1.
项目概况
火车站由东、西站房和位于其上的马鞍形屋顶组成（见图1）。站房结构为钢筋混凝土框架剪力墙结构，地上三层，高21.6m。平台上方为马鞍形钢结构屋顶。东西向跨度96m-114m，南北向长度152.5m，总高度40.5m。采用双层网壳结构，最厚处5m，最薄处2.5m。为了支撑屋顶，屋顶两侧安装了六个钢筋混凝土剪力墙。从受力路径和受力方式来看，结构顶板具有明显的拱结构受力特征。仅从形状上看，它还具有网壳结构的几何特征。
由于该复杂结构体系技术难度高、工作量大，一般在进行结构分析时，较少考虑上下结构的共同作用，未能体现下部混凝土约束刚度的影响、上部钢结构与混凝土结构连接支撑的结构分析。大跨度钢结构受力状态及安全性能的影响本文进一步对工程进行分析，考虑地震作用下上下结构共同作用对屋面钢结构的影响，确保结构安全，并总结规则，为其他类似工程提供参考[1-2]。
图1 整体结构计算模型
2.
结构计算模型及地震动参数
整体计算模型包括屋顶大跨钢结构和下部混凝土结构。本文通过改变上部钢结构与下部混凝土连接支撑的约束条件来分析结构的地震反应。具体电脑型号如下：
整体计算模型，钢结构铰接下部混凝土结构
整体结构计算模型。钢结构与下部混凝土结构在屋面跨度方向上采用刚度k=20000KN/m的滑动支座连接，其余两个方向均受约束。
仅屋顶钢结构的计算模型。钢屋顶和地面通过弹簧连接，其刚度相当于下部混凝土结构的刚度。
只有屋顶钢结构的计算模型，钢屋顶铰接于地面。
3.
结构的自振特性和整体刚度
结构各阶振型和固有频率的计算结果如图2和表1所示。本文仅列出了结构的前3种振型。不同计算模型中结构的前6种振动模态均为屋面钢结构的自振。模型1和模型2的下部混凝土结构的振动为七阶。类型。模型1-4结构的一阶固有频率之比为1:0.70:1:1.12。
图2 结构各阶振动振型及固有频率
结构固有频率表1
分析表明：
模型1的一阶固有频率比模型2高30%。上下连接处采用滑动轴承，可以有效降低整体结构的刚度。
模型1和模型3各阶固有频率相似钢结构屋盖支撑的作用有哪些，说明模型3将下部混凝土结构模拟为等刚度的弹簧支座，其刚度与模型1相似。同时，模型3的刚度与模型1相似。发生在七阶振型处，这是模型1的七阶振型中下部混凝土参与所致。
模型4的一阶固有频率比模型1高12%，说明仅考虑上部钢结构与地面铰接的计算模型的刚度大于整体沉降模型。
进一步分析表明，对于该结构，下部混凝土结构的刚度远大于上部钢结构的刚度。同时，下部混凝土结构与屋面钢结构与下部混凝土的连接对结构的整体刚度影响很大。
4.
小地震作用下的反应谱分析
考虑结构的恒荷载和0.5倍活荷载，结构阻尼比设定为0.02，仅采取单向地震作用，并对结构进行小震反应谱分析。计算结构的地震剪力和屋顶顶点位移（见图1）。计算结果如表2所示：
小震作用下结构主要受力性能对比表2
分析表明：
模型1～4顶板X向地震剪力比为1：0.79：0.70：0.71，Y向地震剪力比为1：0.77：0.58：0.68。可见，上下部分采用滑动轴承连接，可减少地震剪力20%左右，有利于构件的安全。模型3和模型4得到的顶板地震剪力小于考虑整体模型（模型1）的计算结果。
比较模型1和模型2整体结构的地震剪力，模型2在X向地震下总剪力比模型减少了2000KN，在Y向地震下总剪力比模型减少了3400KN 1、从表中可以看出，屋面钢结构仅吸收一小部分地震力，大部分地震剪力由底层混凝土结构承受。因此，采用模型2将大大减少下部混凝土结构所承受的地震力，对下部混凝土结构有利。
模型1～4顶板顶点X向地震位移比为1：1.21：0.78：0.77，X向地震位移比为1：1.14：0.74：0.72。当采用滑动支座连接上下部分时，地震作用下结构位移将增加20%左右。同时模型3和模型4的计算结果均小于模型1。
进一步分析表明钢结构屋盖支撑的作用有哪些，无论是用弹簧等刚度代替下部混凝土结构的模型3，还是将上部钢结构直接铰接到地面的模型4，计算结果都远远小于实际情况，即对于结构设计来说不安全。造成这种现象的原因是，当下部混凝土结构与屋盖结构通过支撑连接成整体时，屋盖结构本身具有较强的侧向刚度，从而分散了下部混凝土结构的地震作用。这与高层建筑结构因地震而放大的“鞭尖效应”相同。屋面钢结构的抗震设计必须考虑上下结构共同作用的影响。
当上下结构采用滑动支座连接时，上部钢结构和下部混凝土结构拉索的地震剪力有一定程度的减小，结构的位移略有增加。模型2在地震作用下的最大位移为9.39 mm，小于规范要求的h/300=40.5m/300=13.5mm，因此采用模型2有利于结构的抗震性能。
5.
综上所述
考虑下部混凝土结构的作用，改变混凝土与钢结构之间的连接刚度，会对整体结构的刚度产生一定的影响。只考虑上部钢结构的计算模型的刚度大于考虑整体结构的模型的刚度。上下结构通过滑动轴承。连接的模型刚度小于上下结构铰接结构的刚度。
与仅考虑上部钢结构的模型相比，当考虑上下结构共同作用的影响时，顶板的总地震水平剪力和顶点位移显着增加。这与高层建筑结构在地震作用下被放大的“鞭尖效应”相同。因此，在进行屋面钢结构抗震设计时，必须考虑上下结构共同作用的影响，必须采用仅考虑上部钢结构的简化计算模型。该设计不安全。
上下结构连接节点的约束刚度对屋盖结构和下部混凝土结构的地震反应和安全性能影响较大。上下结构通过滑动轴承连接。上部结构地震位移增加约22%，在规范要求之内。同时，上部钢结构的地震剪力降低约20%，下部混凝土结构吸收的地震剪力降低约22%。缩小 15%。因此，对于该结构，采用部分释放约束滑动支座可以有效耗散能量、减少震动，有利于下部混凝土设计，同时有效提高上部钢结构的抗震安全性能。
参考
[1]曹子，薛苏铎．地震理论与空间结构设计[M]．北京：科学出版社。 2005．
[2] 张永军，陈丹，刘五华。宁夏花尔艺术馆钢结构与混凝土结构配合工作分析研究[J]，宁夏工程技术2010(3)：253-258
