作用機制，比較了不同約束支撐方案，并提出了有效的性能改善方法和策略，從而為優化超長結構的設計提供了理論依據和實踐指導。

關鍵詞：超長結構；屈曲約束支撐；有限元分析；節點性能

中圖分類號：TU375.4" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）06-0022-03

1 項目概況

本工程項目涉及一座超長側式站房，該站房為軌道交通服務，具有顯著的線性延伸特征。站房總體布局呈狹長矩形，長約280 m，寬60 m，高度根據功能需求在9～24 m。站房內部劃分為多個功能區，每個區域根據其用途和工作人員的流動性進行了特殊設計。

在設計標準方面，本工程嚴格遵循了適應超長結構特點的多項規范，包括地震防護和可持續性標準。工程要求是在確保結構的基本抗震性能的同時，需特別關注節能降耗，提出了建筑能耗控制在規定標準的50%以內的目標，突出了綠色建筑設計的理念。

2 側式站房超長結構設計

2.1 結構設計

針對側式站房這一超長結構的設計，關鍵在于確保其在極端長度下的結構完整性和穩定性。因其尺寸巨大，該結構必須能夠抵御橫向和縱向的變形，同時要注意到可能的應力集中問題[1]。因此，設計中會采用特殊的結構系統，例如連續的深基礎、預應力混凝土或者加寬的梁和柱子，以分散應力并提高抗彎抗扭能力。

設計團隊還將采用適應性設計，確保在溫度變化、地面沉降或其他環境變量影響下，結構依然保持穩定，滿足了超長結構在現代軌道交通建設中的高標準要求。房站臺層建筑平面結構圖如圖1所示。

2.2 振動特性

對于超長結構的側式站房而言，其抗震設計是至關重要的一環。結構必須能夠承受地震產生的動態荷載，因此振動特性的分析成為不可或缺的部分。在設計階段，通過模擬不同的振動模態，從基礎的一階模態到復雜的高階模態，工程師能夠預測并優化結構對振動的響應。設計團隊據此確定了可能的共振頻率，并調整結構參數，以避免在潛在的地震活動中結構發生破壞性的共振現象。

2.3 超長結構與節點性能的關聯

在站房這種超長結構的設計與施工中，節點性能扮演著至關重要的角色。由于超長結構的幾何和力學特性，節點（即結構元素相互連接的部分）必須能夠適應由于溫度變化、地震活動等因素引起的伸縮和變形。一個堅固的節點設計可以有效地分配負載，減少由于外部作用力而導致的不均勻應力。節點性能結構元素如圖2所示。

3 有限元分析方法

3.1 軟件工具和模型建立

在進行有限元分析（FEA）前，選擇合適的分析軟件是關鍵。本研究中，選用了功能強大的工程分析軟件，如ANSYS或ABAQUS，它能夠對復雜結構進行精確模擬。

建立一個詳細的幾何模型，模型的總長度為280 m，寬度為60 m，高度在9～24 m，橫向跨度介于10～21.5 m。在此基礎上，模型細化了結構的主要承重構件，如立柱、橫梁及其支撐系統，以反映實際結構的承載特性。特別注意模擬了各個組成部分的連接細節，這些都是確保模型分析結果可靠性的基礎。

3.2 節點模型的建立

在超長結構的有限元分析中，節點模型的精確構建是模擬結構響應的關鍵步驟。節點作為結構元素相接的關鍵部位，對于力的傳遞和分布起著至關重要的作用。因此，詳細建立了每個節點的有限元模型，以模擬其在實際工況下的力學行為。

依據工程結構布局和支撐配置，研究團隊模擬了人字支撐和單向斜撐。例如，人字支撐的具體尺寸假設為寬度0.5 m，厚度0.05 m，材料假定為結構鋼，其材料屬性如彈性模量為210 GPa，屈服強度為355 MPa。這些參數確保了支撐在模型中的剛度和強度與實際相符。對于單向斜撐，精確設定了其截面尺寸和材料特性，確保模擬結果能夠反映真實情況。在節點模型中，還考慮了連接方式，如焊接或螺栓連接，這些連接方式的細節直接影響到節點的剛度和承載能力[2]。例如，對于焊接連接，假定焊縫完全穿透，并且與連接鋼材料具有相同的力學特性。對于螺栓連接，則假定了螺栓的直徑、材料特性和預緊力。

3.3 材料模型和邊界條件的設定

在有限元分析中，材料模型的設定需基于實驗或已知的材料特性。通常，將結構鋼的彈性模量設為210 GPa，屈服強度范圍在235～355 MPa，泊松比約為0.3，這些參數值反映了常用的結構鋼性能。對于混凝土，其彈性模量一般設為25 GPa，泊松比為0.2。而抗壓強度則依據具體等級，通常介于20～40 MPa。這些參數均依據材料標準和典型的工程實踐選取。邊界條件的設定則需考慮結構的實際約束情況。

從圖像中可以觀察到結構設計包含了特定的基礎類型和尺寸，這通常意味著基礎與結構之間的連接假定為固定，即無旋轉和位移的自由度。在模型中，這可以通過完全約束基礎節點來實現，從而模擬地基對結構的約束效果。至于地面條件，如果基礎設計考慮了地震作用，可能需要包含基礎-結構互動分析，例如在基礎底部設置相應的彈性邊界條件，以模擬實際地震作用下的土壤-結構相互作用。

4 節點性能參數

4.1 荷載-位移響應分析

荷載-位移響應分析關注的是結構在受到外部荷載時的位移變化，特別是在結構的彈性范圍內。結構的首個自然振動周期（周期1）約為1.156 s，其反映了結構整體的動態特性。結合這一周期和結構的幾何特性以及支撐配置，結構在荷載作用下的動態位移響應[3]。例如，如果結構受到地震荷載，其響應將部分由此振動周期定義。

為了模擬荷載-位移曲線，采用典型的結構工程。例如結構是由鋼筋混凝土構成，其彈性模量約為25 GPa，抗壓強度為30 MPa。假定結構的總質量和荷載分布是均勻的，且結構的基本模態是主要受到荷載影響的模態。使用這些信息，結合結構分析軟件，可以生成一個荷載-位移曲線，如圖3所示。

4.2 彎矩-曲率響應分析

在彎矩-曲率響應分析中，假設一個典型的中等尺寸鋼筋混凝土梁，其寬300 mm、高500 mm，混凝土的抗壓強度為30 MPa，鋼筋的屈服強度為500 MPa。當彎矩逐漸增加，從0 kN·m開始，以0.5 kN·m的增量遞增，直至15 kN·m，模擬從未受力狀態至接近破壞狀態的過程。

相應地，曲率從0開始，初始階段隨彎矩線性增加，表現出材料的彈性行為；當達到混凝土的裂縫強度時，曲率增加速度開始放緩，進入塑性階段。最終，曲率逐漸趨于穩定，表明構件已經進入深屈服階段，且可能接近破壞。此過程中，彎矩-曲率曲線提供了一個從線性彈性到非線性行為的連續過渡視圖，揭示了結構構件在實際荷載作用下的性能，對于預測和評估構件的承載能力和變形能力至關重要。彎矩-曲率響應曲線如圖4所示。

4.3 剪切性能分析

在一般的工程情況下，剪切性能分析可以考慮一個典型的中跨度梁的剪切響應，其中混凝土的抗剪強度通常為10%～15%的抗壓強度。如果假設混凝土的抗壓強度為30 MPa，則其抗剪強度可能在3～4.5 MPa。在剪切性能分析中，計算在不同水平荷載作用下的剪切力和相應的位移量，從而評估結構的剪切剛度和能量耗散能力。例如，一個中等尺寸的梁在受到逐漸增加的橫向荷載（從0 kN開始，遞增至破壞點）時，可能表現出從線性到非線性的剪切位移響應。這種分析有助于設計工程師理解和預測結構在實際荷載作用下的剪切性能，為結構的抗剪強化和抗震設計提供科學依據。剪切力-剪切位移響應曲線如圖5所示。

4.4 節點承載力和剛度分析

在節點承載力和剛度分析中，考慮一個典型節點，如梁柱接頭，它可能由鋼筋混凝土制成，具有強度和剛度來抵抗來自梁的彎矩和柱的軸向荷載。在分析時，假定該節點的混凝土抗壓強度為30 MPa，鋼筋屈服強度為500 MPa。剛度分析可能表明，在標準荷載下，節點的相對位移極小，顯示出良好的剛性。

承載力分析可能顯示，該節點能夠安全承受高達200kN的荷載，超過此值時，節點將顯示出明顯的塑性變形跡象。通過在節點處施加不同水平的荷載并觀察其響應，可以構建一個荷載-位移曲線，從中得到節點的線性剛度和屈服點，這為了解節點在實際工況下的表現提供了精確的依據。在進行實際結構設計時，這種分析確保了結構連接的可靠性，并有助于預防可能的結構故障。

參考文獻

[1] 馬傳政，譚雅文.屈曲約束支撐方鋼管高強混凝土框架力學性能有限元分析[J].中國建筑金屬結構，2023，22（8）：3-5.

[2] 馬傳政，李幗昌，閆煦.屈曲約束支撐方鋼管高強混凝土框架節點的有限元分析[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2017，33（2）：214-225.

[3] 李幗昌，王碩，田磊，等.屈曲約束支撐混凝土框架節點性能的有限元分析[J].工程力學，2013，30（S1）：212-216.