上海火车站南站钢屋盖设计

上海铁路南站钢屋盖结构设计提要 本文介绍了上海铁路南站屋盖钢结构的设计。通过对结构整体静力计算结果、节点有限元分析、弹性支座的设置、整体稳定性分析及风洞试验等的介绍与讨论，为这一类大跨度空间钢结构工程的设计提供借鉴。关键词 上海铁路南站，钢屋盖，工程设计，风洞试验一、工程概况上海铁路南站作为适应二十一世纪需求的标志性建筑，是上海铁路枢纽规划的南大门，也是上海市规划的重要对外交通枢纽和市内换乘枢纽。为了贯彻“以人为本，以流为主”的规划指导思想，实现铁路、地铁、轻轨、公交车辆“零换乘”，设计中围绕交通组织做了周密的安排，也给结构设计增加了相当大的难度。上海铁路南站工程主要由南北广场、行包房、主站屋三个部分组成。在主站屋部分，9.900标高以下为钢筋混凝土框架体系，标高9.900平台以上为屋盖钢结构体系。建筑师要求支撑钢屋盖的柱子呈环向等距布置，而下部混凝土结构的柱网由于受到铁路轨道的限制，不能与之一一对应，因此，在标高9.900平台上设置转换大梁，用以支撑上部钢屋盖传来的柱子荷重。本文将介绍屋盖钢结构体系的设计。上海铁路南站工程由法国AREP建筑公司和上海华东建筑设计研究院共同设计。二、屋盖钢结构体系屋盖钢结构平面为圆形，外形中部呈扁圆锥形，而外周悬挑部分则略为上翘，整个屋面结构由径向布置的18根Y形大梁支撑，大梁在外端分叉成复合的Y形，支撑在内外两圈柱子之上，大梁最内端相互支撑在顶压环上。顶压环、内柱环、外柱环、悬挑外边缘的直径分别为26米、152米、224米及275米。见图1。图1屋盖钢结构体系计算简图外柱外柱内柱外柱斜索主索环索顶压环主梁图2柱、主梁布置图图3索布置图各部分结构构件组成如下：1．柱子：柱子支撑在标高9.900平台的转换大梁上，为刚性柱脚。分内外两圈，内圈半径76m，外圈半径112m。内柱共有18根，为变截面柱，直径为600～1000mm；外柱共有36根，直径为700mm。见图2。2．主梁：主梁为两次分叉的Y形结构，截面形式为变截面的橄榄形，其高度由内至外为1.36——3.56——2.46——0.98m，在内环柱以内部分增加了两根钢棒组成的下弦杆，该形式不仅增加了主梁的刚度，而且可防止在不对称荷载作用下内压环的摆动。见图2、图5。主梁为橄榄形截面，梁外壁钢板厚度为10mm，为保证外壁钢板的局部稳定性，每隔1.8米设置T形内加劲肋。环向檩条的下弦从主梁截面中部穿过。见图4。图4主梁详图图5主梁示意图3．梁柱节点：丑主梁支撑枪在柱血顶菜Y概形的钢铸旦件支座之卵上，沿主仅梁侧向的驾支座形式到为铰支座另。为减小捡温度变化运引起的主让梁轴向变艺形对柱子段产生强大蛮的推力，泊将外柱与尘主梁的连吹接节点做角成弹性铰饱支座，允颜许主梁沿税径向有一泉定的变形棉。弹簧刚炉度愧为司4kN/记m滤m词。见静图随6罚恐。琴图窄6蚁市梁柱节点猴详图茎4诱．屋顶中欣心内压环除：主梁的疼顶端支撑千在中心内板压环上，搁中心内压穴环为三角绒形桁架，浙用于承受门主梁传来导的压力。魂见乒图鱼7遮征。艳图扑7捧昼中心内压技环详图爷5浴．环向檩谢条：环向考檩条支撑耳于主梁之备上，平面习形状为弧夜形，由上框下两根圆滚形截面的址弦杆拍和缺H重形直腹杆宴组成，形要成类似空亲腹桁架的慧受力结构唇体系，在记靠近主梁踢处设置对出角钢棒，规减小支座念弯矩。见诵图化8医。在靠近击内压环附乖近的檩条纸因跨度较只小，采用出单根曲线希钢管。趋在亩0堵5棚、叛1推0首、妨1兆8哪、董2柜8腰轴处为加盒强檩条，六檩条穿过第主梁，与白主梁刚接母，与环向玉拉索一起液构成四道请环箍，不吗仅大大增按加了屋盖林的整体刚脂度，而且兼有利于减毯小主梁对愿柱顶的侧拉推力。磨图桨8府舍普通檩条啄6炉．索体系螺：索体系病主要起稳兆定、提高均体系抗侧你刚度及抗肾扭刚度的姨作用，包不括环索、井主索及外纳柱斜索。总环索胁为块φ殖15庭0剪钢棒，桨在颜0材5汇、亿1根0怀、搁1糕8哪、座2练8遗轴处的环泥索与环向蔑檩条组成趁了加强檩薯条，峰而悼3占2遇、竟3巷3护轴的环索胀还可以有衰效地减小疮悬挑梁段纠的挠度。胀主索药为番φ羊5扶0挎双钢棒，位成交叉对磨称布置，算有效地将继内、外柱个及主梁结族合起来，笨大大提高熟了屋盖的踢整体抗扭铲能力。在捡每个外环蜜柱顶设置窄了四根由觉柱顶至混降凝土转换蔑梁的外柱谦斜索，可今有效地减融小外环柱够沿环向的妄侧移，并慈且将风荷趣载和地震伏荷载产生森的水平力习直接传到抱转换梁，丈加强了体率系的侧向熔刚度，大阵大减小柱扰在风荷载使和地震荷歪载作用下樱的弯矩和枣水平力。掉见傲图涝3盘柱、索布销置图。刊三、计算伏与分析榜屋面钢结舅构采用法王国的计算范程序冲Robo勺tMi铜llen台ium位，以及美粱国通用计雷算程厘序查Ansy磁s地进行计算元。计算中不考虑了恒旦载、活载加、风载、矛雪载、水葡平地震作帖用、竖向龟地震作用闹、温度作付用，并按哗中国规范聚的有关规慕定进行了毁组合。此吴外，还进着行了结构饥整体稳定植性分析、滩重要节点石的实体模府型计算及罢局部稳定眠性分析、浙曲线型檩啊条的稳定骑性分析等坊研究工作闷。此外，跪我们还与援同济大学周合作完成贼了风洞试歼验及风致真响应研究舍、外柱顶稻铸钢节点垒的实体模订型载荷试兰验及上海咳南站钢屋糠盖结构静间动力性态航分析研究豪等课题，痛取得了丰称富的研究冒成果，这构些研究成祝果也将部敬分反映在资本文内容摄中。暴4.1抽荷荷载=1\*GB3羞①挡．温度荷弊载：计算峰中考侍虑尿±3扩0垃℃祥，并作为重一种可变做荷载参与储组合。=2\*GB3项②婶．风荷载唉：由于站疮屋屋面为功复杂的曲陶面，外挑枣跨度达诊到贷22仰m茄，该结构轿属风载敏查感结构，总类似结构纱的体型及作风振系数伍等风载计喇算参数在阴现行荷载挣规范中并贪未提供，彼为此我们敢委托同济妙大学做誉了观1揭：辨20滋0杜风洞试验押，根据风垫洞试验的先结果研究龟了风致响恶应，提出捉进行了本捏次分析计怎算。=3\*GB3躁③雪．地震作贫用：水平页地震按规句范规定采症用谱分析恼法计算，康竖向地震传作用在现辽行荷载规绑范中并未策提供，计六算中参照伴《大跨度纸屋盖结构直抗震设计嫂》呆[2]映中坑P3鞭6窃页竖向地储震影响系详数谱计算耐，并鸽与族0.激1盘（恒载＋于活载）（页设计值）绸比较取大笔者设计。卡荷载组合叙按国家规倘范规定计蚀算，计算负结果表明镰以恒载、赔风荷载及盐温度作用况为主的荷贯载组合起晶控制作用刊，地震作掉用及活载堤的影响相寨对较小。污4.2抛始整体静力碰计算结果肢1便．主梁弯灾矩图繁图谢9天纤主梁弯矩喘图颜值得注意姥的是主梁俘分叉点处泪的内力变防化。主梁暮弯矩在分课叉点处出插现明显的厘峰值，离芦开分叉处津较短距离虑即迅速降贫低。这是御因为分叉员处主梁刚菊度、内力止分配发生煤突变引起勾的。与之产相对应，悲在分叉处荒附近我们匀对主梁进祝行局部加丝强并对分内叉节点单苦独进行有颂限元实体包建模及计挺算。飘2片．模态分虾析结果崖模态分析愤的结果反怪映了这类稻大型空间其结构的一辩个共同特婚征：结构妨特征周期承非常密集奥，计算了燃前达3赔0伸阶模态，没特征周期全变化范围困是轧1.1徒8胡－厉0.45庙s成。下面列宰出色前削6滑阶特征模拼态。耐第一模态戏：悬挑部邮分摆乓动布(T=1坑.18s阴)草务第二模态划：翘纽曲罚(贷T=0.今83s)笋第三模态悦：翘藏曲房(T=0梯.74s吃)撇梁第四模态诞：梢(T=愉0.67揉s)抄图贞10鼓据前四阶模拳态变形图盆第一阶模银态为悬臂常梁的摆动铸，可以看饰出主索对叹主梁的侧份向变形起旺非常重要边的限制作叨用。结构布的扭转模堵态出现在纷第十五阶遮模态，而盛且主要是堡内柱的扭持转，外柱哀基本不扭趣转，这说静明结构的蓝侧向刚度目较强，其奔中绿3故6阁对外柱斜涂索起到了俗非常重要目的作用。到在设置外统柱斜索之算前，结构袍的第一、宣二阶模态恋分别是整此体扭转与戴整体平移窜模态，第志一阶周期埋为脾2.23玉s框。由此可予以看出，溉外柱斜索功大大加强必了结构的绳侧向刚度夹，这正是踪我们向建支筑师强调掏外柱斜索迟不可缺少吵的原因。跟4.难3考重要节点侧应力计算恶及局部稳陷定分析胶主要计算以了三个节烧点：内柱协顶主梁分顽叉节点，构该处主梁欲承受较大束且复杂的胃轴力、弯摸矩、扭矩霜等荷载；克内柱顶铸辅钢节点及城外柱顶铸舟钢节点，券我们必须晚对铸钢节航点的应力蔽分布有清纤楚的认识追，这是进第行铸钢节石点载荷试秧验及对铸桃钢件的质训量检验的疾依据。披内柱顶处米主梁分叉埋节点分析领模型简猾图双漏维享内部板件捏透视图咸图邮11岁乘内柱顶处秆主梁分叉三节点模型扒简图疲计算结果纺表明，分为叉节点已样满足设计叉要求，但鲜在主梁与另柱连接轴亡附近的外德皮、全加荣劲肋及上宣下弦板件尾应力较大肉。为了改挠善主梁内羞力向主梁音连接轴的顿传递，设拴计做了一锁定修改，犹修改后应洲力分布更炒加均匀、培合理。跨内柱顶处往铸钢节点花分析徒模型简让图摸酿待剖面图差图呀12指讨内柱顶处们铸钢节点捡模型简图风应力凑图粒搭昂变形图犹图判13续厦内柱顶处者铸钢节点惭计算结果袋可以看到川，铸钢节经点内部应运力小热于堡203M津P冤a预，斜臂顶慢部应力较鲜大，在质痰量检测时纳应该注意绿。内柱顶侄铸钢节点河变形较小宵，只再有描1m间m蹈左右的变半形。自外柱顶铸脸钢节点分卸析项模型简拔图绝下摆床剖面图脾图感14傲杠外柱顶处破铸钢节点值模型简图响应力可图聋参挑翠变形图金图订15喝游内柱顶处面铸钢节点址计算结果组可以看到遵，铸钢节兽点内部绝巧大部分区芳域应力小策于叔200M臭P跑a贵，只有斜择臂内侧肋位根部出现迎明显应力豆集中，最漆大应力达康到落665M压P盟a梨，应力集赌中的区域蓄非常小，略很快就衰杰减到正常系应力值。输因此，设挣计提出修程改，取消炒内侧肋条销，保证该摄区域平滑哀过渡。外架柱顶铸钢修节点变形念也很小，伴只缓有陡5m抚m待左右的变坏形。套4.降4坐弹性支座垂的设置图16外柱销轴弹簧,垫块装置组装图伟计算表明恰，由于温挥度变化导挤致主梁发春生胀缩，驾进而在柱粗顶产生较致大的水平运推力，使凉得柱顶侧逢移咸超出规范朝要求。该巾水平推力凭将随柱刚忙度增加而灾增大，因志此，靠增吗加柱刚度拌无法解决边这一问题搜。为此，且设计考虑胸设置弹性修支座来释挨放这一水迅平推力。斥设计采用顺了将弹性兴支座设置奔在主梁与水外柱顶的伸连接节点诉上的方案息。图16外柱销轴弹簧,垫块装置组装图炎首先，需跑确定弹簧奖刚债度扮K否。弹簧刚蹄度早K忘必须与柱站侧移刚度爱相对应，评同时，由帆于在构造并上弹簧与摸主梁连接反轴需能容唉纳在铸钢念件的空腔道内，决定平了弹簧的鲜尺寸与最奸大变形量绢受到严格挂限制。敢空腔内部魂构造如图范，主梁销翻轴应能够樱绕轴方向捧（垂直纸氧面）有很工小的自由喝转动，主滚梁销轴与愧滑动连接互件应能随膀弹簧的压乐缩与伸长芬左右自由量滑动。由蜂于空腔的颗尺寸限制恼，两侧弹拍簧组的长违度限制尝为宏90m同m处。根据以潜上条件，暮经过计算选、研究，挪得铁出盗K单取燥4.0k昌N/m抢m穷时，弹簧蕉最大变形烘量难为透34m恨m妄，柱顶侧乌移尘为堪30m虎m溪，能够满雕足设计要堂求。筛此外，我穴们还与同也济大学合更作进行锤了挤“锅外柱柱顶温合理弹簧耗刚度的确蝶定降”老的研究工击作，研究舌了弹簧刚揭度变化对谋柱顶侧移轧、弹簧最孝大变形量薄、主索应莫力等因素缘的影响，倘研究结果针证明了豪取刊K坛＝瞎4.0k讲N/m朝m扯对结构是芬最优的结锤果。收接下来的慌难点就在瓜于确定弹遇簧的构造伙。弹簧构妖造需要解仙决以下难支点：弹簧窃组总长度族限制槐在此90m桐m鼓，却要求彻最大变形贫量达昌到唐35m怪m胳；同时，号要保证弹纤簧组总刚据度苦K陈＝尽2.0k娘N/m腊m睬（因为每电各外柱顶涂有高4锤组弹簧，御向两侧变胶形时均只怎有定2核组弹簧起森作用，且奔为并联关交系，所以始每组弹簧代的刚度应月除武以号2积），误差悼不超扬过阅10概%泥；弹簧组铺中起固定吸、定位作暮用的导套童与主梁销抬轴位移方脉式存在矛受盾；弹簧趣组在施工烟过程中的岔预压缩及药释放的过饿程；如何惠保证弹簧亦组志5阵0唉年的使用兔寿命。通匹过与上海抗核工弹簧乌厂工程师抛的反复研葡究，我们嚷设计切了子8割片对合的据碟形弹簧贞和可相互拉咬合的导瓜向套，最披终实现了笨我们的设挎计要求。援图森17屠企弹簧构造余及实物照用片擦4.葛5衬屋盖钢结平构整体稳改定性分析联整体稳定却性研究包牙括两个部劳分：屋盖师体系的整膀体稳定性退研究和单垄根主梁的签整体稳定鸣性研究。螺屋盖体系口的整体稳骗定性研究丽的主要目盆标是体系屯总体的稳秆定性及索麻在其中起粥的作用，恒研究中考模虑了初始援缺陷及几粗何非线性丽。建敌双图盏18开货第一阶线宣性屈曲模理态（翘曲悟）的蜂帜图后19落躺结构的非积线性屈曲捐模态（翘辞曲旷）帜农可以看到行，结构的罩一阶线性恼稳定系数痰为的4.72本2耀，对应屈你曲形式为衫翘曲失稳浸。考虑初兵始缺陷的授结构的几州何非线性典稳定系数蜂为狮4.00梁0肠，对应屈肢曲形式为眼类似翘曲栽失稳，表稳现为主梁园产生非对富称的过大底的挠度而送不适宜继勤续承载。馅计算结果坡表明，该扯屋盖钢结渡构的线性斩稳定系数严与带缺陷灾结构的几狂何非线性捆稳定系数茂相差很货小崇(货相婚差败0.72迟2俊)屿，说明该厦屋盖结构承对缺陷不软敏感。同旅时，该屋撇盖结构的绿主要荷载菜为恒荷味载拖(敬自碍重再)斥，其他荷落载对屋盖平结构的整店体稳定性控影响很小抬，因而斤，登4.00愤0过的非线性校整体稳定还系数，完多全满足该漏结构的整勺体稳定性警要求。奋单根主梁掘的整体稳雨定性研究任的主要目微标是主梁洁的应力分尤布及整体吨稳定性及改主梁内部溉板件的局强部稳定性主，研究中陵考虑了双绵非线性（判几何及材快料非线性颗）的影响碰。巾图仔20贱顾达到塑性勇时主梁变绳形、应力炎图罗习僚僻主梁分叉添处应力图在可以看到爸，主梁的币弹塑性整张体稳定系过数泻为恼2.90摔5伴，考虑到颂主梁所承粘受的荷载赖中，恒载贷占相当大俊的比例，哗我们认为境主梁的整档体稳定性既满足设计摇要求。宽六、风洞舅试验掩为得到风谢荷载的准冷确资料，魔委托同济丧大学土木身工程防灾押国家重点怠实验室做得了几何缩品尺比狮为伙1遣：两20们0恩的刚性模窝型风洞测赢压试验喜[3]塌。在风洞勾中模拟了班大气边界术层风场，品模型上共求布置铲了握76胖0报个测点。倾为了考虑叶周边环境响对结构的诵影响，你分碰2萌4书个风向角秤进行试验峰。为了研刮究结构的裂风致振动容，必须获国得结构风筹荷载中脉溉动风压的化信息以及星各个测点赠脉动风压弦之间的相塘关性能，终因此采用僻了先进的累电子扫描延阀系统及烘多通道测退压管路测派试技术。卖由试验得牺到各个风缩向角下测皱点的脉动讯风压（风坟压时程）帅可以得到购各个测点轰的平均风纪压。将屋肾盖结构分技为饼1栏8岛个区域，醉可以得到思每义个区域平雪均风压的发统计平均峰值以及各腊区域的体属型系数。烫下面给出泪相对于静倾风压达到垫最大值时梯的挣120普°窑风向角下笔的体型系归数分布图驰。由图可施以看出，毁屋面风荷垒载以负压登为主，在赌设计时必罗须给予足削够的重视看。维图她21暮脑屋面分块答体型系数矮（花120敌°肢风向角）混刚性风洞狮试验无法计体现结构营在脉动风骡荷载作用辟下的动响根应，因此乔还必须用盐有限元的胁方法对结萝构的风致彩响应做进僻一步研究酿。计算中闷采告用花Dave士npor丹t里方法，考艇虑了结构芹的背景响盘应和共振读响应，利受用播ANSY裹S袖软件计算丢得到了结昌构的动力孕响应，进冈而利用阵争风荷载因薪子法得到支对应于结穴构某一响穿应的等效呈风荷载。袖