浅谈节点模型试验在天津西站房中的应用

摘要： 新建天津西站站房屋盖为编织状拱形结构，重量12800T，直接支撑在由拱脚和斜柱组成的拱脚节点上，再由拱脚节点将荷载传到下面的钢框架，因此在施工前有必要对拱脚节点进行模型实验，以验证该节点是否符合设计性能指标，从而为本工程的结构安全提供支持和保证。

关键词：站房；拱脚节点；模型试验

中图分类号： C33文献标识码：A 文章编号：

1.工程概况

天津西站站房主体由下到上为轨道层结构、高架层结构、高架夹层结构及拱形屋面结构，共四层，层高自下而上分别为9.5m、12.5m、5m、36.5m，总高度68.5m。轨道层采用钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱和型钢混凝土梁组成的框架结构体系；高架层采用钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱和钢结构桁架组成的框架结构体系；高架夹层采用钢结构框架体系，南侧、北侧部分夹层的框架柱直接支承在高架层柱上，其余部分框架柱生根于高架层实腹转换钢梁上，形成高位转换。高架夹层钢框架作为拱形屋面结构的支撑结构及主要的抗侧力构件。

屋面结构为交叉编织状拱系组成的单层壳结构，跨度较大，为114m，矢高35.9m，长度365.5m，含悬挑长度为398m，展开面积55000m2。拱形屋面的拱脚节点是保证屋面结构安全的关键节点，为确保本工程结构安全，需对该关键节点进行模型试验，对节点构造、受力性能进行研究，从而为本工程的结构安全提供支持和保证。

2.实验目的

屋面结构与下部结构关系示于图 2.1中，屋盖支撑于两侧的钢斜柱，斜柱与下部结构相连接。

图 2.1屋面结构与下部结构关系图

屋面结构的传力路径为：屋面拱结构拱脚斜柱转换梁转换梁下的框架柱（图 2.2）。

图 2.2屋面结构传力路径图（图中箭头表示传力路径）

根据屋面结构的传力路径，由拱脚和斜柱组成的拱脚节点（图 2.2）是保证屋面安全的关键节点，其特点为：建筑对拱脚外形造型有严格的要求，拱脚与斜柱连接关系复杂，拱轴线在拱脚处存在偏心；拱脚和斜柱内力巨大；结构构件体量较大，均采用焊接结构，设计时需考虑施工要求。因此，有必要对拱脚节点进行模型试验。

试验目的包括以下四个方面：

1）通过试验验证该节点是否达到设计性能指标。

2）通过试验研究该节点区域的受力模式和破坏形态。

3）根据以上研究结果对该节点构造做法提出合理化建议。

3.试件设计与制作

根据实验室空间和加载设备能力，试件按1:3比例缩尺。各杆件长度取杆件截面尺寸的3倍，以避免杆件端部约束对节点区受力性能的影响。试件材料与原节点完全相同。

共加工2个相同试件，以相互检验试验结果可靠性。模型制作过程中按照实际结构拟采用的节点构造形式和焊接顺序。试件示意图见图 3.1。

试件加载示意图见图 3.2，试验中，斜柱和梁1端部固定，在拱1和拱2的端部施加轴压力和剪力，使得拱1和拱2与斜柱相交处的内力（强轴弯矩、轴力）与实际结构内力一致。

平面示意立面示意

图 3.1试件示意图

图 3.2试件加载示意图

依据边拱拱脚节点控制内力（表 3 1），可以得到对应控制内力的模型加载力，见表 3 2。加载过程中，按照表3-2所示的力比例，逐渐加大加载力，直至节点破坏。

表 3 1边拱拱脚节点控制内力表

表 3 2边拱拱脚节点加载内力

4.试验设备与装置

试验设备主要包括空间自平衡加载架，两台500吨千斤顶，两台400吨千斤顶，以及配套的滑板、支座等。空间自平衡加载架需要单独设计、加工、制作。

自平衡加载架内部空间为4m×4m×6m，足够容纳节点试件。加载架的承载能力为500吨，具有足够刚度，可避免因反力装置的变形而对试件造成较大的次应力。

试验时，斜柱和梁1端部固定于自平衡加载架上，拱1和拱2端部通过力传感器和液压千斤顶连接到自平衡加载架上。按照模型加载力表 3 2，通过500吨千斤顶对拱端部施加轴力，通过400吨千斤顶对拱端部施加剪力，由此，实现拱脚处内力（轴力、弯矩）和设计内力一致。

5.加载方法

采用单调静力加载，根据表3-2中所示各拱脚的控制内力，按比例在各拱端部同步施加荷载，直至杆件或者节点区屈服。试件屈服后，改由位移控制加载，直至节点破坏。

试验中，为了校验测试仪器调零和检查应变片、荷载传感器、位移计及其他仪器是否正常工作，同时为减缓试件中的装配应力，预载阶段反复2～3次，预加载力为试件最大加载的20%。

正式加载分级进行。每级荷载大小为控制内力的20%，每级持荷不少于5分钟。加载过程中对所有的位移与应变测点进行实时监测。根据监测到的荷载-位移曲线和应力发展情况，在试件屈服后，并由荷载控制转为位移控制。

六、实验过程和结论

5.1实验过程

两个试件加载至1倍控制工况荷载时，均没有明显的内力变形，未见屈曲及破坏，没有发出明显声响，各级加载力下量测应变稳定增长，继续加载至2.2倍控制工况荷载时，两个试件均出现较大范围屈服，局部应变超过10000微应变，实验停止。

5.2结论

5.2.1实验结果表明，两个试件的实验现象和测量结果一致，说明各试件性能一致，实验结果准确可信。

5.2.2实验结果表明，各试件实际承载能力在设计内力荷载2.2倍以上，说明节点是安全的。

5.2.3实验结果表明，节点区强于杆件区，符合强节点弱杆件的设计理念。

6.结束语

天津西站站房屋盖结构拱脚节点模型实验，在考虑施工要求的条件下对拱脚节点受力情况进行了验证，结果表明节点是安全的，该实验可以清晰直观地理解节点的受力性能和破坏机理，同时也为其他类似复杂节点的弹塑性分析方法提供了参考。

参考文献

GB500017-2003，钢结构设计规范[S]。

GB50009-2001，2006年版，建筑结构荷载规范[S]。