演艺中心屋盖结构抗震超限审查报告.doc

上海世博演艺中心上海世博演艺中心超限高层建筑抗震设计可行性论证报告（第二册 钢屋盖结构）建设单位：上海世博演艺中心有限公司设计单位：华东建筑设计研究院有限公司设计号：A-2007450102008年月华东建筑设计研究院有限公司设计证书编号：甲级0901061院 长：张俊杰总建筑师：汪孝安总工程师：汪大绥 上海汉口路151号邮政编码：200002 盖章： 设计总负责人： 汪孝安 崔中芳 结构专业负责人： 包联进 陈建兴 目 录内容 页次一 屋盖概况二 观景区屋盖体系三 表演区屋盖结构选型四 荷载与作用五 屋盖单独模型计算分析六 屋盖与下部结构整体模型计算分析七 屋盖构件承载力稳定校核八 屋盖抗震加强措施九 结构材料十 施工方案建议十一 下阶段将深化的工作附录1、屋盖结构主要构件轴力图附录2、SAP2000主要计算分析结果附录3、屋盖结构平面图及立面图111461215151515 16一、屋盖概况按建筑功能划分碟形屋盖分别覆盖两个区域，观众表演区（简称表演区）以及观景休闲区（简称休闲区）。其中表演区屋盖平面为长圆形，由四段直线段（短边8.4m，长边33.6m）以及四个四分之一圆弧段（半径51.05m）连接而成，短跨跨度110.5m，长跨跨度135.7m，屋面最高标高41.0m，矢高6.9m，投影面积26008m2，其中观演区12758m2，休闲区为13250m2。休闲区屋盖在表演区屋盖四周，平面呈不规则三角形，最大跨度44.6m，檐口高度6m。屋盖等高线布置见图1，顶点标高41m，外边线标高26m。由于两个不同区域屋盖的跨度、支承条件、荷载分布以及屋盖高度相差迥异，屋盖选择不同的结构形式，表演区屋盖采用空间桁架，休闲区屋盖采用大跨屋面钢梁。由于屋盖高度超过28m，且跨度较大，本报告从屋盖结构选型、不同荷载作用下的屋盖结构受力及变形计算分析比较、考虑下部结构共同作用等方面进行屋盖的抗震可行性论证，并考虑了施工模拟分析。图1 屋盖结构等高线图二、观景区屋盖体系由于建筑净空要求，结构层应紧贴建筑屋面底面布置，因此该区域取消建筑找形次结构层。屋盖体系根据建筑与结构的关系可以分解为两个层次，屋盖支承结构屋盖结构。屋盖支承结构利用斜框架的悬臂桁架上弦以及表演区屋盖桁架上弦布置钢柱。由于屋面跨度较小，屋面荷载不大，屋盖结构采用门式刚架结构体系，外圈柱及中柱与悬臂桁架上弦铰接，梁柱刚接，考虑下部桁架竖向变形的影响，与观众区屋盖相邻的屋面梁连接在桁架上弦向上延伸的钢柱。屋面周边的加强环梁以及水平支撑系统、檩条系统形成面内刚度较好的屋盖结构体系。拟在局部外圈柱布置偏心柱间支撑（需与建筑商量），加强屋盖体系的抗侧刚度及抗扭刚度。钢梁截面高度控制在1m，柱采用宽翼缘H型钢。三、表演区屋盖结构选型1 屋盖结构体系组成不规则屋面等高线分布导致屋盖结构高度不等。为了屋盖下弦空间与观众区顶部建筑效果以及舞台上方悬挂层布置相协调，以及考虑屋盖结构对称布置、钢结构安装制作形式简洁，屋盖采用建筑找形，建筑屋面次结构与屋盖结构的空间关系见典型剖面图2及图3。图2 水平X向屋盖结构剖面图3 水平Y向屋盖结构剖面从上图可以看出，屋盖体系可以分解为三个层次，屋盖支承结构屋盖结构建筑屋面次结构。其中支承结构高度5m，屋盖桁架结构高度跨中7m，支座处3.0m，建筑屋面次结构高度从0.9m4.5m变化。2建筑屋面次结构作为钢屋盖结构的附属，将建筑屋面荷载传递到屋盖结构，保证屋面在各荷载作用下的变形。从屋盖结构桁架上弦节点立小钢柱，根据建筑外形布置柱间横梁以及屋面檩条系统，在局部柱间设置支撑，形成稳定的结构体系。详细结构布置将结合建筑屋面构造进一步细化。3屋盖支承结构作为屋盖结构与下部斜框架的过渡层，是屋盖结构的竖向承重以及水平荷载作用下的抗侧力体系。利用周边斜框架柱从24m标高向上延伸至29.00标高，柱间距11.8m以及8.4m，柱顶布置连续环梁，每隔2个柱间布置支撑。框架柱、环梁以及柱间支撑均采用钢结构，钢柱与下部斜框架方钢管混凝土型钢连接，截面为1200x600x35x35，环梁及柱间支撑均采用钢结构，截面分别为BOX 600 x600x15以及H400x400x13x21。4屋盖结构4.1 屋盖结构设计原则在不同荷载工况下通过协调支承结构的抗侧刚度，以及屋盖结构支座的弹性约束条件，保证屋盖结构的竖向刚度以及扭转刚度，减小屋盖结构支座的水平推力对下部斜框架的影响。影响屋盖竖向刚度以及柱顶水平推力的主要因素为屋盖高度形状、荷载分布、环向拉力环以及压力环刚度、支座构造以及支承结构抗侧刚度等。在结构计算分析过程中考虑上述各参数的作用，确定了合理的支座边界条件以及屋盖结构平面布置及形状。4.2 屋盖结构体系比选屋盖平面形状、矢高、承受荷载以及周边支承结构是屋盖结构选型的主要因素，建筑外观和功能也非常重要。由于矢高较低，悬挂集中荷载荷载较大，方案设计阶段进行了空间网架结构以及空间桁架结构两种结构体系的比较。（1） 空间网架结构体系采用正放四角锥网架结构形式，见图4及图5。在长、短轴跨中区域采用标准形式的正放四角锥网架，在4个1/4圆的区域则采用肋环形四角锥形式，同时为避免靠近圆心位置的网格过于密集，采取了由外向内多级收格的方式。根据结构高度范围的要求，网架为变高度，跨中最大高度6m，周边最小跨度3m。网架的支承方式为上弦周边多点柱支承，支承柱截面长边沿网架平面的法线方向布置。网架拟采用以螺栓球节点为主、局部内力较大处采用焊接球节点的节点形式。图4 网架结构三维图图5 网架结构平立面图网架杆件采用圆钢管，Q345B钢材，网架用钢量约100 kg/m2。网架最大挠度出现在“恒活温（30C）”工况，最大挠度470 mm，约为短跨跨度的1/235。（2）空间桁架结构采用了长圆形低拱高的空间钢桁架结构体系，见图6及图7，短边跨度110.5m，长边跨度135.7m，支承于下部36根斜框架柱。中央直线部分（33.6x110.5）是圆筒状桁架，拱高10m，屋盖结构高度跨中7m，支座处3.0m，两端半径51m的1/4圆形部分是球形的一部分，布置径向桁架TR1TR35。为了支承径向桁架以及协调桁架变形加强屋盖刚度，在屋盖中央重载区、1/4跨度以及支座处设置环向加强桁架（HTR1HTR4）。桁架上弦承受轴向压力为主，为了防止压杆平面外失稳，减小上弦杆件平面外计算长度，提高屋盖抗扭刚度及整体性，在上弦平面桁架节间布置水平支撑（见图7）。在屋盖下弦靠近支座处节间增设水平支撑，防止个别荷载工况下弦受压导致平面外失稳。图6 屋面桁架布置图（HTR1HTR4为环向桁架，TR1TR35为径向桁架） 图7 屋面桁架上弦支撑布置图（仅表示1/4区域，其余区域对称布置） 桁架结构杆件采用H型钢，Q345B钢材，结构用钢量120kg/m2。（3）方案比较两种结构方案的技术经济比较见表1。由表1可以看出，桁架结构体系在竖向刚度、悬挂荷载适应性以及支承结构水平推力等方面比网架结构具有相对优势，因此本阶段初步设计采用桁架结构体系。桁架结构也考虑了主次桁架布置形式，但考虑到主桁架支座反力（竖向力及水平推力）比较集中，对下部斜框架结构产生不利影响，屋面荷载传递途径较长，且整体性及冗余度不如空间桁架结构，因此以下计算分析与设计均采用空间桁架结构体系（见图6及图7）。4.4竖向荷载作用下屋盖设计初步设想在钢屋盖结构安装结束以及部分附加恒载（如屋面系统）施加之前（简称施工阶段1），屋盖桁架在支承柱顶采用聚四氟乙烯滑动支座，桁架与支承柱连接后施加剩余的附加恒载（简称施工阶段2）。表1 结构方案比较比较内容网架结构方案桁架结构方案竖向刚度AA整体稳定性AA集中悬挂荷载适应性AA结构用钢量AA对支承结构水平推力AA节点加工及施工难度AA施工周期（构件节点数）AA施工方案可选择性AA在施工阶段1，由支座处周边拉力环形桁架和屋面桁架形成自平衡状态，缓和柱顶水平推力对下部结构影响。采用滑动支座期间施加恒载越多，施加后续竖向荷载对柱顶水平推力越小，但桁架挠度以及构件内力增加；反之，采用滑动支座期间施加恒载越少，施加后续竖向荷载对柱顶水平推力越大，但有利于控制桁架挠度以及减小桁架构件内力。因此，在竖向荷载作用下，应在减小屋盖桁架对支座产生水平推力以及保证桁架刚度之间找到平衡点。设计考虑今后承建商可以有不同施工方案的选择，定义了施工上限及施工下限概念，施工下限即在施工阶段1施加的荷载为屋盖自重25附加恒载，施工上限即在施工阶段1施加的荷载为屋盖自重50附加恒载。施工阶段1桁架的竖向变形通过起拱解决，起拱值取恒荷载作用下的桁架变形值，活荷载作用下桁架竖向变形控制在跨度的1/500。4.5 其它荷载与作用下屋盖设计在水平（竖向）地震作用下，屋盖结构产生的水平力及由于质量分布不均产生的地震扭转力矩通过刚性屋盖传递给支承结构，在框架柱以及柱间支撑进行分配，再传递给下部斜框架结构。竖向地震作用按振型反应谱法、弹性时程分析以及结构重力代表值的10两者较大值。在水平风荷载作用下，屋盖结构产生的水平力及由于屋面体型不规则产生的风荷载扭转力矩通过刚性屋盖传递给支承结构，在框架柱以及柱间支撑进行分配，再传递给下部斜框架结构。在温度作用下，桁架应力增加以外周拉力环为最大。框架柱与钢屋盖的连接时间（施工阶段2结束）安排在中期（春秋季节），使温差尽可能减小。下部斜框架结构的水平位移、竖向压缩以及基础不均匀沉降等因素对屋盖结构的影响也将进行考虑。 四、荷载与作用1恒荷载与活荷载屋盖结构恒荷载和活荷载标准值如表2所示。作为综合类表演艺术中心，工艺要求较高，活动照明设备、风管、马道以及大型显示屏等局部吊挂荷载较大，重载区（舞台上方区域）吊挂荷载（包括马道转换支架重量）为 2.0kN/m2。屋面活荷载与雪荷载不同时发生，但考虑屋面活荷载或雪荷载分布的不均匀性的影响，设计采用半跨活荷载考虑其不利影响。表2 屋盖恒荷载和活荷载标准值荷载情况取值恒载屋面建筑做法0.50kN/m2檩条及节点0.20kN/m2建筑找平结构层0.20kN/m2均布吊重0.10kN/m2暖通风管（局部）0.50kN/m2重载区吊挂荷载1.0kN/m2活荷载屋面检修荷载0.50kN/m2雪荷载0.25kN/m2马道检修荷载(局部)1.0kN/m22风荷载屋盖基本风压取100年一遇的w0= 0.60 kN/m2。对本工程屋盖，我国规范没有对风荷载的体形系数做明确的规定，参考欧洲规范中关于圆形扁平屋盖结构风荷载体形系数的规定，将整个屋盖结构分为A、B、C三个区域（如图8），根据屋盖的矢高、结构高度与宽度的比值，确定各分区的体形系数。根据欧洲规范的规定，钢屋盖结构的分区可近似分成如图9所示，A、B、C三个区的体形系数分别为-0.5，-0.44和-0.13，风荷载均为吸力。屋盖桁架结构属于刚性结构，对风荷载相对敏感，参考有关资料风振系数近似取 1.8，计算中A、B、C三个区的风荷载标准值分别取-0.60、-0.53和-0.16kN/m2。精确的风振系数分布应通过数值模拟分析或气弹性模型风洞试验求得。考虑风吸力的荷载组合作用时，不考虑活荷载并对恒荷载适当折减。图8 扁平拱形屋盖的风荷载体形系数（欧洲规范）BABC图9 风荷载分布3温度作用屋面采用隔热保温材料，因此夏季屋顶面阳光直射钢屋盖升温不明显，考虑上海地区年平均最高及最低温差，以及将来屋盖结构支座固定时温度暂定在10左右，因此验算温度作用时取最大温差为 30。4地震作用水平地震及竖向地震作用参数同下部主体结构，阻尼比取0.02，竖向地震影响系数最大值取水平地震影响系数最大值的65%以及结构重力代表值的10两者较大值。5下部结构变形的影响由于屋盖结构支承于下部主体斜框架柱上，下部结构在竖向荷载作用或温度作用下，斜框架柱柱顶将产生水平及竖向变形，从而对上部屋盖结构产生影响，在第六章加以详细分析。下部框架柱采用方钢管混凝土柱，桩基持力层为第7层，且采用桩底注浆，因此竖向荷载作用下柱压缩以及基础不均匀沉降将比较小；此外，下部结构对风荷载作用不敏感，且对屋盖结构而言几乎为刚体位移，因此下部结构的差异沉降以及风荷载对上部屋盖结构影响可以忽略。6荷载组合各工况荷载组合见表3，考虑结构重要性系数1.1。表3 荷载组合恒载不利组合恒载有利组合恒载活载温度风荷载恒载活载温度风荷载非地震组合1.21.40.70.8410-0.7-0.841.20.9810.8410-1-0.841.20.980.71.410-0.7-1.41.350.980010001.21.40010001.20.9801.410.9801.41.21.400.8411.400.84恒载不利组合恒载有利组合恒载活载水平地震竖向地震风荷载恒载活载水平地震竖向地震风荷载地震组合1.20.61.30010.5-1.3001.20.601.30.2810.50-1.30.281.20.61.30.5010.5-1.3-0.501.20.61.300.2810.5-1.300.281.20.61.30.50.2810.5-1.3-0.50.28五、屋盖单独模型计算分析1计算分析模型通过上述荷载与作用初步分析，除地震作用外，下部结构对钢屋盖设计影响较小。为了简化计算分析工作，本阶段设计计算模型为屋盖钢结构与观景平台以上的支承结构单独计算，计算模型见图10。在各荷载工况作用下，考虑周边休闲区屋盖的竖向荷载、风荷载以及水平地震作用的影响（近似取桁架上弦受荷范围内的荷载）。图10 屋盖计算模型2支承结构抗侧刚度分析经过比较分析（见表4），屋盖结构的抗侧刚度主要由立柱提供，柱顶环梁的设置能增强支座的抗侧刚度，减少柱底的水平反力，但其作用有限，尤其是位于水平段内的环梁。图11 环梁对结构抗侧刚度的影响（Z1:600x35，Z2:600x1200x35）表4 立柱与环梁刚度比较分析截面（均为箱形截面）柱顶位移柱底水平反力环梁轴力环梁立柱x(mm)y(mm)Vx(kN.m)Vy(kN.m)N(kN)无600x3521.329.2555 761 无400x15600x3519.327.7505 723 1117600x15600x3518.427484 709 1690600x35600x3515.724.9422 665 3233800x35600x3514.423.8403 661 40051000x30600x3513.923.3395647 42891500X30600x3511.721600X1200X3511.715.81236 1667 无400X15600X1200X3511.215.51172 1632 536600x15600X1200X3510.815.41140 1614 902600x35600X1200X359.914.81042 1558 1929800x35600X1200X359.3114.4992 1533 23271000x30600X1200X359.114.26981 1531 24571500X30600X1200X358.113.4918 1520 3373注：表中比较对象为两根立柱，分别位于圆弧段的顶点（x向）和水平段的中点（y向）。当立柱截面较小时，环梁的改善作用明显。但其有利作用并不随着环梁刚度的增加而线性增加，超过某一临界点时，环梁刚度的增加带来的有利作用可忽略不计。当立柱截面较大时，环梁的改善作用不明显。所以，对柱顶环梁的设计需进行充分的比较分析，使其在不增加过多用钢量的同时，对整体结构能起到较有利的作用。3边界约束条件对竖向荷载作用下屋盖结构受力影响屋盖边界约束条件对结构受力的影响见表5。采用滑动支座时，竖向荷载作用下结构的竖向位移较大，大致为与支承柱铰接的2倍；桁架杆件内力略大于与支承柱铰接的情况，且桁架下弦的受力较大；温度作用不会引起结构内力。只有增加环向桁架可减小结构变形，但水平反力降低不明显。综合比较，与支承柱铰接时，结构位移较小，桁架杆件内力也较小，但支座水平推力较大，温度引起的内力和水平推力都较大；屋盖支座为滑动支座时，结构位移较大，桁架杆件内力也较大，但没有水平推力且温度引起的内力可以忽略。施工第一阶段，屋盖支座接近滑动支座，而施工第二阶段，屋盖与支承柱铰接。在结构分析中，应通过施工顺序加载，区分两个阶段结构的荷载与边界条件，使计算分析能反映实际工程的要求。表5 屋盖约束条件对结构受力的影响（力：kN，长度：mm）比较参数荷载与支承柱铰接滑动支座最大值说明最大值说明最大竖向位移竖向荷载88屋盖中央165屋盖中央支座水平位移竖向荷载10.3主桁架支座/温度荷载9.9径向桁架支座/支座水平反力竖向荷载883主桁架支座/温度荷载442主桁架支座/主桁架内力竖向荷载1617主桁架上弦1980横向桁架上弦温度荷载845主支座附近/内环桁架内力竖向荷载1402圆弧段1600圆弧段温度荷载690圆弧段/4环向桁架对屋盖结构受力影响图12为不同环向桁架设置方案（见表6）对结构受力和变形的影响。增加环向桁架或加强环向桁架都能提高结构的受力性能，即减小竖向荷载作用下结构的竖向位移以及竖向荷载和温度作用下支座的水平推力。相对而言，方案B、D对提高结构性能比方案C更为显著。为此，布置环向桁架时除了在内环形成空间桁架外，还在内环的上、下弦平面内设置水平支撑。表6 环向桁架设置方案方 案说 明A设置内、外环桁架B设置内、外环桁架，内环形成空间桁架C除内、外环桁架外，中间均匀增加三道环向桁架D内环形成空间桁架，并在内环内设置水平支撑图12 环向桁架方案比较5结构基本周期和振型 结构前三阶周期分别为0.847s、0.622 s和0.513s，振型如图13所示，第一阶振型为竖向振动，第二阶振型为长跨方向振动，第三阶振型为短跨方向振动。 T1=0.847 （竖向振动）T2=0.622 （长跨两个半波）T3=0.513 （短跨两个半波）图13 结构前三阶振型6竖向荷载下屋盖受力分析（1）恒载作用下屋盖受力分析竖向荷载作用下结构受力主要为轴向力，内力分布和最大值见附录1-1和1-2。附录1-1为结构自重作用下的轴力图，此时屋盖结构边界条件为滑动支座；附录1-2为附加恒载作用下结构的轴力图，此时屋盖与支承柱铰接。结构自重作用下，主桁架和径向主桁架上弦受压，下弦受拉，上下弦轴力均较大；外环受拉，下弦拉力较大，上弦拉力较小；内环上弦受压轴力较大、下弦受拉，轴力较小。附加恒载作用下，主桁架和径向主桁架上弦受压，轴力较大，下弦支座处受压、跨中受拉，但轴力均较小；外环受拉，下弦拉力较大；内环上弦受压，轴力较大，下弦受拉，但轴力很小。（2）活荷载不利布置分析活荷载半跨布置时桁架的受力与满跨布置比较见图14，半跨布置时桁架腹杆出现内力变号，在设计中考虑活载不利布置的影响。半跨布置MAX=390 kN满跨布置MAX=550 kN图14 活载半跨布置比较（3）竖向荷载下结构的变形竖向荷载下桁架挠度见图15。结构自重作用下竖向位移为151mm，约为跨度的1/732；附加恒载作用下竖向位移为118mm，活载作用下竖向位移为37mm，两者的总竖向位移为155mm，约为跨度的1/713。竖向荷载作用下，结构水平位移的方向为由屋盖中央向外推，最大水平位移出现在柱顶，附加恒载和活载作用下，最大水平位移分别为15和5mm。结构自重MAX=（跨中挠度170mm，水平位移32mm ）附加恒载MAX=（柱顶水平位移15 mm， 竖向位移118mm）活荷载MAX=（水平位移5mm， 竖向位移37mm）图15 结构位移（4）施工模拟分析实际结构施工中，施工阶段1屋盖结构在与支承柱脱开，结构上仅作用结构自重，边界条件为滑动支座，施工阶段2屋盖与支承柱铰接，结构上作用恒载和活载。当两阶段结构上的荷载不同时，结构柱底的水平反力和最终变形会有较大变化。采用施工顺序加载对不同施工方案（表7）进行模拟分析，得到结构的柱底反力见图16，支座编号见图17。表7 施工方案比较施工阶段施工阶段1荷载施工阶段2荷载施工阶段1挠度（mm）施工阶段2挠度（mm）普通方案结构自重附加恒载和活载170155施工上限结构自重和1/2附加恒载1/2附加恒载和活载28496施工下限结构自重和1/4附加恒载3/4附加恒载和活载227125表7和图16表明施工阶段1施加的荷载越多，支座水平反力越小，但结构第一阶段的挠度越大，施工阶段2的挠度越小。实际施工中，通过结合两阶段结构受力的不同特点，可以采用不同的施工方案，调节两个阶段施加的荷载，确定合理的施工上、下限，力求在结构变形满足要求的范围内，减小水平推力和杆件内力。图16 不同施工方案结构支座水平反力的比较7风荷载风荷载作用下，桁架杆件主要受轴向力，弯矩较小，主桁架、径向主桁架和环向桁架的轴力见附录1-3。主桁架上弦受拉，下弦轴力较小，支座处受拉，跨中受压；径向桁架上弦受拉，下弦受力较小，支座处受拉，跨中受力受风荷载作用方向的影响，可能受拉，也可能受压；外环上下弦均受压；内环上弦受拉、下弦受压。8温度作用在升温作用下，桁架杆件主要受轴向力，弯矩较小，主桁架、径向主桁架和环向桁架的轴力见附录1-4。桁架弦杆和环向桁架弦杆的轴力较大，上弦受拉、下弦受拉；外环桁架的受压，下弦轴力较大；内环桁架下弦受压，轴力较大，上弦受拉，轴力较小。9地震作用弹性反应谱分析得到地震作用下柱底水平剪力总和X、Y向分别为3281kN和3408kN，剪重比为4.73%和4.91%。在水平地震作用下，桁架杆件主要受轴向力，主桁架、径向主桁架和环向桁架的轴力见附录1-5。图17 支座编号竖向地震作用下柱底竖向力总和为1719kN，约为重力荷载的2.5%。竖向地震作用下，桁架杆件主要受轴向力，主桁架、径向主桁架和环向桁架的轴力见附录1-6。10弹性时程分析弹性时程分析时程波采用SHW1、SHW3以及SHW4（图18），加速度峰值为35gal。弹性时程分析得到结构的基底剪力与反应谱结果的比较见图19。三条时程波的计算结果均比反应谱大，最大值为反应谱的40%。三个方向基底剪力的时程分析结果平均值分别为反应谱的1.35、1.32和1.12倍，实际计算中采用时程分析结果的平均值，相当于反应谱分析地震作用放大35。时程分析结果得到竖向地震作用平均值为重力荷载的6.8，实际计算中竖向地震作用取重力荷载的10。图18 弹性时程分析采用的地震波11单工况结构受力和变形比较（1）桁架杆件轴力单工况下桁架杆件轴力最大值比较见图20。桁架杆件轴力主要由恒载引起，其它依次为温度作用、活载、风荷载、竖向地震和水平地震作用。结构各部位的轴力对比说明，主桁架的轴力最大，其它依次为外环桁架、内环桁架和径向桁架。图19 弹性时程分析与反应谱分析结果比较图20 单工况下桁架杆件轴力最大值（2）结构支座反力单工况结构支座反力比较见图21，支座节点编号见图17。支座水平反力主要由恒载和温度荷载引起；活荷载和风荷载引起的支座水平反力大小相差很小；水平地震和竖向地震引起的支座水平反力最小。支座竖向反力主要由恒载引起，其它荷载引起的竖向反力均较小。支座反力在Y向主桁架的下部较大，在其余桁架下部较小。图21 单工况支座反力比较（3）柱顶水平位移单工况结构柱顶水平位移比较见图22，柱顶节点编号见图17。柱顶水平位移和支座水平反力的大小接近成正比关系。在X、Y向主桁架下，恒载引起的柱顶位移较大，在径向主桁架下，温度引起的柱顶位移最大。单工况结构受力比较说明，结构内力和支座反力中，恒载和温度为主要控制作用，活载和风荷载引起的作用较小，且两者大小相差不多，地震作用相对最小。图22 单工况柱顶水平位移比较六、屋盖与下部结构整体模型计算分析在相同计算条件下（下部结构计算温差取20，结构阻尼比0.035），建立了屋盖钢结构与下部看台及斜框架结构整体计算模型，以此计入下部结构对屋盖钢结构设计（如杆件内力及变形、支座反力及位移）的影响，也可准确计算屋盖钢结构对下部结构内力的影响。1 整体模型地震响应（1）结构振型考虑看台与屋盖结构相互作用，整体结构模型的基本振型与单独看台结构和屋盖结构的比较见表8。整体结构第一周期为扭转，周期和振型与看台单独结构相同；第二周期为屋盖竖向振动，周期比单独屋盖结构的竖向振型周期略大；第三周期为X向（长轴向）平动；第四周期为Y向（短轴向）平动。表8 整体结构与单独结构周期和振型比较振型看台结构模型屋盖结构模型整体结构模型周期振型周期振型周期振型11.149 RZ0.847 UZ1.134 RZ20.590 UX0.622 UX0.867 UZ30.578 UY0.513 UY0.647 UX4/0.476 RZ0.603 UY（2）屋盖地震作用考虑看台与屋盖相互作用，由于鞭鞘效应，屋盖地震力有明显增大。整体结构中屋盖的地震力与单独屋盖模型的结果比较见表9。考虑相互作用后，X向和Y向的地震作用分别为单独屋盖结构计算结果的2.08倍和2.73倍，竖向地震差别不大。表9 屋盖结构水平地震作用（kN）地震作用方向屋盖结构模型整体结构模型比值X（KN）3281（4.73）6864（9.89）2.08Y（KN）3408（4.91）9338（13.46）2.73Z（KN）1719（2.5）1999（2.91）1.162屋盖结构力学响应（1） 屋盖内力变化因素分析考虑下部结构与屋盖相互作用，屋盖结构内力产生变化，引起变化的原因有两个方面：因素a：屋盖支承柱下端节点为弹性约束（节点约束刚度为看台的结构刚度）；因素b：屋盖支承柱下端节点存在位移（即下部结构在附加竖向荷载及其它荷载作用下将产生位移）。以受力较大的Y向主桁架为例，考虑下部结构刚度后的内力对比见表3。竖向荷载作用下，上弦内力几乎没有变化，下弦内力略有增大，温度作用下，上、下弦内力均比刚性支座时略小。Y向主桁架考虑支座位移后的内力见表10。竖向荷载作用下，桁架上弦受压，基本没有变化，桁架下弦受拉，附加恒载和活荷载作用下分别为125kN和152kN。温度作用下，桁架上弦受压，下弦受拉，与单独屋盖模型温度作用下的内力正好相反。表10内力分析也表明，考虑下部结构刚度与单独模型（不考虑下部结构刚度）时钢屋盖构件内力相差不大，主要是因为屋盖支承结构刚度远小于下部结构刚度。屋盖内力变化主要为支座位移引起。表10 考虑下部结构与屋盖作用主桁架内力分析（kN）荷载工况构件考虑下部结构刚度考虑支座位移整体模型单独模型附加恒载上弦-2060-13-2073-2069 （1.0）下弦667125792579 （1.34）活载上弦-669-14-683-674 （1.01）下弦200152352174 （2.02）温度作用上弦497-197300534 （0.56）下弦-517313-204-565 （0.36）下部结构活荷载不利分布对上部结构受力的影响见表11。下部结构活荷载仅分布在看台区域时，屋盖支座变形很小，引起的桁架内力很小；下部结构活荷载仅分布在悬挑桁架区域时，屋盖桁架下弦受拉，最大拉力为146 kN，上弦最大压力为16 kN；下部结构活载满跨布置时，屋盖桁架下弦最大拉力为152 kN，上弦最大压力为14 kN。因此，仅在悬挑桁架区域布置活荷载对屋盖支座位移影响比较显著，另下部结构悬挑桁架相邻跨活荷载不利分布对屋盖外环桁架内力有影响，因此在屋盖结构设计时应该考虑下部结构活荷载不利分布。表11 下部结构活荷载不同分布对主桁架内力的影响（kN）杆件满跨分布仅看台区域分布仅悬挑区域分布上弦-145-16下弦1529146（2） 屋盖内力比较图23表示考虑与看台的相互作用后的屋盖各部位桁架最大轴力的变化。恒载作用下，各部位桁架内力没有明显变化；温度作用下，桁架杆件内力有较明显的减小，约为单独计算的0.40-0.55倍；水平地震作用下，桁架杆件内力有较明显的增大，约为单独计算的2.80-3.50倍；竖向地震作用下，桁架杆件内力略有增大，约为单独计算的1.15-1.30倍。图23 屋盖各部位内力比较（3） 屋盖支承柱顶变形表12为屋盖支承柱顶水平变形的比较。在竖向荷载作用下，柱顶水平位移相差不大。地震作用下，整体结构的位移约为单独屋盖结构2.7倍到3.5倍；温度作用下，整体结构位移约为单独屋盖结构的0.60倍。表12 柱顶水平位移（mm）位置计算模型附加恒载活载地震作用温度作用188屋盖结构8.08 3.05 1.12 10.78 整体结构8.25 3.15 2.98 6.39 196屋盖结构11.55 4.29 1.32 9.12 整体结构11.48 4.32 4.60 5.36 （4）屋盖支承柱底水平反力图24表示考虑与下部结构相互作用后的屋盖柱底水平反力的变化，柱位置见图17。附加恒载作用下，柱底水平反力略有减小；温度作用下，柱底水平反力有明显减小，约为单独计算的0.35-0.51倍；水平地震作用下，柱底水平反力有明显增大，约为单独计算的2.16-2.90倍；竖向地震作用下，柱底水平反力略有变化，约为单独计算的0.98-1.25倍。图24 柱底水平反力比较设计中，温度作用和地震作用不同时组合，对非地震组合，柱底水平反力有明显减小，由2460kN减小到1800kN；对地震组合，由于相对恒载引起的水平反力较大（1036kN），地震引起的水平反力较小（290kN），组合后的柱底水平反力增大不多，由1670kN增大到1730kN。3 小结上述比较分析表明，考虑与下部结果的共同作用后，整体结构的基本周期没有发生实质变化，但屋盖的地震作用明显增大；竖向荷载和竖向地震作用下，整个屋盖的受力变化较小；温度作用下，屋盖结构的内力和柱底水平反力明显减小；水平地震作用下，屋盖结构的内力和柱底水平反力明显增大。考虑温度作用的荷载组合起控制作用，屋盖传到下部结构的水平力比单独计算模型减小27。由于下部结构与屋盖钢结构在结构体系、材料属性、地震动参数等方面均有较大差别，整体模型计算分析工作量巨大，在下阶段设计中将加以简化，利用上述两个模型对比分析结果，在单独屋盖模型中通过调整各荷载工况分项系数来进行屋盖设计。七、屋盖构件承载力稳定校核根据前述的内力组合进行构件承载力校核，非地震组合地震组合0取1.1，地震组合考虑RE的影响，0取1.0。通过设置屋面水平支撑，保证桁架的平面外计算长度取节间长度，水平支撑按规范作为减小受压构件长细比的要求进行计算，并满足长细比要求；支承柱沿环向计算长度系数取1.0，沿径向计算长度偏安全取2.0。计算结果表明，在各荷载工况组合下，构件应力比校核结果汇总见图25，所有构件都能满足承载力及稳定要求。支承柱、柱间支撑和桁架的局部稳定通过限制板件宽厚比来满足要求，其中支承柱、柱间支撑构件板件宽厚比满足抗震设计要求，桁架构件板件宽厚比满足一般钢结构设计要求。