上海南站屋盖钢结构

may2004,建筑钢结构进展,37-1,上海南站屋盖钢结构分析,同济大学罗永峰,may2004,建筑钢结构进展,37-2,上海南站屋盖建筑造型,may2004,建筑钢结构进展,37-3,1.1屋盖曲面形状屋盖平面：圆形，直径约276m。立面：由三部分曲面组成外柱和顶压环间-扁圆锥曲面，外径224.0m，内径32.0m，矢高19.187m。中央顶压环-直径32.0m，圆锥曲面。顶压环在主梁内端处升高2.6m，形成一突出圆锥面屋顶，矢高24.28m。外柱以外-边缘悬挑25.567m，形成边缘上翘的圆环曲面。,1.屋盖概况,may2004,建筑钢结构进展,37-4,1.2钢结构体系屋盖钢结构主梁18根，沿平面射线方向均匀对称布置。梁的平面形状为二次分岔Y型梁，分岔点位于内、外柱处。梁在内柱以内部分设有下弦预应力钢棒和刚性撑杆。,may2004,建筑钢结构进展,37-5,梁截面形式为沿轴线变截面（变截面尺寸但不变形状）的橄榄型薄壁闭口截面，在上下翼缘处分别用钢管和钢板加强。,may2004,建筑钢结构进展,37-6,屋面檩条为圆弧曲杆钢管，连接于橄榄型主梁截面中线，檩条间距约3.832m。在半径为28.045m、46.699m、76.0m（内柱处）和112.0m（外柱处）处圆弧檩条旁增设直钢管檩条，称为主檩条。,may2004,建筑钢结构进展,37-7,屋盖主梁间除檩条外，另设有4道X形预应力钢棒索。梁间钢棒索既不平行于主梁，也不平行于檩条，均为Y型主梁分岔点处分支梁的反向延伸。,may2004,建筑钢结构进展,37-8,may2004,建筑钢结构进展,37-9,屋盖结构下设两圈支柱：内圈柱分布在直径152.0m的圆周上，共18根650mm的钢管混凝土柱。外柱分布在直径224.0m的圆周上，共36根800mm的钢管混凝土柱，外柱沿圆周向两侧设有从柱顶到地面的斜向拉索，以保证柱子的侧向稳定。,may2004,建筑钢结构进展,37-10,may2004,建筑钢结构进展,37-11,屋盖结构为主梁承重的刚性结构体系。主要受力构件为二次分岔的Y型主梁。主梁在内柱以内增设预应力钢棒。该预应力钢棒在顶压环附近分岔成Y形并与其它梁下同样的Y形预应力钢棒相连。主梁间X形钢棒索形成各梁之间联系，将整个屋盖连为整体，钢棒布置均不通过屋盖平面形心。屋盖主檩条和X形预应力索传递拉力，使屋盖形成一个完备的抗扭、抗侧体系。屋盖顶压环将所有主梁的悬臂端连接在一起。在外柱与主梁连接节点中设置弹簧，用于减小温度变化引起的柱顶侧移及柱内弯矩，,2.结构特点,may2004,建筑钢结构进展,37-12,3.钢结构屋盖分析,3.1Y型主梁的整体稳定3.1.1主梁计算模型计算梁段为外柱和顶压环之间梁段，与主梁相连接的檩条和钢棒简化为弹簧。,may2004,建筑钢结构进展,37-13,3.1.2主梁稳定性态主梁最小线性稳定系数4.959，为加劲肋局部失稳(前30阶均为内柱附近加劲肋失稳)，几何非线性稳定系数3.552，弹塑性稳定系数2.905。,may2004,建筑钢结构进展,37-14,3.2外柱与主梁间合理弹簧刚度3.2.1影响弹簧刚度的因素影响弹簧刚度的因素：弹簧行程、柱顶侧移。由于构造限制，弹簧最大宽度70mm，行程35mm。柱顶侧移不能过大，否则柱端弯矩将很大。主索（即屋面交叉索）预应力大小对柱顶侧移和弹簧行程有影响但影响不大(但索退出工作，影响变大)。预应力大，屋面刚度大、整体性强，柱顶侧移和弹簧行程小。但主索预应力大，施工难度大。弹簧刚度的确定应同时考虑索的作用。对最小主索预应力应有限制，要求索在设计荷载及常遇地震下不退出工作。,may2004,建筑钢结构进展,37-15,3.2.2确定弹簧刚度的工况确定合理弹簧刚度和主索预应力，按不同主索预应力和不同荷载工况进行计算。考虑3种主索预应力和3种荷载组合，弹簧刚度的取值范围为2kN/mm100kN/mm。确定合理弹簧刚度的计算内容,may2004,建筑钢结构进展,37-16,3.2.3理论计算合理弹簧刚度数值分析得出：1)影响弹簧刚度和行程的最不利荷载组合为“1.2*恒载+1.4*0.7*活载+1.4*升温”；2)主索预应力大小对弹簧刚度的影响不大；3)合理弹簧刚度为4.0kN/mm，此时在荷载组合“1.2*恒载+1.4*0.7*活载+1.4*升温”下，弹簧行程为33.3mm，不大于35mm。若弹簧刚度小，弹簧行程将超出构造范围；若弹簧刚度大，外柱顶侧移大，柱底弯矩大。,may2004,建筑钢结构进展,37-17,3.3合理预应力的确定3.3.1合理预应力的确定原则(1)屋面交叉主索和外柱斜拉索在设计荷载下均不退出工作；(2)屋面交叉主索和外柱斜索在常遇地震作用不退出工作；(3)在满足以上2条的情况下，预应力应尽量小，以减小施工张拉的难度；(4)在各荷载组合作用下，各索内的应力分布应尽量均匀。,may2004,建筑钢结构进展,37-18,3.3.2确定合理预应力组合的计算内容,may2004,建筑钢结构进展,37-19,3.3.3合理预应力,may2004,建筑钢结构进展,37-20,3.4屋盖结构的整体稳定性分析根据理论确定的合理弹簧刚度4kN/mm，进行屋盖整体稳定的分析。3.4.1计算内容屋盖整体稳定分别考虑4种主索预应力和5种荷载组合，进行线性和非线性整体稳定分析。,may2004,建筑钢结构进展,37-21,3.4.2计算模型结构整体计算模型未计次檩条的影响；主梁与外柱间的连接弹簧刚度(径向)为4kN/mm，环向为刚接；整体稳定计算模型包括屋盖结构和柱。,may2004,建筑钢结构进展,37-22,3.4.3结构整体稳定性态在“1.0*恒载+1.0*活载”作用下，线性整体稳定系数最小，cr=4.722。同时计算表明，主索预应力大小对屋盖整体稳定性影响不大。,结构在荷载组合“1.0*恒载+1.0*活载”作用下整体屈曲模态,may2004,建筑钢结构进展,37-23,根据线性稳定分析结果，几何非线性分析取最不利荷载组合“1.0*恒载+1.0*活载”进行计算，主索预应力采用最优预应力组合，初始缺陷取L/300，带缺陷结构最小非线性整体稳定系数为4.002。,结构屈曲荷载-位移曲线,may2004,建筑钢结构进展,37-24,3.5屋盖结构的抗扭分析3.5.1计算目的由于屋盖结构中梁的布置均沿径向分布，仅梁间的X形交叉预应力钢棒索不通过屋盖形心，因而屋盖的整体性和抗扭性能主要依赖于梁间预应力钢棒索。研究屋盖的抗扭能力，需对屋盖结构进行抗扭极限分析，求出屋盖极限扭矩，为屋盖抗扭设计提供依据。研究屋盖钢棒索预应力大小对屋盖抗扭刚度的影响，选取不同预应力进行抗扭计算比较。得出不同预应力结构抗扭极限承载力。,may2004,建筑钢结构进展,37-25,3.5.2计算内容屋盖结构的抗扭极限分析和整体抗扭计算。仅对内压环施加扭矩，主索预应力考虑60140MPa及最优预应力组合，主索截面为70。,may2004,建筑钢结构进展,37-26,3.5.3结构抗扭极限扭矩图示为主索预应力为最优组合时，抗扭极限分析得到的非线性扭转屈曲模态。,may2004,建筑钢结构进展,37-27,图示为主索截面为70时，抗扭极限承载力TU随主索预应力的变化曲线。可以看出，若预应力小于100MPa，则结构抗扭极限承载力几乎不变。,may2004,建筑钢结构进展,37-28,下表为不同主索预应力，索截面均取70时，结构的抗扭极限扭矩。,may2004,建筑钢结构进展,37-29,3.5.4结构整体抗扭性态结构整体抗扭计算取最优预应力组合，荷载工况为1.35*恒载+1.4*0.7*活载。计算表明，扭矩对主索的拉力产生影响，对其他结构参数影响不大。施加扭矩后，最内环索拉力减小，其余三环索拉力均增大。,有扭矩无扭矩,may2004,建筑钢结构进展,37-30,3.5.5抗扭分析小结1)若主索预应力不超过100MPa，则结构抗扭极限承载力基本保持不变；2)对结构施加扭矩仅对主索拉力产生较大影响，对结构的其他参数影响不大。,may2004,建筑钢结构进展,37-31,3.6屋盖结构的动力特性本结构体系为钢梁与柔索组合体系，结构的振动特性不同于传统的刚性屋盖或柔性屋盖。由于屋盖中的主梁均沿射线方向布置，且檩条均位于同心圆周上，振动中的扭转分量可能引起整