1  .工程概況

某火車站由東西側站房及坐落于其上的馬鞍形屋蓋組成（見圖1）。站房結構為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，地上三層，高度為21.6m。平臺上方為馬鞍形鋼結構屋蓋。東西方向跨度為96m-114m，南北方向長度152.5m，總高度40.5m，采用雙層網殼結構，最厚處為5m，最薄處為2.5m。為支撐屋蓋在屋蓋兩側各設置六道鋼筋混凝土剪力墻。從傳力途徑和承力方式來看，該結構屋蓋具有明顯的拱形結構的受力特征，單從造型來看，又具有網殼結構的幾何特征。

這種復雜結構體系由于技術難度高、工作量大，一般在進行結構分析時，較少的考慮上下部結構共同工作，從而不能反映出下部混凝土、上部鋼結構與混凝土結構連接支座約束剛度對于大跨度鋼結構受力狀態(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構共同工作對屋蓋鋼結構的影響，確保結構安全，并總結規(guī)律，為其他同類工程提供參考[1-2]。

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圖1 整體結構計算模型

2  .結構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構與下部混凝土結構。本文通過改變上部鋼結構與下部混凝土的連接支座的約束條件對結構的進行了地震響應分析，具體電算模型如下：

1）整體計算模型，鋼結構與下部混凝土結構鉸接

2）整體結構計算模型，鋼結構與下部混凝土結構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）僅有屋蓋鋼結構的計算模型，鋼屋蓋與地面使用與下部混凝土結構剛度等效的彈簧連接

4）僅有屋蓋鋼結構的計算模型，鋼屋蓋與地面鉸接。

3  .結構的自振特性及整體剛度

結構各階振型及自振頻率計算結果見圖2及表1。本文僅列出了結構前三階振型，不同計算模型的結構的前六階振型均為屋蓋鋼結構的自振，模型1與模型2在第七階處出現(xiàn)了下部混凝土結構的振型。模型1-4的結構第一階自振頻率的比值為1：0.70：1：1.12。

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圖2 結構各階振型及自振頻率

結構自振頻率 表1

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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構的剛度。

（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構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構與地面鉸接的計算模型剛度大于整體結算模型。

進一步分析表明，對于此結構，下部混凝土結構剛度遠大于上部鋼結構剛度，同時下部混凝土結構及屋蓋鋼結構與下部混凝土之間的連接方式對結構整體剛度有很大的影響。

4  .小震作用下反應譜分析

考慮結構的恒載及0.5倍活載，結構阻尼比取0.02，僅取單向地震作用，對結構進行小震反應譜分析。計算結構的地震剪力及屋蓋頂點（見圖1）的位移，計算結果見表2：

小震作用下結構主要力學性能對比 表2

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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）的計算結果。

（2）對比模型1與模型2整體結構的地震剪力，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，屋蓋鋼結構僅吸收了小部分地震力，大部分地震剪力由下部混凝土結構承擔。故采用模型2會大幅度減小下部混凝土結構所承受的地震力，對于下部混凝土結構是有利的。

（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構位移會增加約20%，同時采用模型3與模型4的計算結果與模型1相比均偏小。

進一步分析可知，無論采用將下部混凝土結構用彈簧等剛度替代的模型3還是直接將上部鋼結構與地面鉸接的模型4，所得的計算結果遠小于實際情況，對于結構的設計是不安全的。產生此現(xiàn)象的原因為：當下部混凝土結構與屋蓋結構通過支座連接為整體時，屋蓋結構自身具有較強的抗側剛度，從而分配了下部混凝土結構的地震作用。這與高層建筑結構在地震作用下被放大的“鞭梢效應”同理。屋蓋鋼結構的抗震設計必須考慮上下部結構共同工作的影響。

將上下部結構采用滑動支座連接時，上部鋼結構及下部混凝土結構索承受的地震剪力均有一定幅度的減小，同時結構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對于結構的抗震是有利的。

5  .結論

（1）考慮下部混凝土結構的作用和改變混凝土與鋼結構的連接剛度會對整體結構剛度產生一定影響，僅考慮上部鋼結構的計算模型的剛度比考慮整體結構模型的剛度大，上下部結構通過滑動支座連接的模型剛度比上下部結構鉸接結構的剛度小。

（2）與僅考慮上部鋼結構的模型相比，考慮上下部結構共同工作的影響時，屋蓋的地震總水平剪力、頂點位移顯著增大。這與高層建筑結構在地震作用下被放大的“鞭梢效應”同理，因此進行屋蓋鋼結構抗震設計時必須考慮上下部結構共同工作的影響，采用簡化的僅考慮上部鋼結構的計算模型的設計是不安全的。

（3）上下部結構連接節(jié)點的約束剛度對屋蓋結構的及下部混凝土結構的地震響應及安全性能產生較大的影響。上下部結構通過滑動支座連接，上部結構地震下的位移約增加22%，處于規(guī)范要求范圍內，同時上部鋼結構的地震剪力約減小20%，下部混凝土結構吸收的地震剪力約減小15%。因此對于此結構，采用部分釋放約束的滑動支座可有效的消能減震、對下部混凝土設計有利，同時有效提高上部鋼結構的抗震安全性能。

參考文獻

[1] 曹資,薛素鐸.空間結構抗震理論與設計[M]．北京：科學出版社．2005．

[2] 張擁軍,陳丹,劉武華.寧夏花兒藝術館鋼結構-混凝土結構共同工作分析研究[J]，寧夏工程技術2010（3）：253-258