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某复杂大跨度站房屋盖结构东西进深463.5m,南北面宽143.6m,站房主体最高点距地面39.6m.
　　
　　屋盖结构采用由变椭圆截面斜钢柱和钢管格构斜柱支承的大跨度钢管相贯桁架结构，屋盖结构布置如图1所示。该站房屋盖结构主要有以下技术特点和难点：1）屋盖主要由沿轨道方向的横向主桁架及与之垂直方向的纵向主桁架组成，主桁架间距较大（最小、最大间距分别约为43m、68m），主桁架之间的区域除了常规的次桁架和联系梁，还有鱼眼形结构和单层网壳结构，结构构成较为复杂；2）整个屋盖由三种类型的变椭圆截面斜钢柱和两种类型的大型钢管格构式斜柱支承，且部分斜钢柱以高架层柱顶为基础，结构的支承条件十分复杂；3）钢管格构式斜柱节点、钢管格构式斜柱与屋盖连接节点、变椭圆截面钢斜柱与屋盖连接节、变椭圆截面钢斜柱与高架层柱顶连接节点、单层网壳杆件相交节点等各类连接节点均十分复杂。

　　因此，该复杂大跨度屋盖结构的计算、分析与设计均存在较大难度。为确保工程安全、可靠、经济，同时又能满足加工制作、施工安装方便以及建筑美观等方面要求，对结构整体受力性能进行模型试验研究是十分必要的。本文根据结构特点、技术要求、试验场地等因素，确定试验模型尺寸、缩尺比例、杆件截面、节点构造、边界条件等相关参数，并完成了结构模型试验设计。

　　1 模型设计。

　　站房屋盖结构长度方向的中间大部分为标准单元。为减小试验模型的规模，试验模型在结构纵向截取有代表性的单元，涵盖结构横向一排格构柱和中间两排椭圆形变截面柱，长度约131.3m,模型内还涵盖了单层椭球面网壳、鱼眼结构等具有代表性的结构形式。前期经与各方沟通，确定模型缩尺比为1∶20,缩尺后试验模型的总体平面尺寸为：长14.2m、宽6.6m.

　　1.1模型相似比[1-3]建筑结构模型试验所采用的模型，是仿照实际结构按一定相似关系复制而成的代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。考虑现有试验设备，加载条件并结合试验场地大小等因素，确定模型几何相似比为cl=1/20.试验模型一般应满足几何相似、物理相似和物理过程相似。对于本结构屋盖是一种交叉桁架体系，其杆件主要受轴力作用，故本缩尺模型以构件轴向应力一致的原则来进行构件截面的选取。截面相似比的理论推导如下：

　　以单榀桁架为分析对象，假定荷载为均布面荷载q,在该荷载作用下桁架上、下弦杆应力为
　　
　　

　　式中：M为桁架弯矩；h为桁架高度；A为杆件面积；α为不含量纲的常数；（qb）为均布面荷载转变为一榀桁架上的均布线荷载；l为跨度。

　　设原型结构中的荷载为qp,杆件截面面积为Ap,桁架高度为hp,跨度为lp,面荷载作用宽度为bp,应力为σp;模型结构中的荷载为qm,构件截面面积为Am,桁架高度为hm,跨度为lm,面荷载作用宽度为bm,应力为σm.考虑到原型和试验模型的相似关系，可得到下列关系式
　　
　　

　　1）荷载相似比的确定实际结构中，"1.2恒+1.4活"这 一 荷 载 工 况 下 均 布 荷 载 设 计 值 约 为1.7kN/m2.在1/20缩尺模型中，如果按此设计工况共需施加15.9t荷载，综合考虑实验室加载条件，将荷载相似比取为：cq=3,即在模型全跨加载试验中共加载47.7t.

　　2）应力相似比的确定考虑模型试验材料（20#、Q235）与原型结构（Q345）材质的差别，将应力比取为cσ=0.7.将cq=3,cσ=0.7代入式（6），可得杆件面积相似比为cσ=0.0107.

　　1.2杆件规格实际结构中大多数杆件均采用Q345钢材，杆件分别为圆管、矩形管和椭圆形变截面管这3种截面形式，杆件规格较多。综合考虑杆件截面形状相似、面积相似比、试验条件、产品质量、产品规格、产品购买周期、原型截面尺度和制作加工工艺等因素来确定模型圆管和矩形管截面规格和材料材质，所选截面规格及钢材材质如表1、表2所示。为真实反映变椭圆截面钢斜柱的受力性能，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，所采用的椭圆管截面规格及钢材材质。

　　1.3柱脚连接的模拟。

　　主站房结构中椭圆斜柱和倾斜格构柱的平面布置如图3所示。其中TZ2和TZ3支承于结构标高为9.700m的高架层，其余柱子支承于地面。准确模拟各柱脚的连接刚度对于试验模型十分重要，这也是模型设计的难点之一。为真实反应柱脚连接刚度对结构整体受力性能的影响，对各柱的柱脚连接方式做如下处理。

　　1.3.1变椭圆截面钢斜柱与高架层的连接。

　　实际工程中变椭圆截面钢斜柱TZ2和TZ3支承于高架层，因此柱脚连接并不是完全刚接。要完全反映工程实际情况，就需要在试验模型中建立下部高架层结构，这显然过于复杂，模型中几乎不可能实现，也是没有必要的。本试验模型一方面考虑了变椭圆截面钢斜柱TZ2和TZ3与高架层连接刚度对结构整体受力特性的影响；另一方面，根据实际工程中的高架层位置在变椭圆截面钢斜柱TZ2和TZ3下部建立钢结构支承平台，以简化实际结构中的高架层对屋盖结构受力性能的影响。模拟高架层的钢结构支承平台平面布置，如图4所示。带支承平台的结构整体模型，如图5所示。

　　1.3.2柱脚与地面的连接为使变椭圆截面钢斜柱TZ3、倾斜格构柱GZ4~GZ5、支承平台的钢柱与地面形成刚性连接，拟跨越结构试验室地槽设置三道焊接工字钢地梁，通过地锚将地梁与地槽进行连接，并将各柱脚固接于地梁上，以此来模拟柱脚连接。地梁平面布置。

　　2 模型验证。

　　为了验证截取模型的合理性及试验模型有限元分析的正确性，分别采用了Sap模型、Midas模型和Ansys模型进行了有限元分析验证。

　　2.1截取模型合理性验证。

　　如前所述，主站房屋盖结构总体平面尺寸为514.735m×274.748m,而试验模型在结构纵向仅截取有代表性的单元，涵盖结构横向一排格构柱和中间两排椭圆形变截面柱，长度约131.287m.为了得出简洁、有效的截取模型，拟去除主站房屋盖结构下部的高架层等部分结构，并用钢结构支承平台来模拟高架层与椭圆柱柱脚连接刚度对上部屋盖结构的受力性能影响。

　　为合理确定高架层与TZ2、TZ3的连接刚度，首先对实际结构的整体模型（总体平面尺寸为514.7m×274.7m,且采用梁、板单元严格模拟下部高架层结构中的柱、梁和楼板等构件）与截取结构模型（平面尺寸为131.3m×274.7m,不再严格模拟下部高架层等结构，而是以适当刚度的钢结构支承平台来代替）的受力性能进行有限元分析比较。实际结构的Sap有限元模型见图7（a），截取的简化结构Sap有限元模型见图7（b）。通过调整钢结构支承平台各构件的截面尺寸，使截取的简化结构与实际结构的竖向位移尽可能接近，从而实现高架层对上部屋盖结构受力影响的近似。

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