杭州东站主站房平面建筑面积超过15万m², 包含地下部分、高架候车层和屋盖3大部分, 主体结构为空间钢结构, 其中屋盖钢结构部分体量大、难度高, 包括大量的大跨度钢桁架、复杂的变椭圆截面椎管柱以及东西两端巨型格构式钢柱等部分。该屋盖具有结构体系复杂、支承条件复杂、节点构造复杂等显著特点, 站房钢屋盖整体受力性能和节点性能是该工程的关键问题。以往对于这类特别复杂的大型工程, 往往采取试验研究的方法, 以便对结构和节点的受力性能有一个直观、可靠地认识。本文就杭州东站站房屋盖的缩尺模型试验进行研究论述。

试验原型为在屋盖结构纵向截取有代表性的单元, 涵盖结构横向1排钢管格构式斜柱和中间2排变椭圆截面钢斜柱。模型缩尺比1∶20, 缩尺后试验模型的平面尺寸为14.241m (长) ×6.564m (宽) 。为模拟实际结构中高架层对屋盖结构受力性能的影响, 模型的高架层采用钢结构平台来代替。试验模型和实物如图1所示。综合考虑杆件截面形状相似、面积相似比、产品规格、原型截面尺寸和制作加工工艺等因素, 确定上部管桁架体系采用6种规格的无缝钢管:P16×2, P21×3, P32×3, P42×3, P51×3.5和P57×5, 材质均为20号钢;单层椭球壳杆件采用矩形钢管B25×12×2, 材质为Q235B。模型试验中椭圆斜柱采用卷曲钢板形成椭圆形截面管件模拟。

模型试验的测试内容主要包括应变测试 (包括屋盖交叉桁架、钢管格构柱、变椭圆截面斜柱等) 和节点位移测试。综合考虑结构特点、测试仪器数量、结构对称性等因素, 共布置应变测点185个 (其中单向应变片数量173个, 应变花数量12个) 、位移测点22个。其中桁架部分的应变测点及结构位移测点布置如图2和图3所示 (1~9号为水平位移测点, 其余为竖向位移测点) 。

为了解站房大跨度屋盖结构在全跨均布荷载作用下的受力性能, 以便对实际结构在承受全跨荷载时的力学性能做出合理评估, 进行了全跨荷载作用下的结构静力性能试验, 并采用有限元软件ANSYS进行分析。试验过程分4级加载, 第1级通过20kg标准质量砂袋加载, 准确施加1.3k N/m²的均布面荷载;第2~4级通过20kg标准质量钢板砝码加载, 每级准确施加1.3k N/m²的均布面荷载。为保持测试数据的稳定性, 每级加载后持荷10min以上方可采集数据。模型全跨加载试验的部分加载如图4所示。

图5给出了部分桁架测点的荷载-应力曲线, 随着荷载的增加桁架杆件应力基本呈线性增大, 卸载后残余应力很小。图6为HJ2各跨跨中上弦测点的应力分布, 可以看出HJ2各跨跨中上弦杆上表面测点的应力分布具有良好的对称性。上部桁架的测试结果表明, 屋盖部分的上部交叉桁架在加载完成后的最大压应力为60~70MPa, 最大拉应力为80~90MPa, 分别出现在ZJ1跨中位置的上弦杆上表面和下弦杆下表面。比较桁架杆件的轴向应力与弯曲应力可以发现, 大部分杆件的受力以轴向力为主。

在9个水平位移测点中, 第1, 3, 9号测点位移较大, 最大值为4.15mm, 体现为TZ1柱顶的外推;在13个竖向位移测点中, 第21, 22测点位移较大, 最大值为5.94mm。从试验结果可以看出椭圆斜柱和格构斜柱的柱顶均出现x正向位移与y负向位移, 从侧面反映了柱子存在双向受弯。图7为HJ2各跨跨中节点的位移分布, 其中测点14处于中间跨跨中, 测点12, 13与测点15, 16处于完全对称的位置, 可见全跨均布荷载作用下结构位移呈现出良好的对称性。

在半跨均布荷载作用下进行了结构静力性能试验并进行了有限元模拟。半跨加载试验在砂袋作为重力补偿的基础上进行, 试验过程分3级加载, 每级通过20kg标准钢板砝码加载, 准确施加1.95k N/m²的均布面荷载。模型半跨加载试验的部分加载如图8所示。

图9给出了部分桁架测点的荷载-应力曲线, 可见随着荷载的增加桁架杆件应力基本呈线性增大, 卸载后残余应力很小。图10为HJ2各跨跨中上弦测点的应力分布, 可以看出桁架直接受荷一侧的测点应力明显大于另一侧对称位置上的测点应力。加载完成后, 桁架中的最大应力值出现在直接受荷载一侧的ZJ1跨中位置的上弦杆上表面和下弦杆下表面, 其压应力最大值为85.7MPa, 拉应力最大值为82.1MPa。加载完成时交叉桁架大部分杆件的轴向应力明显大于弯曲应力, 即杆件主要受轴向力作用。

水平位移测点中, 第1, 3号测点的位移较大, 最大值为5.01mm, 表现为TZ1柱顶的外推;竖向位移测点中, 第18, 21, 22测点的位移较大, 最大值5.15mm。椭圆柱和格构柱柱顶均有x正向位移与向负位移, 反映柱子存在双向受弯。图11为HJ2各跨跨中节点的位移分布, 可以看出桁架加载侧出现向下变形, 非加载侧则出现上拱, 表现出半跨荷载下结构变形的典型特点。

为更好地揭示单层椭球面网壳、钢管格构式斜柱、变椭圆截面钢斜柱等重要局部构件的受力特性, 在提高构件应力比的条件下进行了构件的局部加载试验 (见图12) 。试验结果表明, 局部加载试验可以反映局部重要构件在整体结构中的受力性能, 采用局部加载试验来深入研究各构件在实际荷载条件下的受力性能是合理可行的。限于篇幅, 本文不再给出具体试验结果。

对杭州东站主站房大跨度屋盖结构进行了整体结构模型试验及节点试验并进行了有限元分析, 得到如下主要结论。

1) 在全跨加载、半跨加载和局部加载试验的整个加载过程中, 结构基本处于弹性工作阶段, 整体结构具有良好的受力特性。

2) 全跨荷载试验中, 上部交叉桁架、格构式斜柱的大部分杆件内力以轴力为主, 弯矩很小, 说明结构受力合理, 能较好地利用杆件截面;格构式斜柱和变椭圆截面斜柱存在双向受弯, 受力情况复杂。

3) 半跨荷载试验结果表明本工程大跨度屋盖结构对半跨荷载不敏感, 应力、位移试验结果均表现出半跨荷载作用下结构受力的典型特点。

4) 局部加载试验能反映各重要构件在实际荷载作用下的受力特性, 采用局部加载试验来研究各构件在实际荷载作用下的受力特性是可行的。