1、TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-1上海南站上海南站屋盖钢结构分析屋盖钢结构分析 同济大学同济大学 罗永峰罗永峰TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-2上海南站屋盖建筑造型上海南站屋盖建筑造型TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-31.1 屋盖曲面形状屋盖曲面形状 屋盖平面：圆形，直径约屋盖平面：圆形，直径约276m。立面：由三部分曲面组成立面：由三部分曲面组成 外柱和顶压环间外柱和顶压环间-扁圆锥曲面，外径扁圆锥曲面，外径224.0m，内径内径32.0m，矢高矢高19.187m。中央顶压环中央
2、顶压环-直径直径32.0m，圆锥曲面。顶压环圆锥曲面。顶压环在主梁内端处升高在主梁内端处升高2.6m，形成一突出圆锥面屋顶，形成一突出圆锥面屋顶，矢高矢高24.28m。外柱以外外柱以外-边缘悬挑边缘悬挑25.567m，形成边缘上翘形成边缘上翘的圆环曲面。的圆环曲面。1.屋盖概况屋盖概况 TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-41.2 钢结构体系钢结构体系 屋盖钢结构主梁屋盖钢结构主梁18根，沿平面射线方向均匀对称布置。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梁的平面形状为二次分岔Y型梁，分岔点位于内、外柱处。梁型梁，分岔点位于内、外柱处。梁在内柱以
3、内部分设有下弦预应力钢棒和刚性撑杆。在内柱以内部分设有下弦预应力钢棒和刚性撑杆。TONGJI Universitymay 2019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）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。板加强。TONGJI Universitymay 2019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，屋面檩条为圆弧曲杆钢管，连接于橄榄型主梁截面中线，檩条间距约檩条间距约3.832m。在半径为在半径为28.045m、
4、46.699m、76.0m（内柱处）和内柱处）和112.0m（外柱处）处圆弧檩条旁增设直钢管檩条，称为主檩条。外柱处）处圆弧檩条旁增设直钢管檩条，称为主檩条。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-7屋盖主梁间除檩条外，另设有屋盖主梁间除檩条外，另设有4道道X形预应力钢棒索。梁形预应力钢棒索。梁间钢棒索既不平行于主梁，也不平行于檩条，均为间钢棒索既不平行于主梁，也不平行于檩条，均为Y型主梁型主梁分岔点处分支梁的反向延伸。分岔点处分支梁的反向延伸。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-8TONGJI Universitymay 201
5、9建筑钢结构进展37-9 屋盖结构下设两圈支柱：屋盖结构下设两圈支柱：内圈柱分布在直径内圈柱分布在直径152.0m的圆周上，共的圆周上，共18根根650mm的的钢管混凝土柱。钢管混凝土柱。外柱分布在直径外柱分布在直径224.0m的圆周上，共的圆周上，共36根根800mm的钢的钢管混凝土柱，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。索，以保证柱子的侧向稳定。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-10TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-11屋盖结构为屋盖结构
6、为主梁承重的刚性结构体系主梁承重的刚性结构体系。主要受力构件为二次分岔的主要受力构件为二次分岔的Y型主梁。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环附近分岔成Y形并与其它梁下同样的形并与其它梁下同样的Y形预应力钢棒相连。形预应力钢棒相连。主梁间主梁间X形钢棒索形成各梁之间联系，将整个屋盖连为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。整体，钢棒布置均不通过屋盖平面形心。屋盖主檩条和屋盖主檩条和X形预应力索传递拉力，使屋盖形成一个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。完备
7、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。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，引起的柱顶侧移及柱内弯矩，2.结构特点结构特点 TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-123.钢结构屋盖分析钢结构屋盖分析 3.1 Y型主梁的整体稳定型主梁的整体稳定 3.1.1 主梁主梁计算计算模型模型 计算梁段为外柱和顶压环之间梁段，与主梁相连接的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。檩条和钢棒简化为弹簧。TON
8、GJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-133.1.2 主梁稳定主梁稳定性态性态 主梁最小线性稳定系数主梁最小线性稳定系数4.959，为加劲肋局部失稳，为加劲肋局部失稳(前前30阶均为内柱附近加劲肋失稳阶均为内柱附近加劲肋失稳)，几何非线性稳定系数，几何非线性稳定系数3.552，弹塑性稳定系数，弹塑性稳定系数2.905。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-143.2 外柱与主梁间合理弹簧刚度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 影响弹簧刚度的因素：弹簧行程、柱顶侧移。影响弹簧刚度的因素：弹簧行程、柱
9、顶侧移。由于构造限制，弹簧最大宽度由于构造限制，弹簧最大宽度70mm，行程行程35mm。柱顶侧移不能过大，否则柱端弯矩将很大。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）预应力主索（即屋面交叉索）预应力大小大小对柱顶侧移和弹对柱顶侧移和弹簧行程有影响但影响不大簧行程有影响但影响不大(但索退出工作，影响变大但索退出工作，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。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。对最小主弹簧刚度的确定应同时考虑索的作用。对最小主索预应
10、力应有限制，要求索在设计荷载及常遇地震下不索预应力应有限制，要求索在设计荷载及常遇地震下不退出工作。退出工作。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-15 3.2.2 确定弹簧刚度的工况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。考虑不同荷载工况进行计算。考虑3种主索预应力和种主索预应力和3种荷载组种荷载组合，弹簧刚度的取值范围为合，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确定合理弹簧刚度的计算内容荷载组合荷载组合主索预应力主索预应力弹
11、簧刚度弹簧刚度1.35*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载80 MPa,100 MPa,120MPa2100kN/mm1.2*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载+1.4*升温升温80 MPa,100 MPa,120MPa2100kN/mm1.2*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载+1.4*降温降温80 MPa,100 MPa,120MPa2100kN/mmTONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-163.2.3 理论计算合理弹簧刚度理论计算合理弹簧刚度 数值分析得出：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影响弹簧刚度和行程的最不利荷载组合为“1.2*
12、恒恒载载+1.4*0.7*活载活载+1.4*升温升温”；2)主索预应力主索预应力大小大小对弹簧刚度的影响不大；对弹簧刚度的影响不大；3)合理弹簧刚度为合理弹簧刚度为4.0kN/mm，此时在荷载组合此时在荷载组合“1.2*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载+1.4*升温升温”下，弹簧行程为下，弹簧行程为33.3mm，不大于不大于35mm。若弹簧刚度小，弹簧行程若弹簧刚度小，弹簧行程将超出构造范围；若弹簧刚度大，外柱顶侧移大，将超出构造范围；若弹簧刚度大，外柱顶侧移大，柱底弯矩大。柱底弯矩大。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-173.3 合理预应力的确定合理预应
13、力的确定 3.3.1 合理预应力的确定原则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屋面交叉主索和外柱斜拉索在设计荷载下均不退出工作；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屋面交叉主索和外柱斜索在常遇地震作用不退出工作；作；(3)在满足以上在满足以上2条的情况下，预应力应尽量小，以减条的情况下，预应力应尽量小，以减小施工张拉的难度；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在各荷载组合作用下，各索内的应力分布应尽量均匀。匀。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-183.3.2 确定合理预应
14、力组合的计算内容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+1.4*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0
15、71.2*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+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
16、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TONGJI Universitymay 2019建
17、筑钢结构进展37-193.3.3 合理预应力合理预应力 最外环最外环次外环次外环次内环次内环最内环最内环外柱斜索外柱斜索A外柱斜索外柱斜索B最优预应力组合（最优预应力组合（MPa）40.090.0 100.0160.030.0130.0 TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-203.4 屋盖结构的整体稳定性分析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根据理论确定的合理弹簧刚度4kN/mm，进行屋盖整进行屋盖整体稳定的分析。体稳定的分析。3.4.1 计算内容计算内容 屋盖整体稳定分别考虑屋盖整体稳定分别考虑4种主索预应力和种主索预应力和5种荷载组合，种
18、荷载组合，进行线性和非线性整体稳定分析。进行线性和非线性整体稳定分析。荷载组合荷载组合主索预应力主索预应力(MPa)弹簧刚度弹簧刚度1.0*恒载恒载+1.0*活载活载80,100,120,最优组合最优组合4kN/mm1.0*恒载恒载+1.0*风载风载180,100,120,最优组合最优组合4kN/mm1.0*恒载恒载+1.0*风载风载280,100,120,最优组合最优组合4kN/mm1.0*恒载恒载+1.0*风载风载380,100,120,最优组合最优组合4kN/mm1.0*恒载恒载+1.0*风载风载480,100,120,最优组合最优组合4kN/mmTONGJI Universitymay
19、 2019建筑钢结构进展37-213.4.2 计算模型计算模型 结构整体计算模型未计次檩条的影响；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主梁与外柱间的连接弹簧刚度(径向径向)为为4kN/mm，环向为刚接；环向为刚接；整体稳定计算模型包括屋盖结构和柱。整体稳定计算模型包括屋盖结构和柱。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-223.4.3 结构整体稳定性态结构整体稳定性态 在在“1.0*恒载恒载+1.0*活载活载”作用下，线性整体稳定系作用下，线性整体稳定系数最小，数最小，cr=4.722。同时计算表明，主索预应力。同时计算表明，主索预应力大小
20、大小对对屋盖整体稳定性影响不大。屋盖整体稳定性影响不大。结构在荷载组合结构在荷载组合“1.0*恒载恒载+1.0*活载活载”作用下整体屈曲模态作用下整体屈曲模态 TONGJI Universitymay 2019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载组合“1.0*恒载恒载+1.0*活载活载”进行计算，主索预应力进行计算，主索预应力采用采用最优预应力组合最优预应力组合，初始缺陷取初始缺陷取L/300，带缺陷结构最小非线带缺陷结构最小非线性整体稳定系数为性整体稳定系数为4.002。结构屈曲荷载结构屈曲荷载-位移曲
21、线位移曲线00.511.522.533.544.5-2-1.5-1-0.500.5UX_18744UY_18744UZ_18744TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-243.5 屋盖结构的抗扭分析屋盖结构的抗扭分析 3.5.1 计算目的计算目的 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。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研究屋盖的
22、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。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，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。构抗扭极限承载力。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-253.5.2 计算内容计算内容 屋盖结构的抗扭极限分析和屋盖结构的抗扭极限分析和整体抗扭计算整体抗扭计算。仅对内压环施加扭矩，主索预应力考虑仅对内压环施加扭矩，主索预应力考虑
23、60140MPa及及最优预应力组合，最优预应力组合，主索截面为主索截面为70。分析方法分析方法主索预应力主索预应力荷载组合荷载组合抗扭极限分析抗扭极限分析60140MPa，最优组合最优组合仅有内压环扭矩仅有内压环扭矩整体抗扭计算整体抗扭计算最优预应力组合最优预应力组合1.35*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载+小扭矩小扭矩最优预应力组合最优预应力组合1.35*恒载恒载+1.4*0.7*活载（用于比较）活载（用于比较）TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-26 3.5.3 结构抗扭极限扭矩结构抗扭极限扭矩 图示为主索预应力为图示为主索预应力为最优组合最优组合时，
24、抗扭极限分析得到时，抗扭极限分析得到的非线性扭转屈曲模态。的非线性扭转屈曲模态。TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-27 图示为主索截面为图示为主索截面为70时，抗扭极限承载力时，抗扭极限承载力TU随主索随主索预应力的变化曲线。可以看出，若预应力小于预应力的变化曲线。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。则结构抗扭极限承载力几乎不变。140001450015000155006080100120140TUTONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-28 下表为不同主索预应力下表为不同主索预应力，索截面均取索截
25、面均取70时，结构的时，结构的抗扭极限扭矩。抗扭极限扭矩。主索预应力主索预应力(MPa)6080100TU(103kN*m)15211.40 15211.40 15211.40 主索预应力主索预应力(MPa)120140最优组合最优组合TU(103kN*m)14381.41 14381.41 14381.41 TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-29 3.5.4 结构结构整体整体抗扭性态抗扭性态 结构整体抗扭计算取最优结构整体抗扭计算取最优预应力组合，荷载工况为预应力组合，荷载工况为1.35*恒载恒载+1.4*0.7*活载。计算表明，活载。计算表明，扭矩对主索
26、的拉力产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。索拉力减小，其余三环索拉力均增大。有扭矩有扭矩 无扭矩无扭矩TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-303.5.5 抗扭分析小结抗扭分析小结 1)若主索预应力不超过若主索预应力不超过100MPa，则结构抗扭极限承载力，则结构抗扭极限承载力基本保持不变；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。其他参数影响不大。TONG
27、JI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-313.6 屋盖结构的动力特性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。转分量可能引起整个屋盖结构的扭转振动。阶数123456789频率0.60160.72620.72620.95761.07541.11081.11081.153
28、01.1530周期(s)1.66221.37701.37701.04420.92990.90030.90030.86730.8673阶数101112131415161718频率1.23931.23931.25971.25971.27171.27171.28091.28091.2883周期(s)0.80690.80690.79380.79380.78640.78640.78070.78070.7762TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-321MNMXXYZ 0.138E-03.275E-03.413E-03.550E-03.688E-03.826E-03.963
29、E-03.001101.001239APR 28 200412:57:24NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1FREQ=.601597USUM (AVG)RSYS=0DMX=.001239SMX=.001239振型振型1TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-33振型振型2 振型振型31MNMXXYZ 0.688E-04.138E-03.207E-03.275E-03.344E-03.413E-03.482E-03.551E-03.620E-03APR 28 200412:58:42NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=3FREQ=.726
30、222USUM (AVG)RSYS=0DMX=.620E-03SMX=.620E-031MNMXXYZ 0.682E-04.136E-03.205E-03.273E-03.341E-03.409E-03.477E-03.546E-03.614E-03APR 28 200412:58:20NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=2FREQ=.726221USUM (AVG)RSYS=0DMX=.614E-03SMX=.614E-03TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-341MNMXXYZ 0.685E-04.137E-03.206E-03.274E-03
31、.343E-03.411E-03.480E-03.548E-03.617E-03APR 28 200412:59:08NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=5FREQ=1.075USUM (AVG)RSYS=0DMX=.617E-03SMX=.617E-03振型振型4 振型振型51MNMXXYZ 0.817E-04.163E-03.245E-03.327E-03.408E-03.490E-03.572E-03.654E-03.735E-03APR 28 200412:58:57NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=4FREQ=.957641USUM (AVG)RSYS=0D
32、MX=.735E-03SMX=.735E-03TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-35振型振型6 振型振型71MNMXXYZ 0.102E-03.204E-03.306E-03.408E-03.511E-03.613E-03.715E-03.817E-03.919E-03APR 28 200412:59:29NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=7FREQ=1.111USUM (AVG)RSYS=0DMX=.919E-03SMX=.919E-031MNMXXYZ 0.101E-03.202E-03.303E-03.404E-03.505E-03.60
33、6E-03.707E-03.809E-03.910E-03APR 28 200412:59:20NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=6FREQ=1.111USUM (AVG)RSYS=0DMX=.910E-03SMX=.910E-03TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-361MNMXXYZ 0.647E-04.129E-03.194E-03.259E-03.323E-03.388E-03.453E-03.517E-03.582E-03APR 28 200412:59:48NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=9FREQ=1.153USUM (AVG)RSYS=0DMX=.582E-03SMX=.582E-03振型振型8 振型振型91MNMXXYZ 0.642E-04.128E-03.193E-03.257E-03.321E-03.385E-03.449E-03.514E-03.578E-03APR 28 200412:59:41NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=8FREQ=1.153USUM (AVG)RSYS=0DMX=.578E-03SMX=.578E-03TONGJI Universitymay 2019建筑钢结构进展37-37 谢谢大家谢谢大家 ！
