天津地铁某高架车站罩棚钢结构静力分析

何永禹  于祺

天津市政工程设计研究总院有限公司  天津  300392

摘要：本文以天津地铁某高架车站罩棚钢结构弦支刚架为研究对象，使用MIDAS Gen软件建立了有限元模型，在各种荷载工况下对其进行了静力分析，分析结果表明，杆件应力和结构位移均满足设计要求，相比传统门式刚架，弦支刚架能明显提高结构的整体受力性能。

关键词： 罩棚钢结构；弦支刚架；静力分析；应力；位移

0 引言

弦支结构[1,2]作为一种受力合理、造型美观的大跨度结构形式，在传统刚性结构基础上引入柔性的预应力拉索，通过施加预应力，改变结构的内力分布和变形特征，从而优化结构的受力性能，在工程中已得到了广泛的应用。根据上部刚性结构的不同主要分为张弦梁、张弦桁架、弦支网架、弦支穹顶、弦支筒壳等。

弦支刚架作为一种新型的平面型弦支结构体系，由上部的刚架梁和下部的柔性索通过中间的撑杆相连而成。预应力的引入，增大了结构刚度，减小了结构挠度，也减小了支座的水平推力，相比传统的门式刚架，其受力性能得到了明显提高。

1 工程概况

天津地铁某高架车站罩棚钢结构平面尺寸为155m26m，横向采用弦支刚架结构体系，跨度25.5m，共计17榀，每榀刚架设置3根撑杆和1道拉索；纵向柱距8.0m、9.0m、10m、12m不等，纵向每榀刚架之间设置刚性系杆，端部第一开间及间距30~40m设置交叉支撑[3]，纵向设置一道伸缩缝。弦支刚架支承于下部钢筋混凝土柱顶。

本工程结构安全等级为一级，结构重要性系数1.1，设计基准期为50年，结构设计工作年限为50年。

2模型建立

2.1 单元类型

刚架柱和刚架梁采用梁单元模拟，撑杆和系杆只承受轴向力，故采用桁架单元模拟；拉索和钢拉杆只承受轴向拉力，故采用只受拉单元模拟。

2.2 材料属性

本工程中弦支刚架采用的基本材料有三种，分别是型钢/钢管、拉索和钢拉杆。三种材料的属性参数如表2-1所示。

表2-1  材料属性

材料	弹性模量（N/m2）	泊松比	密度（kg/m3）	线膨胀系数	强度（N/m2）
型钢/钢管 拉索 钢拉杆	2.06e11 1.95e11 2.00e11	0.3 0.3 0.3	7850 7850 7850	1.2e-5 1.2e-5 1.2e-5	355e6（屈服强度） 1670e6（抗拉强度） 550e6（屈服强度）

2.3 杆件截面

弦支刚架的上部刚架采用H型钢，截面规格有GJ1：H6003501825（用于纵向间距12m），GJ2：H5003001222（用于纵向间距10m及以下），撑杆采用圆钢管，截面规格有P1335、P21910，拉索采用以锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢绞线为主索体的高钒索，公称直径D=36mm。刚性系杆采用圆钢管，截面规格有P1335、P1685。交叉支撑采用钢拉杆，公称直径D=25mm。

2.4 约束条件

弦支刚架支承在下部钢筋混凝土柱顶，所有支座节点采用三向铰接约束。

2.5 荷载作用[4]

高架车站钢罩棚上作用的荷载主要有结构自重、屋面恒荷载、屋面活荷载、雪荷载、风荷载及温度作用。

（1）结构自重

考虑到刚架节点用钢量占整个刚架杆件用钢量的20%~30%，故将自重系数取为-1.2。

（2）屋面恒荷载

根据建筑屋面做法以及功能要求，屋面板主要采用铝镁锰板，局部为玻璃幕墙，其中铝镁锰板（含檩条）恒荷载取0.9kN/m2，玻璃幕墙恒荷载取1.2kN/m2。

（3）屋面活荷载

本工程屋面为不上人屋面，活荷载取0.5kN/m2。

（4）雪荷载

考虑到罩棚钢结构为对雪荷载敏感的结构，故采用100年重现期的基本雪压0.4 kN/m2，分别按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布按最不利情况采用。屋面活荷载和雪荷载不同时考虑。

（5）风荷载

考虑到罩棚钢结构为对风荷载敏感的结构，可考虑适当提高其重现期来确定基本风压，故采用100年重现期的基本风压0.65 kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

（6）温度作用

结合工程实际，考虑合拢温度为10℃~15℃，最高温度40℃，最低温度-15℃，故考虑温度升高或下降30℃。

3计算结果

3.1 荷载组合

根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009和《工程结构通用规范》GB55001，共考虑12种荷载基本组合工况。工况1：1.3D+1.5L；工况2：1.3D+1.5S；工况3：1.3D+1.5W；工况4：1.3D+1.5T；工况5：1.3D+1.5L+0.9W；工况6：1.3D+1.5L+0.9T；工况7：1.3D+1.05L+1.5W；工况8：1.3D+1.05L+1.5T；工况9：1.3D+1.5S+0.9W；工况10：1.3D+1.5S+0.9T；工况11：1.3D+1.05S+1.5W；工况12：1.3D+1.05S+1.5T。D：恒荷载；L：屋面活荷载；S：雪荷载；W：风荷载；T：温度作用（包括升温和降温两种工况）

共考虑12种荷载标准组合工况。工况1：D+L；工况2：D+S；工况3：D+W；工况4：D+T；工况5：D+L+0.6W；工况6：D+L+0.6T；工况7：D+0.7L+W；工况8：D+0.7L+T；工况9：D+S+0.6W；工况10：D+S+0.6T；工况11：D+0.7S+W；工况12：D+0.7S+T。

3.2  静力分析结果

3.2.1  杆件应力

分别计算了12种荷载基本组合工况作用下弦支刚架杆件的应力。

经验算，荷载基本组合包络工况下杆件应力比的最大值为0.84，大部分在0.7以下，满足设计要求。

3.2.2  结构位移

提取GJ1在荷载标准组合包络工况下的Z向位移。由计算结果可知，GJ1在包络工况下的跨中节点最大Z向位移为-20mm，根据《钢结构设计标准》GB50017[5]附录B的规定，结构挠度限值为1/250L（跨度），即102mm，故满足规范要求。

对比不设置拉索模型，各荷载标准组合工况下的最大Z向位移为-59mm，由此可见，通过拉索引入预应力，挠度减小了66%。

3.2.3  支座反力

提取GJ1在各荷载单工况下平面内水平支座反力计算结果，恒荷载和屋面活荷载作用下水平支座反力分别是70kN和30kN。

对比不设置拉索模型，恒荷载和屋面活荷载作用下水平支座反力分别达到了118kN和40kN。由此可见，通过设置预应力拉索，水平支座反力分别减小了41%和25%。

4.结论

本文通过对天津地铁某高架车站罩棚钢结构静力分析，可得出如下主要结论：

（1）结构的杆件应力和位移均满足规范要求，结构形式合理，整体受力性能良好。

（2）相比门式刚架，弦支刚架增大了结构刚度，对于减小跨中挠度效果明显，此外拉索可以分担一部分支座水平推力，降低了支座的设计难度。

参考文献

[1]陈志华，荣彬，孙国军．弦支结构体系概念与分类[J]．工业建筑，2010，40(8)：1-5

[2]陈志华．张弦结构体系[M]．北京：科学出版社，2012

[3]GB51022-2015．门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2015

[4]GB50009-2012．建筑结构荷载规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012

[5]GB50017-2017．钢结构设计标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2017