1 .工程概況
某火車站由東西側(cè)站房及坐落于其上的馬鞍形屋蓋組成（見圖1）。站房結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上三層，高度為21.6m。平臺上方為馬鞍形鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。東西方向跨度為96m-114m，南北方向長度152.5m，總高度40.5m，采用雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，最厚處為5m，最薄處為2.5m。為支撐屋蓋在屋蓋兩側(cè)各設(shè)置六道鋼筋混凝土剪力墻。從傳力途徑和承力方式來看，該結(jié)構(gòu)屋蓋具有明顯的拱形結(jié)構(gòu)的受力特征，單從造型來看，又具有網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的幾何特征。
這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系由于技術(shù)難度高、工作量大，一般在進行結(jié)構(gòu)分析時，較少的考慮上下部結(jié)構(gòu)共同工作，從而不能反映出下部混凝土、上部鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接支座約束剛度對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及安全性能的影響。本文對工程進行進一步分析，考慮在地震作用下上下結(jié)構(gòu)共同工作對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的影響，確保結(jié)構(gòu)安全，并總結(jié)規(guī)律，為其他同類工程提供參考[1-2]。
圖1 整體結(jié)構(gòu)計算模型
2 .結(jié)構(gòu)計算模型及地震動參數(shù)
整體計算模型包括了屋蓋大跨度鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)。本文通過改變上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土的連接支座的約束條件對結(jié)構(gòu)的進行了地震響應(yīng)分析，具體電算模型如下：
1）整體計算模型，鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)鉸接
2）整體結(jié)構(gòu)計算模型，鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)在屋蓋跨度方向采用剛度k=20000KN/m的滑動支座連接，其他兩個方向約束
3）僅有屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的計算模型，鋼屋蓋與地面使用與下部混凝土結(jié)構(gòu)剛度等效的彈簧連接
4）僅有屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的計算模型，鋼屋蓋與地面鉸接。
3 .結(jié)構(gòu)的自振特性及整體剛度
結(jié)構(gòu)各階振型及自振頻率計算結(jié)果見圖2及表1。本文僅列出了結(jié)構(gòu)前三階振型，不同計算模型的結(jié)構(gòu)的前六階振型均為屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的自振，模型1與模型2在第七階處出現(xiàn)了下部混凝土結(jié)構(gòu)的振型。模型1-4的結(jié)構(gòu)第一階自振頻率的比值為1：0.70：1：1.12。
圖2 結(jié)構(gòu)各階振型及自振頻率
結(jié)構(gòu)自振頻率 表1
分析可知：
（1）模型1的一階自振頻率比模型2高30%，將上下連接處采用滑動支座能夠有效減小整體結(jié)構(gòu)的剛度。
（2）模型1與模型3的各階自振頻率相似，說明將下部混凝土結(jié)構(gòu)模擬為等剛度彈簧支座的模型3剛度與模型1相似。同時在第7階振型處產(chǎn)生了差異，這是由于模型1的第7階振型有下部混凝土參與引起的。
（3）模型4的1階自振頻率比模型1高12%，說明僅考慮上部鋼結(jié)構(gòu)與地面鉸接的計算模型剛度大于整體結(jié)算模型。
進一步分析表明，對于此結(jié)構(gòu)，下部混凝土結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于上部鋼結(jié)構(gòu)剛度，同時下部混凝土結(jié)構(gòu)及屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土之間的連接方式對結(jié)構(gòu)整體剛度有很大的影響。
4 .小震作用下反應(yīng)譜分析
考慮結(jié)構(gòu)的恒載及0.5倍活載，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，僅取單向地震作用，對結(jié)構(gòu)進行小震反應(yīng)譜分析。計算結(jié)構(gòu)的地震剪力及屋蓋頂點（見圖1）的位移，計算結(jié)果見表2：
小震作用下結(jié)構(gòu)主要力學(xué)性能對比 表2
分析可知：
（1）模型1~模型4的屋蓋的X向地震剪力的比值為1：0.79：0.70：0.71，Y向地震剪力的比值為1：0.77：0.58：0.68，可以看出將上下部連接采用滑動支座時能夠減小地震剪力約20%，對于構(gòu)件的安全是有利的。模型3與模型4所得的屋蓋地震剪力小于考慮整體模型（模型1）的計算結(jié)果。
（2）對比模型1與模型2整體結(jié)構(gòu)的地震剪力，模型2較模型1X向地震下總剪力減小了2000KN，Y向地震下總剪力減小了3400KN。從表中可以看出，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)僅吸收了小部分地震力，大部分地震剪力由下部混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)。故采用模型2會大幅度減小下部混凝土結(jié)構(gòu)所承受的地震力，對于下部混凝土結(jié)構(gòu)是有利的。
（3）模型1~模型4屋蓋頂點處X向地震下位移比值為1：1.21：0.78：0.77，X向地震下位移比值為1：1.14：0.74：0.72。上下部連接采用滑動支座時地震下結(jié)構(gòu)位移會增加約20%，同時采用模型3與模型4的計算結(jié)果與模型1相比均偏小。
進一步分析可知，無論采用將下部混凝土結(jié)構(gòu)用彈簧等剛度替代的模型3還是直接將上部鋼結(jié)構(gòu)與地面鉸接的模型4，所得的計算結(jié)果遠(yuǎn)小于實際情況，對于結(jié)構(gòu)的設(shè)計是不安全的。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為：當(dāng)下部混凝土結(jié)構(gòu)與屋蓋結(jié)構(gòu)通過支座連接為整體時，屋蓋結(jié)構(gòu)自身具有較強的抗側(cè)剛度，從而分配了下部混凝土結(jié)構(gòu)的地震作用。這與高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下被放大的“鞭梢效應(yīng)”同理。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計必須考慮上下部結(jié)構(gòu)共同工作的影響。
將上下部結(jié)構(gòu)采用滑動支座連接時，上部鋼結(jié)構(gòu)及下部混凝土結(jié)構(gòu)索承受的地震剪力均有一定幅度的減小，同時結(jié)構(gòu)的位移有小幅度增加，模型2在地震下最大位移為9.39mm小于規(guī)范要求的h/300=40.5m/300=13.5mm，故采用模型2對于結(jié)構(gòu)的抗震是有利的。
5 .結(jié)論
（1）考慮下部混凝土結(jié)構(gòu)的作用和改變混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的連接剛度會對整體結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生一定影響，僅考慮上部鋼結(jié)構(gòu)的計算模型的剛度比考慮整體結(jié)構(gòu)模型的剛度大，上下部結(jié)構(gòu)通過滑動支座連接的模型剛度比上下部結(jié)構(gòu)鉸接結(jié)構(gòu)的剛度小。
（2）與僅考慮上部鋼結(jié)構(gòu)的模型相比，考慮上下部結(jié)構(gòu)共同工作的影響時，屋蓋的地震總水平剪力、頂點位移顯著增大。這與高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下被放大的“鞭梢效應(yīng)”同理，因此進行屋蓋鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時必須考慮上下部結(jié)構(gòu)共同工作的影響，采用簡化的僅考慮上部鋼結(jié)構(gòu)的計算模型的設(shè)計是不安全的。
（3）上下部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的約束剛度對屋蓋結(jié)構(gòu)的及下部混凝土結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及安全性能產(chǎn)生較大的影響。上下部結(jié)構(gòu)通過滑動支座連接，上部結(jié)構(gòu)地震下的位移約增加22%，處于規(guī)范要求范圍內(nèi)，同時上部鋼結(jié)構(gòu)的地震剪力約減小20%，下部混凝土結(jié)構(gòu)吸收的地震剪力約減小15%。因此對于此結(jié)構(gòu)，采用部分釋放約束的滑動支座可有效的消能減震、對下部混凝土設(shè)計有利，同時有效提高上部鋼結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。
參考文獻
[1] 曹資,薛素鐸.空間結(jié)構(gòu)抗震理論與設(shè)計[M]．北京：科學(xué)出版社．2005．
[2] 張擁軍,陳丹,劉武華.寧夏花兒藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)-混凝土結(jié)構(gòu)共同工作分析研究[J]，寧夏工程技術(shù)2010（3）：253-258
