武汉火车站多点输入地震反应时程分析

1、第39卷第1期建筑结构2009年1月武汉火车站多点输入地震反应时程分析刘枫1,杜义欣，赵鹏飞，潘国华I陶勇2,汤荣伟，颜峰1（1中国建筑科学研究院，北京100013; 2中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063）摘要武汉火车站支撑结构东西向长度为 258m(屋盖长度约300m),南北向长度为476m,南北向超长。对武汉站 采用时程分析法，进行了考虑行波效应的多点输入地震反应分析。对多点输入与单点输入情况下的基底总剪力、扭转效应以及重要构件内力均进行了比较，讨论了不同视波速度对分析结果的影响 。针对不同类型构件，给岀了考虑多点输入影响的地震作用效应调整系数，并对这些构件进行了在多点输入地

2、震组合工况下的截面验算，计算结果表明全部构件均满足规范要求，不必要因多点输入而采取特殊的构造措施。关键词多点输入；地震反应；时程分析Time2history analysis of Wuhan rail way station under multi2support seismic excitation11 1 2 2 1 1Liu Feng ,Du Yixin ,ZhaoPenei ,Pan Guohua ,Tao Yong ,Tang Rongwei ,Yan Feng(1 China Academy of Building Research,Beijing 100013 ,China;2

3、 China Railway Syuan Survey and Design Group Co. ,Ltd. ,Wuhan 430063 ,Chins)Abstract :The supporting structure of Wuhan railway station is super long in south to north direction ,with dimension of 258m from east to west ,and 476m from south to north. Thetime2history seismic analysis considering trav

4、eling effect is carried out. The base shear,torsion effect and internal force of important members between multi2support excitation and singlesupport excitation are compared. The corresponding analysis results under different traveling speed are discussed. The adjustive coefficients considering mult

5、i2support excitation based on different structure members are provided. The section check is made to these members in mult2 support excitation earthquake load combinations. All members satiny the requirement of code through the calculation mentioned above,no need to adopt extra measures becauseof mu

6、lti2support excitation.Keywords :multi2support excitation; seismic; time2history analysis11 1994-2009 ChinaJcuina上.Icctronit： Publishing Huuife. All rigtilsreserved,wwta；.enki-ner第39卷第1期建筑结构2009年1月1 工程概况武汉火车站总建筑面积355 391m2,结构可分为站 房结构和雨棚结构，屋盖总建筑面积约15万m2。雨棚 结构可以看作是特殊的拱（梁）2壳组合体系。各片雨 棚的屋面结构完全脱开，雨棚的支撑结构仅

7、在柱脚处 共用墩台，通过半拱斜立柱的柱脚和半拱拱脚部位连 接（图1）;中央站房屋面结构也可以看作特殊的拱 （梁）2壳组合体系，包括主拱及其外侧一跨的半拱所覆 盖的范围，这两部分之间通过半拱拱脚和主拱拱脚部 位在共用墩台处连接，另外在主拱和半拱之间还设置 了连梁（图2）。而雨棚与中央站房结构相对独立，雨棚结构与中央站房结构同样共用墩台，通过半拱斜立柱的柱脚和半拱拱脚部位连接。工程虽地处6度抗震设防区，但体量大，结构复 杂，南北向长度已超过超限高层建筑工程抗震设防专 项审查技术要点对超长结构的定义（400m）。该要点 指出超长结构应有多点地震输入的分析比较。而现有 研究成果对多点输入对结构的影响还

8、没有普遍性的定 论。单点地震动激励下的结构响应是高于或是低于空 间相关地震动（多点输入）激励，取决于结构的动力特图1雨棚之间连接示意图2雨棚和中央站房间连接示意性、截面形状与尺寸、构件位置以及地震动空间变化特 征等，即使是最简单的结构形式也无法确定何种激励 会引起最大的响应。因此只能针对实际结构工程进行 具体分析。2 武汉站多点输入地震反应分析基本参数211方法和计算实现方法选用时程分析法、大质量法作为多点输入地震反 应分析的主要方法及具体实现方法。所谓“大质量方 法”就是在需要施加加速度边界条件的节点上附加大 质量，通过大质量与集中荷载的结合来实现加速度边作者简介:刘枫，硕士 ,Email

9、:liufeng。# 1994-2009 ChinaJcuina上.Icctronit： Publishing Huuife. All rigtilsreserved,wwta；.enki-ner第39卷第1期建筑结构2009年1月# 1994-2009 ChinaJcuina上.Icctronit： Publishing Huuife. All rigtilsreserved,wwta；.enki-ner界条件的施加。由于节点质量远大于结构的自重，大质量与集中力的结合将在需要的方向准确获得所需的 加速度。212考虑因素地震动空间变异性的本质就是相关性的降低。导 致相关性降低的原因在于：非均一

10、性效应、行波效应、 衰减效应和局部场地条件的影响。因建筑规模所限，衰减效应影响较小，通常情况下 不考虑。由于地震反应相干效应的模型目前尚不成 熟,在实际工程项目中较难选用，因此不考虑非均一性 效应。根据工程地震安全性评价报告，共提供场地工 程地震钻孔5个，从钻孔的剖面资料判断，工程场地的 地基土质比较均匀。另外，根据对15个场地地质详勘 钻孔的勘察，相邻钻孔基岩顶面无显著阶变高差变化。 因此不考虑局部场地条件的影响。综上所述,分析主要考虑行波效应。213计算模型武汉站完整计算模型规模庞大，节点总数为28 310 个,梁单元总数为75 329个，板壳单元总数为3 952个。 因此须在不影响计算效

11、果的情况下，对模型进行适当 简化。简化时以保证结构模态特性和总重力荷载代表 值不变为目标。分析主要关心的是多点输入对结构主骨架的影 响,其安全与否直接关系到整体结构的安全性和稳定 性，因此对主骨架部分不做简化。主要对网壳部分进 行简化,在保持其原有刚度的基础上，将双层网壳改为 单层网壳,去掉了交叉撑和上弦杆，并增大调整网壳杆 件截面。模型简化修改后，规模大大减小，节点总数为 7 750个，梁单元总数为14 841个，板壳单元总数为1 739 个，简化后的计算模型见图 3。简化模型同原计算模 型的模态特征基本一致。计算模型采用ANSYS软件建立。214计算参数的确定1）地震波:工程场地类别为n类

12、，在实际地震记录 中选用类似场地上的记录，选定日Centro波和Taft波。 对于人工波，根据安评报告选用50年超越概率为2% 的地震波一条。122）分析持续时间、步长及加速度峰值：根据模态分 析的结果，工程时程分析持续时间选择为 10s,时间步 长定为0102s。在进行强震地震反应分析时，考虑到抗 震规范对6度罕遇地震的峰值加速度没有明确规定 ， 根据安评报告峰值加速度为18314cmfn2。3）地震波传播速度的确定：在进行考虑行波效应 的多点输入时程地震反应分析时，通常假定地震波沿 地表面以一定的速度传播，各点波形不变，只是存在时 间的滞后，简称行波法。地震波传播速度也称视波速， 目前在实

13、际工程中的做法通常是在一定波速范围内取 常量视波速进行试算，采用包络的方法确定多点输入的影响。在确定常量视波速时，可以根据工程场地条件进 行估算，得到视波速的参考值。该场地地震属浅源地 震，其震源平均深度为10km;根据各钻孔的数据，将覆 盖层厚度取为100m是保守的数值。假定地震波在基 岩的传播速度为1 500mn，在上部覆盖土层传播速度近 似取为剪切波速，等效剪切波速约为300mn。以时间 延迟最大，即视波速最小为目标函数，得出地震波入射 角与时间延迟的关系曲线。可以推算，此时视波速约 为1 400mIS,这是多点分析选择的第一个视波速值。若 忽略地震波在基岩中传播的时间延迟，则采用等效剪

14、 切波速300mIS作为视波速，这是多点分析选择的第二 个视波速值。4）地震波传播方向和地震动输入方向：分析时为了判断结构的起振时间，必须确定地震波的传播方向； 在进行地震波输入时，还需确定地震动的输入方向。 地震波传播方向与地震动输入方向是相互独立的。考虑0 ,45和90三种地震波传播方向。对于每种地震 波传播方向，分别考虑两种地震动输入方向，即顺传播 方向和横传播方向。为了将结果同地震动单点输入的 结果进行比较，还需要进行同样方式的单点输入计算。具体确定的地震波传播方向及地震动输入方向如 图4所示，分析情况共计54种。3 多点输入地震反应分析结果以地震波波速1 400mn为例，介绍多点输入

15、地震 反应分析的主要计算结果。 以日Centro地震波沿结构 南北方向传播为例进行比较，其它地震波均有类似的 结论。“日_2（地震波传播方向）My2（地震波波速）”和 “日_2（地震波传播方向）Sy”分别表示，地震动主输入方 向为丫向情况下,El Centro地震波多、单点输入的计算 结果。311基底总剪力基底总剪力典型计算结果如图5（a）所示。从图中 可以看出，多点输入分析的计算结果与单点输入相比 1994-2009 China Aeadcnic Jounia Electronic Publishing Htjuye, All rights reserved, httpenki.nci有明显

16、的时滞效果，基底总剪力峰值出现的时间比单 点输入略迟。采用多点输入分析的基底总剪力小于单 点输入的,这是由于多点输入分析时各约束点输入的 非同步性造成的。EL20My21400和EL20Sy的丫向基底总 剪力最大值分别为125 048,161 931kN,比值为7712%。一般情况下，多点输入的非同步性将引起结构整 体平动反应的减小。312扭转效应将多点输入与单点输入情况下的扭转效应进行比 较，采用扭转角度来反映结构的扭转效应。选择轴(Y=0)上的一榀主骨架及其对应的站房和雨棚网壳，在其上选择站房网壳的两端节点 5012和5013,以及某 片雨棚结构的两端节点3240和7479,如图6所示。将

17、 这四个节点做为特征点，由于5012与5013的连线以及 3240与7479的连线在初始模型中平行于总体坐标系 的X方向，因此可以利用该连线与 X轴的夹角来分别 计算站房结构和雨棚结构的扭转角度，以此来分析结 构在多点输入下的扭转效应。站房结构、单片雨棚结构的扭转角度比较结果如 图5(b) ,(c) 所示;另外，比较地震动主输入方向为X向情况下侈点输入EL20Mx21400下和单点输入EL20Sx 下站房结构的扭转角度，结果如图5(d)所示。I工益*B-3樹0卜-匸甲-|II.-M.T.IR.n03rd -Ml d.-!曇 gLn-WL-W图4地震波传播方向及地震动输入方向对比图5(b) ,(

18、c)可知，对于站房结构，由于其尺度 较大,采用多点输入的扭转角度较单点输入的有明显 增大的趋势;而对于单片雨棚结构，由于其尺度有限, 采用多点输入的扭转角度较单点输入的仅有时滞效 果，扭转角度大小则基本不变。对比图5(b) ,(d)可知，当地震波沿结构南北方向 传播时,若地震波输入方向为丫向，即垂直于地震波传播方向，则采用多点输入的扭转角度较单点输入的 有明显的增大趋势；若地震波输入方向为X向,采用多点输入的扭转角度较单点输入的仅有时滞效果，但II11II I 2丄H 7韋 (a) F向基底总剪力M5fc-U Hi-0028-QQ14- now- -0-W*- 41J12K- -JIJHZ-

19、4UB6-EL啊I融乩争4IQ 11(b)站房结构扭转角度-airs-如工 II丨丨IiIIfl1JJ451sflio|IQOW-ooiro-单片雨拥结构机转角度5)站房结构执转帝度向)图5不同情况计算结果对比图6扭转角度分析特征点扭转角度大小变化不明显。此特性具有一般性，但并非一成不变，会因形式不同有一定差异。一般情况下，多点输入的非同步性将引起结构拟 静力反应以及扭转输入的增加；另一方面，多点输入的 非同步性将引起结构整体平动反应的减小。在这两方 面条件的综合作用下，结构的反应既可能增加，也可能 减小。313重要构件内力所谓超载单元是指多点输入与单点输入的构件内 力计算结果的比值超过110

20、的单元，这一比值称作超 载比。根据规范要求，构件内力是采用三条地震波时 程分析的平均结果进行计算的。将结构的主骨架构件分为如下几类：主拱、半拱、 半拱斜立柱、落地V形撑、其余V形撑、墩台和连梁。 将分析中最为重要的墩台构件分为两类，分别是轴Z , ,a墩台和轴S ,台。轴Z , , a墩台属于中间轴线的墩台，而轴s ,MD敦台属于边轴线的墩台。主拱、半拱和半拱斜立柱组成五大榀连续的结构 , 固定在墩台上，五大榀结构分别位于轴 s , Z , , a , E,它们通过V形撑支撑上部网壳。其中，轴主拱跨 度最大，为116m。在轴Z , , a中央网壳处，主拱、半 拱、半拱斜立柱之间设有水平连梁连接

21、这 3部分，水平 连梁同时支撑候车室楼板。V形撑是连接网壳和主拱、半拱的中间构件，其中直接落在墩台上的V形撑称 为落地V形撑，落在主拱和半拱上的V形撑统称为其 余V形撑。各组分类名称如图7所示。分析如下：1) 多点输入对于重要构件内力有比较普遍的影响。按对应构件进行统计时，对大部分构件而言，超载 单元比例超过60%。2）由于在进行时程分析时，通常是采用同类截面 的包络结果与其它荷载进行组合,因此对构件设计有 实质影响的调整系数是按照包络结果统计出来的。根 据包络统计结果，多点输入对下列分组影响较大：半拱 斜立柱组的部分截面、轴Z , , a墩台组的部分截面 及轴S , 敦台组的部分截面。例如对

22、于半拱斜立柱 组的矩形钢管混凝土截面3 100 X1 400 X40,构件弯矩 My和Mz的考虑多点输入的地震作用调整系数分别 为1114和1113;对于轴Z , , a墩台组的矩形钢管混 凝土截面3 100 X1 400 X40，构件弯矩 Mz的多点输入 调整系数为1108;对于轴S ,1敦台组的椭圆形混凝土 柱截面5 000 X5 000S 460 X3 930的下面一段，构件弯 矩的多点输入调整系数为1123。ii Mi 氐羸 Iiftl.图7重要构件分组3）相对来说，多点输入对构件弯矩的影响较大，对 构件轴力的影响较小。4）对于大部分分组，超载单元在平面分布上没有 规律。但是墩台构件是

23、受多点输入影响最直接的构件，其超载单元的分布有一定规律。无论轴Z , , a墩台组还是轴S , 敦台组，超载比较大的墩台构件均 位于中央站房区域；除上述区域外的雨篷区域超载比 则相对较小。这与扭转角度分析的结论基本一致。对于中央站房结构，其构件超载比较大有两个原 因，首先是由于其尺度较大，采用多点输入的扭转角度 较单点输入的有明显的增大趋势；其次,站房区域的主 拱和半拱之间还设置了连梁（图7）,因此该区域半拱 与主拱通过连梁连接在一起。而对于单片雨棚结构，由于其尺度有限，采用多点输入的扭转角度大小基本不变，则其构件超载比较小。5）根据各分组考虑多点输入的地震作用调整系 数,对所有构件进行了在多

24、点输入地震组合工况下的 截面验算，经计算全部构件均满足规范要求。4 不同波速下地震反应分析结果比较411基底总剪力由图5（a）对比不同视波速下，多点输入与单点输 入的基底总剪力。其中，吐23My2300基底总剪力最大 值为79 534kN,为单点输入情况的4911 %。可以看出， 视波速为300mn时的基底总剪力远小于视波速为 1 400mli时的。相对来说，视波速为1 400mli时，基底 总剪力波形与单点输入比较类似；而视波速为300mli 时，基底总剪力波形则与单点输入相差较大。可见，视 波速越小，多点输入的非同步性越强，则结果越偏离单 点输入的；反之，则结果越接近。此结论虽然具有一般

25、性，但是也并非一成不变。对于不同的结构形式，可能 会有一些差别。412扭转效应由图5（b） ,（c）对比不同视波速下，多点输入与单 点输入的扭转角度。对站房结构，视波速为300mli时，在1s内,站房扭转角度较1 400mli时有减小趋势， 这是由于地震波全面到达建筑物的速度减慢产生的时 滞效果;随着时间的推移，低视波速的扭转角度增大趋 势逐渐显现，视波速为300mn时的扭转角度远大于视 波速为1 400mH时的。可见，随着视波速减小，结构扭 转效应有增大趋势。对于单片雨棚结构，无论视波速 为300mH还是1 400mS,由于其尺度有限，采用多点输 入的扭转角度随波速降低仅有时滞效果出现，但扭

26、转 角度大小则基本不变。413重要构件内力将不同视波速下多点输入与单点输入的重要构件 内力计算结果进行比较（表1），可以得出以下结论。1）按对应构件统计，视波速为1 400mIS时，多点输 入对于构件的影响范围比视波速为 300mIS时更为普 遍。相对来说，视波速为1 400mIS时，超载单元个数多，不同视波速重要构件超载情况统计（部分结果）表1地震视波速mn1400300截面编号内力 类别按对应构件按包络按对应构件按包络组别最大 超载比超载单 元个数多单 系数最大 超载比超载单 元个数多单 系数主拱26M1126491.061.43100.95半拱50My1.1441.141.4461.36

27、斜立柱Mz1.1371.131.3030.89轴Z,50My1.0541.041.1541.12a墩台Mz1.0841.081.4951.22轴s, M)35M1.1621.161.3121.31墩台41M1.15141.041.0610.92但最大超载比值小；而视波速为300mn时,超载单元 个数少,但最大超载比值大。2) 根据包络统计结果，多点输入对下列分组的影 响较大：半拱斜立柱组的部分截面、轴Z , , a墩台组 的部分截面及轴S , 墩台组的部分截面。这些构件 的内力结果有些由1 400mn控制，有些则是由300mn 控制，相对来说，以由3oomn控制的居多。因此，尚无 法得出视波速

28、越小，结构的地震反应就越小的结论。5 结论1) 由于多点输入分析时各约束点输入的非同步 性，采用多点输入分析的基底总剪力小于单点输入的。 一般来说,视波速越小，结果越偏离单点输入的计算结 果。2) 对于站房结构，由于其尺度较大，采用多点输入 的扭转角度较单点输入的有明显的增大趋势；而对于 单片雨棚结构，由于其尺度有限，采用多点输入的扭转 角度较单点输入的仅有时滞效果，但扭转角度大小则 基本不变。一般来说，随视波速减小，扭转效应有增大 趋势。3) 一般情况下，多点输入的非同步性将引起结构 拟静力反应以及扭转输入的增加；另一方面，多点输入 的非同步性将引起结构整体平动反应的减小。在这两方面条件的综

29、合作用下，结构的反应既可能增加，也可 能减小。因此,结构反应随视波速的变化不具有单调 性。4) 多点输入对构件内力有一定的影响。比较而言，对构件弯矩影响较大，对构件轴力影响较小。但由 于整个结构总体地震反应较小，因此对结构设计的实 际影响有限。5) 对于文中所考虑的大部分分组，构件内力由多 点输入控制的单元在平面分布上没有明显的规律。但是墩台构件是受多点输入影响最直接的构件，其超载 单元的分布有一定规律。多点影响系数较大的墩台构 件均位于中央站房区域。6) 根据各分组的考虑多点输入的地震作用调整系 数,对所有构件进行了在多点输入地震组合工况下的 截面验算，经计算全部构件均满足规范要求。由于工

30、程地处6度设防区，其地震作用相对较小，而该结构的 恒载、风荷载、温度作用则相对较大，因此构件设计由 静荷载控制；在大震作用下，构件均处于弹性状态。不 必要因为考虑了多点输入，而采取特殊的构造措施。参 考 文 献1 刘枫,肖从真,徐自国,等.首都机场3号航站楼多维多点输入 时程地震反应分析J.建筑结构学报,2006,10(5).2 BOGDANOFFJ L ,GOLDBERGJ E,SCHIFFAJ. Theeffectof ground transmissiontimeon the responseof long structuresJ. Bull SeismSoc Am ,1965,55(1

31、).3 潘旦光，楼梦麟，范立础.多点输入下大跨度结构地震反应分析研究现状J .同济大学学报,2001 ,29(10).4 林家浩，张亚辉，赵岩.大跨度结构抗震分析方法及近期进展J .力学进展,2001,31(3).5 胡世德，范立础.江阴长江公路大桥纵向地震反应分析J .同济大学学报,1994,22(4).6 赵鹏飞，潘国华，汤荣伟，等.武汉火车站复杂大型钢结构体系研究J.建筑结构,2009,39(1).15 19920(9 China Academic Jouma Electronic PublishingA1 rights reserved, http:www.enki# 19920(9 China Academic Jouma Elect