1、第39卷第1期建筑結構2009年1月武漢火車站多點輸入地震反應時程分析劉楓1,杜義欣，趙鵬飛，潘國華I陶勇2,湯榮偉，顏峰1（1中國建筑科學研究院，北京100013; 2中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063）摘要武漢火車站支撐結構東西向長度為 258m(屋蓋長度約300m),南北向長度為476m,南北向超長。對武漢站 采用時程分析法，進行了考慮行波效應的多點輸入地震反應分析。對多點輸入與單點輸入情況下的基底總剪力、扭轉效應以及重要構件內力均進行了比較，討論了不同視波速度對分析結果的影響 。針對不同類型構件，給岀了考慮多點輸入影響的地震作用效應調整系數，并對這些構件進行了在多點輸入地

2、震組合工況下的截面驗算，計算結果表明全部構件均滿足規范要求，不必要因多點輸入而采取特殊的構造措施。關鍵詞多點輸入；地震反應；時程分析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期建筑結構2009年1月1 工程概況武漢火車站總建筑面積355 391m2,結構可分為站 房結構和雨棚結構，屋蓋總建筑面積約15萬m2。雨棚 結構可以看作是特殊的拱（梁）2殼組合體系。各片雨 棚的屋面結構完全脫開，雨棚的支撐結構僅

7、在柱腳處 共用墩臺，通過半拱斜立柱的柱腳和半拱拱腳部位連 接（圖1）;中央站房屋面結構也可以看作特殊的拱 （梁）2殼組合體系，包括主拱及其外側一跨的半拱所覆 蓋的范圍，這兩部分之間通過半拱拱腳和主拱拱腳部 位在共用墩臺處連接，另外在主拱和半拱之間還設置 了連梁（圖2）。而雨棚與中央站房結構相對獨立，雨棚結構與中央站房結構同樣共用墩臺，通過半拱斜立柱的柱腳和半拱拱腳部位連接。工程雖地處6度抗震設防區，但體量大，結構復 雜，南北向長度已超過超限高層建筑工程抗震設防專 項審查技術要點對超長結構的定義（400m）。該要點 指出超長結構應有多點地震輸入的分析比較。而現有 研究成果對多點輸入對結構的影響還

8、沒有普遍性的定 論。單點地震動激勵下的結構響應是高于或是低于空 間相關地震動（多點輸入）激勵，取決于結構的動力特圖1雨棚之間連接示意圖2雨棚和中央站房間連接示意性、截面形狀與尺寸、構件位置以及地震動空間變化特 征等，即使是最簡單的結構形式也無法確定何種激勵 會引起最大的響應。因此只能針對實際結構工程進行 具體分析。2 武漢站多點輸入地震反應分析基本參數211方法和計算實現方法選用時程分析法、大質量法作為多點輸入地震反 應分析的主要方法及具體實現方法。所謂“大質量方 法”就是在需要施加加速度邊界條件的節點上附加大 質量，通過大質量與集中荷載的結合來實現加速度邊作者簡介:劉楓，碩士 ,Email

9、:liufeng。# 1994-2009 ChinaJcuina上.Icctronit： Publishing Huuife. All rigtilsreserved,wwta；.enki-ner第39卷第1期建筑結構2009年1月# 1994-2009 ChinaJcuina上.Icctronit： Publishing Huuife. All rigtilsreserved,wwta；.enki-ner界條件的施加。由于節點質量遠大于結構的自重，大質量與集中力的結合將在需要的方向準確獲得所需的 加速度。212考慮因素地震動空間變異性的本質就是相關性的降低。導 致相關性降低的原因在于：非均一

10、性效應、行波效應、 衰減效應和局部場地條件的影響。因建筑規模所限，衰減效應影響較小，通常情況下 不考慮。由于地震反應相干效應的模型目前尚不成 熟,在實際工程項目中較難選用，因此不考慮非均一性 效應。根據工程地震安全性評價報告，共提供場地工 程地震鉆孔5個，從鉆孔的剖面資料判斷，工程場地的 地基土質比較均勻。另外，根據對15個場地地質詳勘 鉆孔的勘察，相鄰鉆孔基巖頂面無顯著階變高差變化。 因此不考慮局部場地條件的影響。綜上所述,分析主要考慮行波效應。213計算模型武漢站完整計算模型規模龐大，節點總數為28 310 個,梁單元總數為75 329個，板殼單元總數為3 952個。 因此須在不影響計算效

11、果的情況下，對模型進行適當 簡化。簡化時以保證結構模態特性和總重力荷載代表 值不變為目標。分析主要關心的是多點輸入對結構主骨架的影 響,其安全與否直接關系到整體結構的安全性和穩定 性，因此對主骨架部分不做簡化。主要對網殼部分進 行簡化,在保持其原有剛度的基礎上，將雙層網殼改為 單層網殼,去掉了交叉撐和上弦桿，并增大調整網殼桿 件截面。模型簡化修改后，規模大大減小，節點總數為 7 750個，梁單元總數為14 841個，板殼單元總數為1 739 個，簡化后的計算模型見圖 3。簡化模型同原計算模 型的模態特征基本一致。計算模型采用ANSYS軟件建立。214計算參數的確定1）地震波:工程場地類別為n類

12、，在實際地震記錄 中選用類似場地上的記錄，選定日Centro波和Taft波。 對于人工波，根據安評報告選用50年超越概率為2% 的地震波一條。122）分析持續時間、步長及加速度峰值：根據模態分 析的結果，工程時程分析持續時間選擇為 10s,時間步 長定為0102s。在進行強震地震反應分析時，考慮到抗 震規范對6度罕遇地震的峰值加速度沒有明確規定 ， 根據安評報告峰值加速度為18314cmfn2。3）地震波傳播速度的確定：在進行考慮行波效應 的多點輸入時程地震反應分析時，通常假定地震波沿 地表面以一定的速度傳播，各點波形不變，只是存在時 間的滯后，簡稱行波法。地震波傳播速度也稱視波速， 目前在實

13、際工程中的做法通常是在一定波速范圍內取 常量視波速進行試算，采用包絡的方法確定多點輸入的影響。在確定常量視波速時，可以根據工程場地條件進 行估算，得到視波速的參考值。該場地地震屬淺源地 震，其震源平均深度為10km;根據各鉆孔的數據，將覆 蓋層厚度取為100m是保守的數值。假定地震波在基 巖的傳播速度為1 500mn，在上部覆蓋土層傳播速度近 似取為剪切波速，等效剪切波速約為300mn。以時間 延遲最大，即視波速最小為目標函數，得出地震波入射 角與時間延遲的關系曲線?？梢酝扑?，此時視波速約 為1 400mIS,這是多點分析選擇的第一個視波速值。若 忽略地震波在基巖中傳播的時間延遲，則采用等效剪

14、 切波速300mIS作為視波速，這是多點分析選擇的第二 個視波速值。4）地震波傳播方向和地震動輸入方向：分析時為了判斷結構的起振時間，必須確定地震波的傳播方向； 在進行地震波輸入時，還需確定地震動的輸入方向。 地震波傳播方向與地震動輸入方向是相互獨立的?？紤]0 ,45和90三種地震波傳播方向。對于每種地震 波傳播方向，分別考慮兩種地震動輸入方向，即順傳播 方向和橫傳播方向。為了將結果同地震動單點輸入的 結果進行比較，還需要進行同樣方式的單點輸入計算。具體確定的地震波傳播方向及地震動輸入方向如 圖4所示，分析情況共計54種。3 多點輸入地震反應分析結果以地震波波速1 400mn為例，介紹多點輸入

15、地震 反應分析的主要計算結果。 以日Centro地震波沿結構 南北方向傳播為例進行比較，其它地震波均有類似的 結論?！叭誣2（地震波傳播方向）My2（地震波波速）”和 “日_2（地震波傳播方向）Sy”分別表示，地震動主輸入方 向為丫向情況下,El Centro地震波多、單點輸入的計算 結果。311基底總剪力基底總剪力典型計算結果如圖5（a）所示。從圖中 可以看出，多點輸入分析的計算結果與單點輸入相比 1994-2009 China Aeadcnic Jounia Electronic Publishing Htjuye, All rights reserved, httpenki.nci有明顯

16、的時滯效果，基底總剪力峰值出現的時間比單 點輸入略遲。采用多點輸入分析的基底總剪力小于單 點輸入的,這是由于多點輸入分析時各約束點輸入的 非同步性造成的。EL20My21400和EL20Sy的丫向基底總 剪力最大值分別為125 048,161 931kN,比值為7712%。一般情況下，多點輸入的非同步性將引起結構整 體平動反應的減小。312扭轉效應將多點輸入與單點輸入情況下的扭轉效應進行比 較，采用扭轉角度來反映結構的扭轉效應。選擇軸(Y=0)上的一榀主骨架及其對應的站房和雨棚網殼，在其上選擇站房網殼的兩端節點 5012和5013,以及某 片雨棚結構的兩端節點3240和7479,如圖6所示。將

17、 這四個節點做為特征點，由于5012與5013的連線以及 3240與7479的連線在初始模型中平行于總體坐標系 的X方向，因此可以利用該連線與 X軸的夾角來分別 計算站房結構和雨棚結構的扭轉角度，以此來分析結 構在多點輸入下的扭轉效應。站房結構、單片雨棚結構的扭轉角度比較結果如 圖5(b) ,(c) 所示;另外，比較地震動主輸入方向為X向情況下侈點輸入EL20Mx21400下和單點輸入EL20Sx 下站房結構的扭轉角度，結果如圖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圖4地震波傳播方向及地震動輸入方向對比圖5(b) ,(

18、c)可知，對于站房結構，由于其尺度 較大,采用多點輸入的扭轉角度較單點輸入的有明顯 增大的趨勢;而對于單片雨棚結構，由于其尺度有限, 采用多點輸入的扭轉角度較單點輸入的僅有時滯效 果，扭轉角度大小則基本不變。對比圖5(b) ,(d)可知，當地震波沿結構南北方向 傳播時,若地震波輸入方向為丫向，即垂直于地震波傳播方向，則采用多點輸入的扭轉角度較單點輸入的 有明顯的增大趨勢；若地震波輸入方向為X向,采用多點輸入的扭轉角度較單點輸入的僅有時滯效果，但II11II I 2丄H 7韋 (a) F向基底總剪力M5fc-U Hi-0028-QQ14- now- -0-W*- 41J12K- -JIJHZ-

19、4UB6-EL啊I融乩爭4IQ 11(b)站房結構扭轉角度-airs-如工 II丨丨IiIIfl1JJ451sflio|IQOW-ooiro-單片雨擁結構機轉角度5)站房結構執轉帝度向)圖5不同情況計算結果對比圖6扭轉角度分析特征點扭轉角度大小變化不明顯。此特性具有一般性，但并非一成不變，會因形式不同有一定差異。一般情況下，多點輸入的非同步性將引起結構擬 靜力反應以及扭轉輸入的增加；另一方面，多點輸入的 非同步性將引起結構整體平動反應的減小。在這兩方 面條件的綜合作用下，結構的反應既可能增加，也可能 減小。313重要構件內力所謂超載單元是指多點輸入與單點輸入的構件內 力計算結果的比值超過110

20、的單元，這一比值稱作超 載比。根據規范要求，構件內力是采用三條地震波時 程分析的平均結果進行計算的。將結構的主骨架構件分為如下幾類：主拱、半拱、 半拱斜立柱、落地V形撐、其余V形撐、墩臺和連梁。 將分析中最為重要的墩臺構件分為兩類，分別是軸Z , ,a墩臺和軸S ,臺。軸Z , , a墩臺屬于中間軸線的墩臺，而軸s ,MD敦臺屬于邊軸線的墩臺。主拱、半拱和半拱斜立柱組成五大榀連續的結構 , 固定在墩臺上，五大榀結構分別位于軸 s , Z , , a , E,它們通過V形撐支撐上部網殼。其中，軸主拱跨 度最大，為116m。在軸Z , , a中央網殼處，主拱、半 拱、半拱斜立柱之間設有水平連梁連接

21、這 3部分，水平 連梁同時支撐候車室樓板。V形撐是連接網殼和主拱、半拱的中間構件，其中直接落在墩臺上的V形撐稱 為落地V形撐，落在主拱和半拱上的V形撐統稱為其 余V形撐。各組分類名稱如圖7所示。分析如下：1) 多點輸入對于重要構件內力有比較普遍的影響。按對應構件進行統計時，對大部分構件而言，超載 單元比例超過60%。2）由于在進行時程分析時，通常是采用同類截面 的包絡結果與其它荷載進行組合,因此對構件設計有 實質影響的調整系數是按照包絡結果統計出來的。根 據包絡統計結果，多點輸入對下列分組影響較大：半拱 斜立柱組的部分截面、軸Z , , a墩臺組的部分截面 及軸S , 敦臺組的部分截面。例如對

22、于半拱斜立柱 組的矩形鋼管混凝土截面3 100 X1 400 X40,構件彎矩 My和Mz的考慮多點輸入的地震作用調整系數分別 為1114和1113;對于軸Z , , a墩臺組的矩形鋼管混 凝土截面3 100 X1 400 X40，構件彎矩 Mz的多點輸入 調整系數為1108;對于軸S ,1敦臺組的橢圓形混凝土 柱截面5 000 X5 000S 460 X3 930的下面一段，構件彎 矩的多點輸入調整系數為1123。ii Mi 氐羸 Iiftl.圖7重要構件分組3）相對來說，多點輸入對構件彎矩的影響較大，對 構件軸力的影響較小。4）對于大部分分組，超載單元在平面分布上沒有 規律。但是墩臺構件是

23、受多點輸入影響最直接的構件，其超載單元的分布有一定規律。無論軸Z , , a墩臺組還是軸S , 敦臺組，超載比較大的墩臺構件均 位于中央站房區域；除上述區域外的雨篷區域超載比 則相對較小。這與扭轉角度分析的結論基本一致。對于中央站房結構，其構件超載比較大有兩個原 因，首先是由于其尺度較大，采用多點輸入的扭轉角度 較單點輸入的有明顯的增大趨勢；其次,站房區域的主 拱和半拱之間還設置了連梁（圖7）,因此該區域半拱 與主拱通過連梁連接在一起。而對于單片雨棚結構，由于其尺度有限，采用多點輸入的扭轉角度大小基本不變，則其構件超載比較小。5）根據各分組考慮多點輸入的地震作用調整系 數,對所有構件進行了在多

24、點輸入地震組合工況下的 截面驗算，經計算全部構件均滿足規范要求。4 不同波速下地震反應分析結果比較411基底總剪力由圖5（a）對比不同視波速下，多點輸入與單點輸 入的基底總剪力。其中，吐23My2300基底總剪力最大 值為79 534kN,為單點輸入情況的4911 %。可以看出， 視波速為300mn時的基底總剪力遠小于視波速為 1 400mli時的。相對來說，視波速為1 400mli時，基底 總剪力波形與單點輸入比較類似；而視波速為300mli 時，基底總剪力波形則與單點輸入相差較大。可見，視 波速越小，多點輸入的非同步性越強，則結果越偏離單 點輸入的；反之，則結果越接近。此結論雖然具有一般

25、性，但是也并非一成不變。對于不同的結構形式，可能 會有一些差別。412扭轉效應由圖5（b） ,（c）對比不同視波速下，多點輸入與單 點輸入的扭轉角度。對站房結構，視波速為300mli時，在1s內,站房扭轉角度較1 400mli時有減小趨勢， 這是由于地震波全面到達建筑物的速度減慢產生的時 滯效果;隨著時間的推移，低視波速的扭轉角度增大趨 勢逐漸顯現，視波速為300mn時的扭轉角度遠大于視 波速為1 400mH時的?？梢?，隨著視波速減小，結構扭 轉效應有增大趨勢。對于單片雨棚結構，無論視波速 為300mH還是1 400mS,由于其尺度有限，采用多點輸 入的扭轉角度隨波速降低僅有時滯效果出現，但扭

26、轉 角度大小則基本不變。413重要構件內力將不同視波速下多點輸入與單點輸入的重要構件 內力計算結果進行比較（表1），可以得出以下結論。1）按對應構件統計，視波速為1 400mIS時，多點輸 入對于構件的影響范圍比視波速為 300mIS時更為普 遍。相對來說，視波速為1 400mIS時，超載單元個數多，不同視波速重要構件超載情況統計（部分結果）表1地震視波速mn1400300截面編號內力 類別按對應構件按包絡按對應構件按包絡組別最大 超載比超載單 元個數多單 系數最大 超載比超載單 元個數多單 系數主拱26M1126491.061.43100.95半拱50My1.1441.141.4461.36

27、斜立柱Mz1.1371.131.3030.89軸Z,50My1.0541.041.1541.12a墩臺Mz1.0841.081.4951.22軸s, M)35M1.1621.161.3121.31墩臺41M1.15141.041.0610.92但最大超載比值??；而視波速為300mn時,超載單元 個數少,但最大超載比值大。2) 根據包絡統計結果，多點輸入對下列分組的影 響較大：半拱斜立柱組的部分截面、軸Z , , a墩臺組 的部分截面及軸S , 墩臺組的部分截面。這些構件 的內力結果有些由1 400mn控制，有些則是由300mn 控制，相對來說，以由3oomn控制的居多。因此，尚無 法得出視波速

28、越小，結構的地震反應就越小的結論。5 結論1) 由于多點輸入分析時各約束點輸入的非同步 性，采用多點輸入分析的基底總剪力小于單點輸入的。 一般來說,視波速越小，結果越偏離單點輸入的計算結 果。2) 對于站房結構，由于其尺度較大，采用多點輸入 的扭轉角度較單點輸入的有明顯的增大趨勢；而對于 單片雨棚結構，由于其尺度有限，采用多點輸入的扭轉 角度較單點輸入的僅有時滯效果，但扭轉角度大小則 基本不變。一般來說，隨視波速減小，扭轉效應有增大 趨勢。3) 一般情況下，多點輸入的非同步性將引起結構 擬靜力反應以及扭轉輸入的增加；另一方面，多點輸入 的非同步性將引起結構整體平動反應的減小。在這兩方面條件的綜

29、合作用下，結構的反應既可能增加，也可 能減小。因此,結構反應隨視波速的變化不具有單調 性。4) 多點輸入對構件內力有一定的影響。比較而言，對構件彎矩影響較大，對構件軸力影響較小。但由 于整個結構總體地震反應較小，因此對結構設計的實 際影響有限。5) 對于文中所考慮的大部分分組，構件內力由多 點輸入控制的單元在平面分布上沒有明顯的規律。但是墩臺構件是受多點輸入影響最直接的構件，其超載 單元的分布有一定規律。多點影響系數較大的墩臺構 件均位于中央站房區域。6) 根據各分組的考慮多點輸入的地震作用調整系 數,對所有構件進行了在多點輸入地震組合工況下的 截面驗算，經計算全部構件均滿足規范要求。由于工

30、程地處6度設防區，其地震作用相對較小，而該結構的 恒載、風荷載、溫度作用則相對較大，因此構件設計由 靜荷載控制；在大震作用下，構件均處于彈性狀態。不 必要因為考慮了多點輸入，而采取特殊的構造措施。參 考 文 獻1 劉楓,肖從真,徐自國,等.首都機場3號航站樓多維多點輸入 時程地震反應分析J.建筑結構學報,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，樓夢麟，范立礎.多點輸入下大跨度結構地震反應分析研究現狀J .同濟大學學報,2001 ,29(10).4 林家浩，張亞輝，趙巖.大跨度結構抗震分析方法及近期進展J .力學進展,2001,31(3).5 胡世德，范立礎.江陰長江公路大橋縱向地震反應分析J .同濟大學學報,1994,22(4).6 趙鵬飛，潘國華，湯榮偉，等.武漢火車站復雜大型鋼結構體系研究J.建筑結構,2009,39(1).15 19920(9 China Academic Jouma Electronic PublishingA1 rights reserved, http:www.enki# 19920(9 China Academic Jouma Elect