屋盖钢结构37张幻灯片

1、上海南站屋盖钢结构分析 同济大学 罗永峰may 20191建筑钢结构进展上海南站屋盖建筑造型may 20192建筑钢结构进展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 may 20193建筑钢结构进展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

2、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。 may 20194建筑钢结构进展 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。may 20195建筑钢结构进展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。may 20196建筑钢结构进展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

3、伸。 may 20197建筑钢结构进展may 20198建筑钢结构进展 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。 may 20199建筑钢结构进展may 201910建筑钢结构进展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

4、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 may 201911建筑钢结构进展3. 钢结构屋盖分析 3.1 Y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。may 201912建筑钢结构进展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2.9

5、05。may 201913建筑钢结构进展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。may 201914建筑钢结构进展 3.2.2 确定弹簧刚度的工况 确定合理弹簧刚

6、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荷载组合主索预应力弹簧刚度1.35*恒载+1.4*0.7*活载80 MPa, 100 MPa, 120MPa2100kN/mm1.2*恒载+1.4*0.7*活载+1.4*升温80 MPa,100 MPa, 120MPa2100kN/mm1.2*恒载+1.4*0.7*活载+1.4*降温80 MPa, 100 MPa, 120MPa2100kN/mmmay 201915建筑钢结构进展3.2.3 理论计算合理弹簧刚度 数值分析得出： 1

7、) 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。may 201916建筑钢结构进展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

8、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。 may 201917建筑钢结构进展3.3.2 确定合理预应力组合的计算内容 序号荷载组合计算内容计算模型011.35*恒+1.4*0.7*升温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条021.35*恒+1.4*0.7*降温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条031.2*恒+1.4*升温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条041.2*恒+1.4*降温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条051.0*恒+1.4*升温+1

9、.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条061.0*恒+1.4*降温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条071.2*恒+1.4*风+1.4*0.7*升温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条081.2*恒+1.4*风+1.4*0.7*升温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条091.2*恒+1.4*风+1.4*0.7*升温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条101.2*恒+1.4*风+1.4*0.7*升温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条111.0*恒+1.4*风+1.4*0.7*降温

10、+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条121.0*恒+1.4*风+1.4*0.7*降温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条131.0*恒+1.4*风+1.4*0.7*降温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条141.0*恒+1.4*风+1.4*0.7*降温+1.4*0.7*活载反复试算，确定最小预应力包括次檩条151.2*重力荷载代表值反复试算，确定最小预应力包括次檩条161.2*重力荷载代表值+1.3*地震作用常遇地震作用下的弹性动力时程分析，各索均取足够大的预应力，确定索内应力最大振幅没有次檩条171.2*重力荷载代表值+1.3*地震

11、作用常遇地震作用下的弹性动力时程分析，取最优预应力组合，验证是否有索退出工作没有次檩条may 201918建筑钢结构进展3.3.3 合理预应力 最外环次外环次内环最内环外柱斜索A外柱斜索B最优预应力组合（MPa）40.090.0 100.0160.030.0130.0 may 201919建筑钢结构进展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。荷载组合主索预应力(MPa)弹簧刚度1.0*恒载+1.0*活载80, 100, 120, 最优

12、组合4kN/mm1.0*恒载+1.0*风载180, 100, 120, 最优组合4kN/mm1.0*恒载+1.0*风载280, 100, 120, 最优组合4kN/mm1.0*恒载+1.0*风载380, 100, 120, 最优组合4kN/mm1.0*恒载+1.0*风载480, 100, 120, 最优组合4kN/mmmay 201920建筑钢结构进展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。may 201921建筑钢结构进展3.4.3 结构整体稳定性态 在“1.0*恒载+1.0*

13、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 may 201922建筑钢结构进展 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may 201923建筑钢结构进展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

14、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。may 201924建筑钢结构进展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 。 分析方法主索预应力荷载组合抗扭极限分析60140MPa，最优组合仅有内压环扭矩整体抗扭计算最优预应力组合1.35*恒载+1.4*0.7*活载+小扭矩最优预应力组合1.3

15、5*恒载+1.4*0.7*活载（用于比较）may 201925建筑钢结构进展 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。may 201926建筑钢结构进展 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。may 201927建筑钢结构进展 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。主索预应力(MPa)6080100TU(103kN*m) 15211.40 15211.40 15211.40 主索预应力(MPa)120140最优组合TU(1

16、03kN*m) 14381.41 14381.41 14381.41 may 201928建筑钢结构进展 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may 201929建筑钢结构进展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。 may 201930建筑钢结构进展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个屋盖结构的扭转振动。阶数123456789频率0.60160.72620.72620.95761.07541.11081.11081.15301.1530周期(s)1.66221.37701.37701.04420.92990.90030.90030.86730.8673阶数101112131415161718频率1.2393