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基于有限元与实测的太原火车南站无站台柱雨棚受力性能剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

太原火车南站作为山西省重要的交通枢纽，处于郑太客专、石太客专、大西高铁、太中线四线交汇处，是集高速、普通铁路以及公交、出租、轨道交通等市政交通设施为一体的区域性综合交通枢纽。其承担着巨大的人流、货流和物流运输任务，在区域交通网络中占据着关键地位。据统计，太原南站设计年发送旅客量可达4000万人次以上，如此庞大的客流量对车站的各项设施提出了极高的要求。

无站台柱雨棚作为太原火车南站的重要组成部分，为旅客提供了遮蔽风雨、遮阳挡晒的空间，极大地提升了旅客的出行体验。其设计摒弃了传统的站台柱支撑方式，采用简洁、轻巧的结构形式，不仅在视觉上给人以舒适美观的感觉，更减少了站台上影响旅客行进和遮挡视线的障碍物，符合现代交通建筑“以人为本”的设计理念。然而，这种结构形式在带来诸多优势的同时，也使得雨棚的受力性能变得更为复杂。由于缺乏站台柱的直接支撑，雨棚需依靠自身的结构体系来承受各种荷载，如自重、风荷载、雪荷载以及人群荷载等。一旦雨棚的受力性能出现问题，极有可能导致结构变形、损坏甚至倒塌，这将对旅客的生命安全构成严重威胁，同时也会影响车站的正常运营，造成巨大的经济损失和社会影响。

因此，深入研究太原火车南站无站台柱雨棚的受力性能具有至关重要的现实意义。通过对其受力性能的分析，可以准确了解雨棚在各种工况下的应力、应变分布情况，从而确定其合理的设计参数，优化结构设计，提高雨棚的抗风、抗震、承载能力和安全可靠性，为旅客提供一个安全、舒适的候车和通行环境。此外，该研究成果还可为其他类似的大跨度无站台柱雨棚结构的设计、施工和维护提供有益的参考和借鉴，推动我国交通基础设施建设领域的技术进步，具有广泛的应用价值和社会效益。

1.2国内外研究现状

在国外，对于无站台柱雨棚受力性能的研究开展较早，积累了较为丰富的经验。欧美等发达国家在大跨度钢结构建筑领域技术先进，他们运用先进的理论分析方法和高精度的实验手段，如有限元分析、风洞试验、足尺模型试验等，对无站台柱雨棚在各种复杂荷载工况下的受力性能进行了深入研究。通过建立精细化的有限元模型，考虑材料非线性、几何非线性以及各种荷载组合的影响，准确模拟雨棚结构的力学行为；利用风洞试验，模拟不同风速、风向条件下的风荷载作用，获取雨棚表面的风压力分布和体型系数，为风荷载计算提供可靠依据；开展足尺模型试验，对雨棚结构的实际受力性能进行直接验证，检验理论分析和数值模拟的准确性。这些研究成果为无站台柱雨棚的设计和建设提供了坚实的理论基础和技术支持，许多先进的设计理念和构造措施被广泛应用于实际工程中。

国内对于无站台柱雨棚的研究随着我国铁路建设的快速发展而逐渐深入。近年来，随着我国大量新建和改建铁路客站，无站台柱雨棚作为客站的重要组成部分得到了广泛应用，相关研究也日益增多。国内学者在借鉴国外先进经验的基础上，结合我国的工程实际和规范标准，开展了一系列理论与实践研究。在理论分析方面，基于结构力学、材料力学、弹性力学等基础理论，对无站台柱雨棚的结构体系进行力学分析，推导其内力和变形计算公式；在数值模拟方面，利用大型通用有限元软件，如ANSYS、MIDAS等，建立无站台柱雨棚的三维模型，进行静力学分析、动力学分析、稳定性分析等，研究其在不同荷载作用下的受力特性和变形规律；在实验研究方面，通过缩尺模型试验、现场实测等手段，对无站台柱雨棚的实际受力性能进行监测和验证，为理论分析和数值模拟提供数据支持。同时，国内还针对无站台柱雨棚在实际工程中出现的问题，如抗风揭性能、耐久性等，开展了专项研究，提出了相应的解决措施和技术方案。

然而，太原火车南站无站台柱雨棚具有其独特性。它所处的地理位置、气候条件以及车站的运营特点等因素，都使得其受力性能的影响因素更为复杂。例如，太原地区冬季寒冷，积雪厚度较大，雪荷载对雨棚结构的影响不容忽视；同时，太原南站作为重要的交通枢纽，客流量大且集中，人群荷载的分布和作用方式与一般工程不同。此外，太原南站无站台柱雨棚的结构形式和构造细节也具有一定的特殊性，这些都使得现有的研究成果难以完全满足其受力性能分析的需求。因此，有必要针对太原火车南站无站台柱雨棚开展专门的研究，深入探讨其在特定条件下的受力性能，为工程设计和运营维护提供科学依据。

1.3研究目标与方法

本研究旨在通过有限元模拟和工程实测相结合的方法，全面、深入地分析太原火车南站无站台柱雨棚的受力性能，确定其在各种工况下的应力、应变分布情况，以及结构的变形和位移特征，进而确定其最佳的设计参数，提高其抗风、抗震、承载能力和安全可靠性，为雨棚的设计优化、施工质量控制以及运营维护提供科学依据。

在研究方法上，主要采用以下两种方法：

有限元数值模拟：基于ANSYS有限