火车站上下结构相互作用对钢屋盖抗震性能的影响？
火车站由东、西站房和位于其上的马鞍形屋顶组成(见图1)。站房为钢筋混凝土框架剪力墙结构，地上三层，高度21.6m，站台上方为马鞍形钢屋盖。东西向跨度为96m-114m，南北向长度为152.5m，总高度为40.5m，采用双层网壳结构，最厚处为5m，最薄处为2.5m，为支撑屋面，在屋面两侧设置6道钢筋混凝土剪力墙。从传力路径和受力方式来看，这种结构的屋盖具有明显的拱形结构力学特征，单从造型来看，还具有网壳结构的几何特征。
2.结构计算模型和地震动参数
整体计算模型包括屋顶大跨度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座的约束条件，分析了该结构的地震反应。具体电脑型号如下:
1)整体计算模型，钢结构与下部混凝土结构铰接。
2)整体结构的计算模型，其中钢结构和下部混凝土结构在屋盖跨度方向用刚度k=20000KN/m的滑动支座连接，其他两个方向受约束。
3)只有钢屋盖结构的计算模型，钢屋盖通过与下部混凝土结构刚度相当的弹簧与地面连接。
4)只有钢屋盖结构的计算模型，钢屋盖与地面铰接。
3.结构的固有振动特性和整体刚度
结构的振型和固有频率计算结果见图2和表1。本文只列出了结构的前三阶振型，不同计算模型的前六阶振型为屋面钢结构的自振，下层混凝土结构的振型出现在模型1和模型2的第七阶。1-4型结构的第一阶固有频率之比为1:0.70:1:1.12。
结构固有频率表1
分析表明:
(1)模型1的一阶固有频率比模型2高30%。在上下连接处使用滑动支座可以有效降低整个结构的刚度。
(2)模型1的固有频率与模型3相似，说明将下部混凝土结构模拟为等刚度弹簧支座的模型3的刚度与模型1相似。同时第七种模式也有区别，这是由于1型第七种模式有下层混凝土参与造成的。
(3)模型4的1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刚度大于整体沉降模型。
进一步分析表明，下层混凝土结构的刚度远大于上层钢结构，下层混凝土结构与屋面钢结构以及下层混凝土的连接方式对结构的整体刚度影响很大。
4.小震下的反应谱分析。
考虑结构恒载和0.5倍活载，结构阻尼比取0.02，仅考虑单向地震作用，分析结构的小震反应谱。计算结构的地震剪力和屋顶顶点的位移(见图1)。计算结果见表2:
表2小震下结构主要力学性能对比
分析表明:
(1)模型1~模型4的顶板X向地震剪力之比为1: 0.79: 0.70: 0.71，Y向地震剪力之比为1: 0.77: 0.58: 0.68，可见上下是连在一起的。模型3和模型4得到的顶板地震剪力小于考虑整个模型(模型1)计算的地震剪力。
(2)对比模型1与模型2的地震剪力，模型2的总剪力在X向地震下减少了2000KN，在Y向地震下减少了3400KN。从表中可以看出，钢屋盖结构只吸收了一小部分地震力，大部分地震剪力由下部混凝土结构承担。因此，采用模型2将大大降低下层混凝土结构所承受的地震力，对下层混凝土结构有利。
(3)模型1~模型4在X向地震作用下的屋面位移比为1:1.21:0.78:0.77，在X向地震作用下的位移比为1: 1.14: 0.77。采用滑动支座连接上下部时，地震作用下结构位移会增加20%左右，模型3和模型4的计算结果小于模型1。
进一步分析表明，无论是下部混凝土结构用等刚度弹簧代替的模型3，还是上部钢结构直接与地面铰接的模型4，计算结果都远小于实际情况，这对结构设计都是不安全的。造成这种现象的原因是，当下层混凝土结构与屋面结构通过支座连接成一个整体时，屋面结构本身具有较强的抗侧刚度，从而分散了下层混凝土结构的地震作用。这和高层建筑结构在地震下被放大的“鞭梢效应”是一样的。屋顶钢结构的抗震设计必须考虑上下结构共同工作的影响。
当上部结构和下部结构通过滑动支座连接时，上部钢结构和下部混凝土结构拉索承受的地震剪力有一定程度的降低，结构的位移有小幅度的增加。模型2在地震作用下的最大位移为9.39mm，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。
5.结论
(1)考虑下部混凝土结构的作用，改变混凝土与钢结构的连接刚度，会对整体结构刚度产生一定的影响。仅考虑上部钢结构的计算模型的刚度大于整体结构模型的刚度，通过滑动支座连接上下结构的模型的刚度小于上下结构铰接结构的刚度。
(2)与只考虑上部钢结构的模型相比，当上部结构和下部结构共同工作时，屋盖的总水平剪力和顶点位移显著增加。这类似于高层建筑结构在地震作用下被放大的“鞭梢效应”，所以在屋面钢结构的抗震设计中必须考虑上下结构共同工作的影响，采用只考虑上部钢结构的简化计算模型是不安全的。
(3)上下部结构连接处的约束刚度对屋面结构和下部混凝土结构的地震反应和安全性能影响很大。上下结构通过滑动支座连接，地震作用下上部结构位移增加约22%，在规范要求范围内。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15%。因此，对于这种结构，采用部分释放约束的滑动支座可以有效地耗能减震，有利于下部混凝土的设计，有效提高上部钢结构的抗震安全性能。
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