上海南站屋盖钢结构.ppt

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1、上海南站屋盖钢结构上海南站屋盖钢结构TONGJI University上海南站屋盖建筑造型上海南站屋盖建筑造型may 20042建筑钢结构进展TONGJI University1.1 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 外外柱柱和和顶顶压压环环间间-扁扁圆圆锥锥曲曲面面，外外径径224.0m，内径内径32.0m，矢高矢高19.187m。中中央央顶顶压压环环-直直径径32.0m，圆圆锥锥曲曲面面。顶顶压压环环在在主主梁梁内内端端处处升升高高2.6m，形形成成一一突突出出圆圆锥锥面面屋屋顶顶，矢高矢高24.2

2、8m。外外柱柱以以外外-边边缘缘悬悬挑挑25.567m，形形成成边边缘缘上上翘翘的圆环曲面。的圆环曲面。1.屋盖概况屋盖概况may 20043建筑钢结构进展TONGJI University1.2钢结构体系钢结构体系屋屋盖盖钢钢结结构构主主梁梁18根根，沿沿平平面面射射线线方方向向均均匀匀对对称称布布置置。梁梁的的平平面面形形状状为为二二次次分分岔岔Y型型梁梁，分分岔岔点点位位于于内内、外外柱柱处处。梁梁在内柱以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。may 20044建筑钢结构进展TONGJI University 梁截面形式为沿轴线变截面（变截面尺寸

3、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。may 20045建筑钢结构进展TONGJI University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、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。may 20046建筑钢结构进展TON

4、GJI University屋屋盖盖主主梁梁间间除除檩檩条条外外，另另设设有有4道道X形形预预应应力力钢钢棒棒索索。梁梁间间钢钢棒棒索索既既不不平平行行于于主主梁梁，也也不不平平行行于于檩檩条条，均均为为Y型型主主梁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。may 20047建筑钢结构进展TONGJI Universitymay 20048建筑钢结构进展TONGJI University屋盖结构下设两圈支柱：屋盖结构下设两圈支柱：内内圈圈柱柱分分布布在在直直径径152.0m的的圆圆周周上上，共共18根根650mm的的钢钢管混凝土柱。管混凝土柱。外外柱柱分分布布在在直直径径224.0

5、m的的圆圆周周上上，共共36根根800mm的的钢钢管管混混凝凝土土柱柱，外外柱柱沿沿圆圆周周向向两两侧侧设设有有从从柱柱顶顶到到地地面面的的斜斜向向拉拉索索，以保证柱子的侧向稳定。以保证柱子的侧向稳定。may 20049建筑钢结构进展TONGJI Universitymay 200410建筑钢结构进展TONGJI University屋盖结构为屋盖结构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。主主梁梁在在内内柱柱以以内内增增设设预预应应力力钢钢棒棒。该该预预应应力力钢钢棒棒在在顶顶压压环附近分岔成环附近分岔成Y形并与其它梁

6、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。主主梁梁间间X形形钢钢棒棒索索形形成成各各梁梁之之间间联联系系，将将整整个个屋屋盖盖连连为为整整体，钢棒布置均不通过屋盖平面形心。体，钢棒布置均不通过屋盖平面形心。屋屋盖盖主主檩檩条条和和X形形预预应应力力索索传传递递拉拉力力，使使屋屋盖盖形形成成一一个个完完备的抗扭、抗侧体系。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。屋盖顶压环将所有主梁的悬臂端连接在一起。在在外外柱柱与与主主梁梁连连接接节节点点中中设设置置弹弹簧簧，用用于于减减小小温温度度变变化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

7、特点结构特点may 200411建筑钢结构进展TONGJI University3.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计算算梁梁段段为为外外柱柱和和顶顶压压环环之之间间梁梁段段，与与主主梁梁相相连连接接的的檩条和钢棒简化为弹簧。檩条和钢棒简化为弹簧。may 200412建筑钢结构进展TONGJI University3.1.2 主梁稳定主梁稳定性态性态主主梁梁最最小小线线性性稳稳定定系系数数4.959，为为加加劲劲肋肋局局部部失失稳稳(前前30阶阶均均为为内内柱柱附附近近加加劲劲肋肋失失稳稳)，几几何何非非线线性性稳稳定

8、定系系数数3.552，弹塑性稳定系数，弹塑性稳定系数2.905。may 200413建筑钢结构进展TONGJI University3.2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。主主索索（即即屋屋面面交交叉叉索索）预预应应力力大大小小对对柱柱顶顶侧侧移移和和弹弹簧簧行行程程有有影影响响但但影影响响不不大大(但

9、但索索退退出出工工作作，影影响响变变大大)。预预应应力力大大，屋屋面面刚刚度度大大、整整体体性性强强，柱柱顶顶侧侧移移和和弹弹簧簧行行程小。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。弹弹簧簧刚刚度度的的确确定定应应同同时时考考虑虑索索的的作作用用。对对最最小小主主索索预预应应力力应应有有限限制制，要要求求索索在在设设计计荷荷载载及及常常遇遇地地震震下下不不退出工作。退出工作。may 200414建筑钢结构进展TONGJI University3.2.2确定弹簧刚度的工况确定弹簧刚度的工况确确定定合合理理弹弹簧簧刚刚度度和和主主索索预预应应力力，按按不不同同主主索索预预应应力

10、力和和不不同同荷荷载载工工况况进进行行计计算算。考考虑虑3种种主主索索预预应应力力和和3种种荷荷载载组组合，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簧刚度弹簧刚度1.35*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载80MPa,100MPa,120MPa2100kN/mm1.2*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载+1.4*升温升温80MPa,100MPa,120MPa2100kN/mm1.2*恒载恒载+1.4*0.7*活载活载+1.4*降温降温80MPa,100MPa,120MPa

11、2100kN/mmmay 200415建筑钢结构进展TONGJI University3.2.3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)影影响响弹弹簧簧刚刚度度和和行行程程的的最最不不利利荷荷载载组组合合为为“1.2*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)合合理理弹弹簧簧刚刚度度为为4.0kN/mm，此此时时在在荷荷载载组组合合“1.2*恒恒载载+1.4*0.7*活活载载+1.4*升升温温”下下，弹弹簧簧行行程程为为33.3mm，不不大大于于35mm。若若弹弹簧簧刚

12、刚度度小小，弹弹簧簧行行程程将将超超出出构构造造范范围围；若若弹弹簧簧刚刚度度大大，外外柱柱顶顶侧侧移移大大，柱底弯矩大。柱底弯矩大。may 200416建筑钢结构进展TONGJI University3.3合理预应力的确定合理预应力的确定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

13、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。may 200417建筑钢结构进展TONGJI University3.3.2确定合理预应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*

14、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

15、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

16、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may 200418建筑钢结构进展TONGJI University3.3.3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）40.090.0100.0160.030.0130.0may 200419建筑钢结构进展TONGJI University3.4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根据据理理论论确确定定的的合合理理弹

17、弹簧簧刚刚度度4kN/mm，进进行行屋屋盖盖整整体稳定的分析。体稳定的分析。3.4.1计算内容计算内容屋屋盖盖整整体体稳稳定定分分别别考考虑虑4种种主主索索预预应应力力和和5种种荷荷载载组组合合，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*

18、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/mmmay 200420建筑钢结构进展TONGJI University3.4.2 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；主主梁梁与与外外柱柱间间的的连连接接弹弹簧簧刚刚度度(径径向向)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。may 200421建筑钢结构进展TONGJI University3.4.3 结构整体稳定性态结构整体稳定性态在在

19、“1.0*恒恒载载+1.0*活活载载”作作用用下下，线线性性整整体体稳稳定定系系数数最最小小，cr=4.722。同同时时计计算算表表明明，主主索索预预应应力力大大小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may 200422建筑钢结构进展TONGJI University根根据据线线性性稳稳定定分分析析结结果果，几几何何非非线线性性分分析析取取最最不不利利荷荷载载组组合合“1.0*恒恒载载+1.0*活活载载”进进行行计计算算，主主索索预预应应力力采采用用最最优优预预应应力力组组合

20、合，初初始始缺缺陷陷取取L/300，带带缺缺陷陷结结构构最最小小非非线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-位移曲线位移曲线may 200423建筑钢结构进展TONGJI University3.5 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由于于屋屋盖盖结结构构中中梁梁的的布布置置均均沿沿径径向向分分布布，仅仅梁梁间间的的X形形交交叉叉预预应应力力钢钢棒棒索索不不通通过过屋屋盖盖形形心心，因因而而屋屋盖盖的的整整体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。研研究究屋屋盖盖的的抗抗扭扭能能力力，需

21、需对对屋屋盖盖结结构构进进行行抗抗扭扭极极限限分分析，求出屋盖极限扭矩，为屋盖抗扭设计提供依据。析，求出屋盖极限扭矩，为屋盖抗扭设计提供依据。研研究究屋屋盖盖钢钢棒棒索索预预应应力力大大小小对对屋屋盖盖抗抗扭扭刚刚度度的的影影响响，选选取取不不同同预预应应力力进进行行抗抗扭扭计计算算比比较较。得得出出不不同同预预应应力力结结构抗扭极限承载力。构抗扭极限承载力。may 200424建筑钢结构进展TONGJI University3.5.2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。仅仅对对内内压压环环施施加加扭扭矩矩，主主索索预预应应力力考考虑虑60

22、140MPa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）may 200425建筑钢结构进展TONGJI University3.5.3 结构抗扭极限扭矩结构抗扭极限扭矩图图示示为为主主索索预预应应力力为为最最优优组组合合时时，抗抗扭扭极极

23、限限分分析析得得到到的非线性扭转屈曲模态。的非线性扭转屈曲模态。may 200426建筑钢结构进展TONGJI University图图示示为为主主索索截截面面为为70时时，抗抗扭扭极极限限承承载载力力TU随随主主索索预预应应力力的的变变化化曲曲线线。可可以以看看出出，若若预预应应力力小小于于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。may 200427建筑钢结构进展TONGJI University下下表表为为不不同同主主索索预预应应力力，索索截截面面均均取取70时时，结结构构的的抗扭极限扭矩。抗扭极限扭矩。主索预应力主索预应力(MPa)6080100TU(1

24、03kN*m)15211.4015211.4015211.40主索预应力主索预应力(MPa)120140最优组合最优组合TU(103kN*m)14381.4114381.4114381.41may 200428建筑钢结构进展TONGJI University3.5.4 结构结构整体整体抗扭性态抗扭性态 结结构构整整体体抗抗扭扭计计算算取取最最优优预预应应力力组组合合，荷荷载载工工况况为为1.35*恒恒载载+1.4*0.7*活活载载。计计算算表表明明，扭扭矩矩对对主主索索的的拉拉力力产产生生影影响响，对对其其他他结结构构参参数数影影响响不不大大。施施加加扭扭矩矩后后，最最内内环环索拉力减小，其余

25、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may 200429建筑钢结构进展TONGJI University3.5.5抗扭分析小结抗扭分析小结1)若若主主索索预预应应力力不不超超过过100MPa，则则结结构构抗抗扭扭极极限限承承载载力力基本保持不变；基本保持不变；2)对对结结构构施施加加扭扭矩矩仅仅对对主主索索拉拉力力产产生生较较大大影影响响，对对结结构构的的其他参数影响不大。其他参数影响不大。may 200430建筑钢结构进展TONGJI University3.6 屋盖结构的动力特性屋盖结构的动力特性本本结结构构体体系系为为钢钢梁梁与与柔柔索索组组合合体

26、体系系，结结构构的的振振动动特特性性不不同同于于传传统统的的刚刚性性屋屋盖盖或或柔柔性性屋屋盖盖。由由于于屋屋盖盖中中的的主主梁梁均均沿沿射射线线方方向向布布置置，且且檩檩条条均均位位于于同同心心圆圆周周上上，振振动动中中的的扭扭转转分量可能引起整个屋盖分量可能引起整个屋盖结结构的扭构的扭转转振振动动。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

27、1.23931.23931.25971.25971.27171.27171.28091.28091.2883周期(s)0.80690.80690.79380.79380.78640.78640.78070.78070.7762may 200431建筑钢结构进展TONGJI University振型振型1may 200432建筑钢结构进展TONGJI University振型振型2振型振型3may 200433建筑钢结构进展TONGJI University振型振型4振型振型5may 200434建筑钢结构进展TONGJI University振型振型6振型振型7may 200435建筑钢结构进

28、展TONGJI University振型振型8振型振型9may 200436建筑钢结构进展TONGJI University 谢谢大家谢谢大家 ！may 200437建筑钢结构进展进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个

29、不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边

30、扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅结束