厦门北站双向不等高交叉桁架结构试验研究.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤1概论厦门北站主站房屋盖由 12 片高低错落的曲面网格组成袁 巨型空间桁架支撑曲面网格的结构体系与建筑造型完美结合袁 巧妙体现了闽南民居的最大特点院两端开叉的野燕尾脊冶渊图 1冤遥 中部高屋面处采用双向不等高交叉桁架组成的空间网格结构袁承重在南北两侧的巨型桁架和结构柱上遥 此种结构是由常规的双向等高桁架演化而来的新型曲面空间网格结构渊图 2尧图 3冤袁适应了建筑造型和功能的需要袁 但对结构性能也提出了更高的要求遥目前袁 这一类型的空间网格结构在国内应用较少1厦门北站双向不等高交叉桁架结构试验研究俞剑锋1袁俞剑平2渊1杭州瑞诚兴联置业有限公司袁浙江杭州 330012曰2华东勘测设计研究院有限公司袁浙江杭州 330012冤摘要厦门北站屋盖是体形复杂的新型曲面空间网格结构袁双向跨度达 132 m伊220 m遥 根据建筑形体要求袁首次采用了双向不等高交叉桁架组成的空间网格结构遥 为了验证这种新颖的结构形式在静力荷载作用下的力学性能袁尤其是纵向桁架的竖向腹杆和下弦杆的平面外稳定性能袁抽取屋盖 Y 方向相关区域的桁架袁进行了设计荷载作用下的静力试验袁研究了不等高处次桁架下弦杆件的平面外稳定性能袁并把试验结果与理论分析值进行对比遥 研究结果表明袁这种新型空间结构的不等高处次桁架下弦杆件的平面外稳定性能良好袁主次桁架在设计荷载作用下袁其受力稳定性良好袁是一种优良尧可靠的结构形式遥关键词厦门北站曰网格结构曰交叉桁架曰静力试验中图分类号 TU323.4文献标志码 B文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0049-05Experimental Research on Two-way Unequal Height Intersection Truss Structure ofXiamen North Railway StationYU Jianfeng1YU Jianping2渊1.Hangzhou Ruichengxinglian Property Co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 330012 China曰2.Power China Huadong Engineering Co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 330012 China冤Abstract院The roof of Xiamen North Railway Station is a complex-shape new-type curved surface space gridstructure with two-way span of 132m伊220m.A new space grid structure consisting of two-way unequal heightintersection truss is used in the high roof of the station to satisfy the architectural modeling.In order to verifythe mechanical performance of this novel structural form under static loads,especially the out-of-planestability performance of the vertical webs and bottom chords of longitudinal trusses,static tests were conductedon trusses in the relevant areas in the Y direction of the roof under design loads,and the out-of-plane stabilityperformance of truss bottom chords at different heights was studied.The test results were compared withtheoretical analysis values.The research results show that the out-of-plane stability of the bottom chords of theunequal height secondary trusses of this new spatial structure is good,and the primary and secondary trusseshave good mechanical stability under design loads,making it an excellent and reliable structural form.Key words院xiamen north railway station曰grid structure曰intersecting truss曰static test收稿日期圆园23鄄03鄄23作者简介俞剑锋袁男渊1983-冤袁杭州瑞诚兴联置业有限公司袁工程师袁主要从事结构抗震设计和管理工作遥49江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 1 两端开叉的野燕尾脊冶渊文献1中的工程亦为本文的工程背景冤袁因此有必要对其进行模型试验研究袁了解结构性能袁进而为这种新颖的空间网格结构普遍应用提供理论依据袁启示人们更全面地认识工程结构2-7遥 厦门北站现场施工照片见图 4遥2模型试验2.1 试验模型结构的设计与制作考虑试验室的试验条件渊包括场地条件及加载条件等冤尧经济性及模型的相似性袁本试验模型按照相似理论8袁抽取整体模型的节段渊图 5冤进行 1颐4缩尺制作遥缩尺后袁试验模型渊图 6冤的实际结构长 19.19 m袁高 5.88 m遥 具体模型构件编号见图 7袁材料参数见表 1遥 模型杆件尺寸的选取原则是院渊1冤加载条件下模型结构受力性能反映原型结构受力特性曰渊2冤原型杆件缩尺曰渊3冤保证与支座连接处具有足够强度遥模型构件的材质尧施工工艺及制作安装均须严格按照现场实际工程的施工工艺尧材质及施工安装顺序遥 缩尺后袁部分钢材材质及钢管规格样式无法购买到袁故尽量采用相近材质的钢材和相近规格的钢管袁尽可能保证缩尺后的等代模型的力学性能反映原型结果的受力特性遥 现场试验模型见图 8遥图 2屋盖整体结构模型图 3南屋面及支撑条件说明图图 4厦门北站双向不等高交叉桁架屋面结构的现场施工图 5 试验模型在整体结构的平面位置图图 7 试验模型结构图图 6 试验结构模型50江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 9轴向应力-荷载曲线渊应力值均取绝对值曰荷载等于 0.4 kN 的应力为配重质量作用下的初始应力冤图 8现场试验模型2.2 材性试验材性试验在模型加工时由钢结构厂家实施遥2.3 试验加载方案试验加载采用质量块模拟桁架实际受力状况(控制作用力加载)遥 对桁架上弦所有节点施加竖向集中荷载袁以检验结构在设计荷载作用下的性能遥 在加载过程中袁 加载力的大小和级别以有限元软件 AN鄄SYS 分析结果及实验室加载条件为依据遥 根据设计院提供的图纸及其它参数袁 确定原结构节段的设计荷载效应组合遥 经过相似比换算后袁最终得出试验模型结构的每个节点均摊到的效应组合值约为 1 kN遥加载程序分为预载和正式加载两阶段遥 正式加载前袁进行预加载袁具体分两级袁每级为 0.2 kN渊约设计荷载的 20%冤曰再分两级卸载遥 每级加渊卸冤载停歇 10 min遥 预加载完毕后袁对网架进行正式加载试验袁为使构件在荷载作用下的变形得到充分发挥并达到基本稳定袁 每级加载完成后过 120 min 再采集数据遥 根据实验室条件袁除配重质量外袁采用等荷载增量 0.2 kN袁分 5 级逐渐递增到设计荷载 1.0 kN遥2.4 试验量测方案采用单向应变片测试遥 首先建立桁架有限元模型进行有限元计算袁根据有限元计算结果袁选取关键杆件和关键节点布置相应的应变和挠度测点遥2.5 试验现象简述因试验条件限制袁 采用质量块作为结构的配重遥 经计算得出模型的每个加载点须加两个质量块方可满足模型的配重遥 模型结构加上配重后袁仪器显示各测点应变值和挠度值均由零变为某些具体值遥本试验把这些具体的值作为结构的初始状态值遥预加载阶段完成后袁 观察仪器采集的应变数据袁所有测点的应变值均恢复至原始状态遥 正式加载阶段袁按事先设计的加载方案进行加载袁观察的各测点应变值和挠度值稳步变化袁其中少量测点数值消失袁经分析可能是由于应变片的胶水和电线损坏导致袁总体数据合理遥试验过程中袁Y 向桁架的下弦杆的平面外稳定均无问题遥2.6试验结果与分析试验结束后袁测得每一级加载作用下的部分测点杆件应力测试值见表 2袁挠度测试值见表 3遥 图 9给出了桁架悬挑及跨中处的 3 根受力较大杆件的轴向应力-荷载曲线遥 可以看出应力和荷载大致呈线性关系遥3 理论分析在有限元分析软件 ANSYS 中建立三维有限元模型袁 计算模型中采用的假设及考虑的方面如下院杆件均采用梁单元渊beam188冤模拟袁考虑杆件材料非线性尧结构的几何非线性袁忽略杆件连接节点的影响袁构件模型按轴心长度取值遥此外袁忽略结构的杆件预拱等对计算结果的影响遥在 ANSYS 中施加与试验条件相符的约束条件和载荷进行分析遥 由于实际模型中支座均为焊接袁所以在分析中分别考虑所有支座均为固接和铰接两种状况遥 下面为几种支座约束条件下的应力和位移云图渊图 10要图 13冤遥表 1试验模型等代构件表杆件编号钢号杆件截面/mmG1/G2/G3G4/G5/G6G7G8G10G11G12G14G16G18G20Q195Q195Q235BQ235BQ235BQ345BQ345BQ235BQ235BQ235BQ235B椎32伊2.5椎42伊2.5椎48伊3.5椎75.5伊3.75椎60伊3.5椎102伊4椎121伊6椎299伊10椎76伊6椎32伊2.5椎60伊3.551江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤表 2各级荷载作用下的应力试验值测点号加载级别及应力试验值/MPa1234512324252627283239454647-7.3-14.24-16.15-13.30.35-0.4-0.2218.23-3.137.79-9.86-19.13-21.27-17.80.4-0.6-0.2724.66-410.23-12.1-24.01-26.99-21.310.49-0.75-0.331.01-5.1112.6-15.3-28.77-32.4-26.350.53-0.88-0.3637.43-6.0815.4-17.10-33.33-37.57-30.540.66-1-0.4143.3-7.0517.84注院野-冶表示试验时未测的数值遥4试验结果与理论分析结果对比分析表 4 列出了设计荷载作用下部分测点的应力试验值和计算值袁表 5 列出了设计荷载作用下的挠度测点试验值和计算值遥 通过杆件应力的试验值与有限元计算值比较可知袁 应力分布规律基本一致袁大部分测点应力试验值与有限元计算值比较接近遥但存在若干个测点试验值与计算值差别较大的情况遥这可能是由于试验中的模型边界条件和理论分析的边界条件完全吻合袁以及模型加工尧载偏心等引起的遥另外袁文献9认为网架试验测量出的数据袁存在以下几种误差院渊1冤载荷误差院由于加载方式不同表 3 各级荷载作用下的挠度试验值测点号加载级别及挠度试验值/mm12345123.011.683.892.095.012.645.993.096.893.55图 13 结构 Y 向渊侧向冤位移云图渊支座铰接冤图 12 结构 Z 向位移云图渊支座铰接冤图 10单元轴向应力云图渊支座铰接冤图 11 单元轴向应力云图渊支座固接冤52江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤表 4 应力试验值和计算值测点号试验值/MPa计算值/MPa12324252627283239454647-17.10-33.33-37.57-30.540.66-1-0.4143.3-7.0517.84-16.13-30.85-35.53-0.21-3.831.7228.770.61-0.93-0.3646.9-6.521.01注院野-冶表示试验时未测得数值遥表 5挠度试验值和计算值测点号试验值/mm计算值/mm126.783.556.003.13而产生(本文为力传感器和油压千斤顶的误差)袁一般为 5%曰渊2冤杆件的断面面积误差院网架杆件实际截面面积与计算面积有一定误差袁一般为 1%曰渊3冤材料的弹性模量 E 值误差袁一般取 5%曰渊4冤电阻应变仪的读数误差袁一般为 5%遥 综合以上因素袁误差约为 10%耀15%遥 本试验实测的最大误差为 14.8%袁小于 15%袁满足误差要求遥 以上计算结果表明试验结果和理论分析结果在精度上比较符合遥5结语渊1冤试验设计考虑缩尺条件下袁尽量保证模型结构受力性能反映原型结构的受力特性遥渊2冤试验方案袁包括加载装置尧加载位置和加载制度均最大限度地保证了与原结构的荷载形式尧作用点及作用方式等效遥渊3冤结构的整体性好袁在竖向荷载作用下袁荷载传递尧分配可靠袁结构变形较小遥 达到荷载设计值时袁结构悬挑段最大变形仅为 1/745曰跨中最大变形仅为 1/4 200遥渊4冤在设计荷载作用下袁桁架各杆件的最大轴向应力未达到材料的屈服极限袁杆件所有测点应力均在弹性范围内袁杆件强度满足设计要求袁且具有较好的安全储备遥渊5冤在设计荷载作用下袁次桁架的腹杆和下弦杆的应力较小袁可见此类双向不等高交叉桁架由主桁架受力遥 由于主桁架采用竖腹杆贯通节点区袁且次桁架的下弦杆连续穿越竖腹杆袁因此竖腹杆对次要桁架的下弦杆有较强的支座约束作用袁减少了下弦杆的计算长度袁 较好地抑制了下弦杆面外屈曲袁下弦杆面外稳定性能良好遥渊6冤理论分析可靠遥 桁架的有限元分析结果与试验结果基本符合袁从而验证了有限元分析的正确性袁有限元计算分析能够对网架的受力性能作出更为全面的评估袁 其分析精度足够在工程计算中使用遥 当然袁 理论分析和试验结果必然存在差异袁这主要因为理论分析采取了某些简化遥 例如袁材料的强化性能尧收敛准则等曰另外袁模型材料的各项性能指标与设计所采用的数值之间的差异也是一个主要原因曰还有袁试验中的模型边界条件和理论分析的边界条件并不能完全吻合袁以及模型加工不可能达到理想状态和加载偏心的存在等问题遥渊7冤双向不等高交叉桁架在设计荷载作用下袁其受力性能良好袁稳定性良好袁是一种优良尧可靠的结构形式遥参考文献1 熊森袁李霆袁许敏袁袁波峰袁万海洋.厦门北站双向不等高交叉桁架屋盖结构设计与分析J.建筑结构袁2011袁41渊07冤院7-11+88.2 沈祖炎袁陈扬骥袁陈以一袁赵宪忠袁等.上海市八万人体育场屋盖的整体模型和节点试验研究J.建筑结构学报袁1998渊01冤院2-10.3 沈祖炎袁赵宪忠袁陈以一袁等.大型空间结构整体模型静力试验的若干关键技术J.土木工程学报袁2001袁34渊04冤院102-106.4 赵宪忠袁沈祖炎袁陈以一袁陈扬骥袁等.上海东方明珠国际会议中心单层球网壳整体模型试验研究J.建筑结构学报袁2002袁21渊03冤院16-22.5 张勇袁刘锡良袁王元清袁等.金属拱型波纹屋盖结构足尺模型试验研究J.土木工程学报袁2003袁36渊02冤院26-32.6 郭彦林袁窦超袁王永海袁等.深圳大运会体育中心体育场整体模型承载力试验研究J.建筑结构学报袁2010袁31渊04冤院1-9.7 吴京袁隋庆海袁周臻.深圳大运中心体育馆整体钢屋盖模型试验研究J.建筑结构学报袁2010袁31渊04冤院31-37.8 马克俭袁张华刚袁郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践M.北京:人民交通出版社袁2006.9 刘锡良袁刘毅轩袁等.平板网架设计M.北京院中国建筑工业出版社袁1979.53