天津于家堡交通枢纽大跨度单层网壳设计与分析
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参 与 组 合 的 荷 载 除 恒 载 、活 载 、风 载 、雪 荷 载 、地 震荷载外，还需考 虑 积 水、积 冰、膜 材 的 张 拉 力 等 多 种工况。由 于 屋 盖 外 形 为 扇 贝 形，风 压 分 布 复 杂。 在西南交通大学风工程实验研究中心对屋盖进行了 1∶ 75 模 型 的 测 压 风 洞 试 验，结 果 表 明，站 房 屋 盖 承 受的风压以负压为 主，仅 在 个 别 位 置 出 现 较 小 的 正 压，屋盖主要承受 向 上 的 吸 力。 天 津 市 最 高 温 度 为 + 40℃ ，最低温度为 － 17℃ ，年 平 均 温 度 为 13. 4℃ 。 考 虑 到 屋 盖 构 件 采 用 铝 板 外 包 ，不 直 接 受 阳 光 直 射 ， 屋盖 结 构 温 度 应 力 分 析 采 用 的 设 计 温 差 值 为 ± 25℃ 。另由于屋盖结构表面积较大，在阳光照射下 由于太阳入射角度 不 同，屋 盖 各 部 分 受 热 也 将 不 均 匀 ，在 设 计 中 考 虑 了 温 度 荷 载 的 不 均 匀 分 布 。 4. 3 静力分析
1 工程概况 天津于家堡交通枢纽项目位于滨海新区于家堡
中 心 商 务 区 ，连 接 京 津 城 际 延 长 线 及 多 条 地 铁 线 ，总 建筑面积 20 余万 m2 。车站设置于于家堡中心商务 区北端，南端 紧 邻 规 划 中 的 于 仁 道。 车 场 规 模 为 3 座岛式站台和 6 条到发线。新建站房最高聚集人数 2 000 人，远期每日旅客发送量 50 000 人次，高峰每 小时发 送 量 约 5 000 人 次。 周 边 设 置 有 停 车 场、公 交 中 心 及 控 制 中 心 等 配 套 设 施 ，从 而 形 成 一 个 庞 大 、 便利的交通枢纽 中 心。 车 站 共 设 地 下 2 层，站 房 穹 顶位于地面，如图 1 所 示。 整 个 屋 盖 采 用 钢 结 构 与 膜材料（ ETFE，乙烯-四氟乙烯共聚物） ，以达到结构 简 洁 、轻 巧 通 透 并 与 周 围 环 境 完 美 结 合 的 目 的 。
结构安全等级为一级，重 要 性 系 数 取 1. 1，为 乙 类重点设防建筑。屋盖挠度限值为跨度的1 /400，结 构整体稳定系数控制在 5 以上。抗震设防烈度为 7 度，小震加速 度 峰 值 为 0. 055g，大 震 加 速 度 峰 值 为 0. 310g。抗震设防目标为小震弹性，大震基本弹性。 本项目 设 计 开 始 于 2009 年 5 月，超 限 审 查 完 成 于 2010 年 5 月，设 计 采 用《网 壳 结 构 技 术 规 程 》（ JGJ 61—2003） （ ［1］ 简称网壳规程） 。 4. 2 荷载及效应组合
铁道第三勘察设计院集团有限公司（ 简称铁三 院） 为本项 目 的 总 体 设 计 单 位，奥 雅 纳 作 为 设 计 咨 询单位负责站房穹 顶 部 分 的 建 筑、结 构、幕 墙、机 电 等 方 面 设 计 工 作 ，铁 三 院 负 责 上 述 工 作 的 审 核 、审 定
图 1 天津于家堡交通枢纽效果图
3 分析模型 站房屋盖主要采用 GSA，SAP2000 及 MIDAS 软
件进行计算。对穹 顶 进 行 三 维 建 模，两 点 之 间 的 杆 件 为 直 线 ，杆 件 之 间 采 用 刚 接 ，所 有 杆 件 均 采 用 空 间 梁 单 元 ，以 真 实 地 模 拟 穹 顶 杆 件 在 外 力 作 用 下 的 拉 、 压、弯、剪、扭的效 应； 并 根 据 国 内 规 范，采 用 奥 雅 纳 内部自编的程序对杆件截面进行设计及优化。 4 钢结构屋盖设计中的关键问题 4. 1 屋盖设计原则及标准
第 42 卷 第 10 期 2012 年 10 月
建筑结构 Building Structure
Vol． 42 No． 10 Oct． 2012
天津于ห้องสมุดไป่ตู้堡交通枢纽大跨度单层网壳设计与分析
何伟明1， 宋长江2， 杨 华1， 马 瑾2， 付宝亮1， 高修建2， 樊 珂1， 吴 海1， 熊朝晖1
（ 1 奥雅纳工程咨询（ 上海） 有限公司北京分公司，北京 100020； 2 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）
［摘要］ 天津市于家堡交通枢纽站房屋盖为大跨、无柱单层网壳钢结构，外形为由正、反螺旋线编织而成 的 贝 壳 形 双曲面，平面尺寸约为 143m × 81m。网壳网格为不规则空间四边形，所有箱形截面杆件均以不 同 角 度 交 汇 于 节 点 。 通过对该穹顶结构在各种作用效应下的强度、变形、整体稳定及支座的设计、节点 有 限 元 分 析、防 倒 塌 分 析，保 证 了 结构的安全。 ［关键词］ 单层网壳； 大跨钢结构； 螺旋线； 整体稳定； 几何及材料非线性； 支座； 有限元分析 中图分类号： TU337 文献标识码： A 文章编号： 1002-848X（ 2012） 10-0013-05
何伟明，等． 天津于家堡交通枢纽大跨度单层网壳设计与分析
15
200mm（ 短 向 跨 度 /400） 。各 静 力 工 况 作 用 下 杆 件 的利用率见图 5，可见在静力工况 下，杆 件 利 用 率 不 高，大部分杆件利用率在 70% 以下。
方向 X Y Z
各方向控制工况下的位移
位移 /mm 46. 51 － 39. 33 － 139. 5
工作。 2 结构体系
站 房 屋 盖 为 单 层 钢 结 构 网 壳 ，外 形 为 由 正 、反 螺 旋线编织而成的 贝 壳 形 双 曲 面，如 图 2 所 示。 建 筑 原方案由 美 国 SOM 公 司 提 出，奥 雅 纳 进 行 深 化 设
作者简介： 何伟明，博士，公司董 事，一 级 注 册 结 构 工 程 师，英 国 结 构 工程师学会 会 员，香 港 工 程 师 学 会 会 员，注 册 专 业 工 程 师。 Email： goman． ho@ arup． com。
Abstract： The single layer lattice steel roof of Tianjin Yujiapu transport hub has plan dimension of 143m × 81m． This doubly curved roof consists of a series of space spirals in clockwise and counter clockwise direction． The box section beams follow the spirals and form the large column free space． As the shell is double curved and grids are formed by irregular space quadrilaterals，all the elements meet in different angles． The roof structural system，design standard，loading， dynamic analysis and global stability，progressive collapse design，and connection finite element analysis were presented to guarantee the safety and reliability of the roof． Keywords： single-layer lattice roof； large span steel structure； spiral； global stability； geometric and material nonlinearity； bearing； FEA
14
建筑结构
2012 年
计 ，最 终 平 面 尺 寸 近 似 为 143 m × 81 m，结 构 矢 高 为 25 m，内 部 无 柱 。 网 壳 杆 件 由 36 根 顺 时 针 和 36 根 逆时针 的 空 间 螺 旋 形 矩 形 截 面 杆 件 交 叉 编 织 而 成 ； 每 个 交 点 上 各 杆 件 均 以 不 同 角 度 相 交 ，形 成 的 网 壳 网 格 为 不 规 则 空 间 四 边 形 ，为 非 正 交 交 叉 梁 结 构 体 系 。 杆 件 之 间 刚 接 ，以 保 证 结 构 的 稳 定 。 在 屋 盖 顶 部 及 底 部 设 有 环 梁 ，以 稳 固 整 个 空 间 网 壳并有效地将屋盖荷载通过与底环梁相连的支座 传递至地下。
图 2 穹顶结构体系
采用由螺旋线编织形成的不规则四边形的单层 网壳在国内外应用 不 多，针 对 本 站 房 的 荷 载 传 力 路 径进行了研究。采 用 虚 功 原 理，在 屋 盖 顶 部 作 用 单 位力时，各杆件对该点位移的贡献见图 3。
图 3 站房钢屋盖传力体系的研究
由图 3 可知，由于项目屋盖特殊的螺旋造型，其 受力及传力路径不同于一般网格的屋盖。设计单位 还特别针对贝壳外形的穹顶采用肋环斜杆型网格、 三向网格、葵 花 三 向 网 格、短 程 线 型 网 格［1］ 进 行 了 研 究 ，结 果 表 明 在 保 持 位 移 相 同 的 情 况 下 ，短 程 线 型 网格用钢量最小。 但 由 于 其 他 方 面 的 原 因，站 房 穹 顶最终采用螺旋线编织网格的方案。设计单位通过 对 该 穹 顶 结 构 在 各 种 荷 载 效 应 下 的 强 度 、稳 定 、变 形 等 一 系 列 分 析 ，深 入 研 究 其 杆 件 的 合 理 分 区 ，形 成 了 当前螺旋线网格方案下的优化设计。
在竖向荷载作用下结构的位移见图 4。对竖向 荷载与其他各种静 力 组 合 工 况，包 括 与 风、雪、温 度 等组合工况也进行 了 分 析，各 方 向 控 制 工 况 下 的 位 移见表 1，可 见 位 移 均 小 于 规 范 规 定 的 位 移 限 值
图 4 竖向荷载作用下的位移 /mm
第 42 卷 第 10 期
最终方案屋面面积 11 000m2 ，穹顶高度 25m。穹 顶的杆件根据受力大小及对整体稳定的贡献，沿射线 及环状分为 5 个区，均采用 Q345 箱形截面。屋面较 平缓处最大截面 700（ 宽） × 900（ 高） ，壁厚 30mm； 顶 部最小截面 400（ 宽） × 600 （ 高） ，壁厚 20mm； 各区之 间采用渐变截面以保证建筑外观的流畅。
波 1 与反应谱比值 / % 87 81 82 108 113 102
天然 基底剪力 / kN 6 551 24 091 1 561 14 763 14 843 11 065
荷载组合工况 恒 + 活 + 全跨升温 + 风 恒 + 活 + 局部升温 + 风 恒 + 活 + 全跨降温 + 风
表1
图 5 静力作用下杆件的利用率
图 7 时程波与反应谱比较
弹性时程分析结果
表2
时程分析结果
小震作用
X
Y
Z
大震作用
X
Y
Z
人工 基底剪力 / kN 6 973 17 731 1 919 13 790 22 944 8 804
（ 1 Arup International Consultants （ Shanghai） Co． ，Ltd． ，Beijing Branch，Beijing 100020，China； 2 The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）
Design and analysis of the large span single layer latticed steel roof for Tianjin Yujiapu transport hub
Goman Ho1 ，Song Changjiang2 ，Yang Hua1 ，Ma Jin2 ，Fu Baoliang1 Gao Xiujian2 ，Fan Ke1 ，Wu Hai1 ，Xiong Zhaohui1
1 工程概况 天津于家堡交通枢纽项目位于滨海新区于家堡
中 心 商 务 区 ，连 接 京 津 城 际 延 长 线 及 多 条 地 铁 线 ，总 建筑面积 20 余万 m2 。车站设置于于家堡中心商务 区北端，南端 紧 邻 规 划 中 的 于 仁 道。 车 场 规 模 为 3 座岛式站台和 6 条到发线。新建站房最高聚集人数 2 000 人，远期每日旅客发送量 50 000 人次，高峰每 小时发 送 量 约 5 000 人 次。 周 边 设 置 有 停 车 场、公 交 中 心 及 控 制 中 心 等 配 套 设 施 ，从 而 形 成 一 个 庞 大 、 便利的交通枢纽 中 心。 车 站 共 设 地 下 2 层，站 房 穹 顶位于地面，如图 1 所 示。 整 个 屋 盖 采 用 钢 结 构 与 膜材料（ ETFE，乙烯-四氟乙烯共聚物） ，以达到结构 简 洁 、轻 巧 通 透 并 与 周 围 环 境 完 美 结 合 的 目 的 。
结构安全等级为一级，重 要 性 系 数 取 1. 1，为 乙 类重点设防建筑。屋盖挠度限值为跨度的1 /400，结 构整体稳定系数控制在 5 以上。抗震设防烈度为 7 度，小震加速 度 峰 值 为 0. 055g，大 震 加 速 度 峰 值 为 0. 310g。抗震设防目标为小震弹性，大震基本弹性。 本项目 设 计 开 始 于 2009 年 5 月，超 限 审 查 完 成 于 2010 年 5 月，设 计 采 用《网 壳 结 构 技 术 规 程 》（ JGJ 61—2003） （ ［1］ 简称网壳规程） 。 4. 2 荷载及效应组合
铁道第三勘察设计院集团有限公司（ 简称铁三 院） 为本项 目 的 总 体 设 计 单 位，奥 雅 纳 作 为 设 计 咨 询单位负责站房穹 顶 部 分 的 建 筑、结 构、幕 墙、机 电 等 方 面 设 计 工 作 ，铁 三 院 负 责 上 述 工 作 的 审 核 、审 定
图 1 天津于家堡交通枢纽效果图
3 分析模型 站房屋盖主要采用 GSA，SAP2000 及 MIDAS 软
件进行计算。对穹 顶 进 行 三 维 建 模，两 点 之 间 的 杆 件 为 直 线 ，杆 件 之 间 采 用 刚 接 ，所 有 杆 件 均 采 用 空 间 梁 单 元 ，以 真 实 地 模 拟 穹 顶 杆 件 在 外 力 作 用 下 的 拉 、 压、弯、剪、扭的效 应； 并 根 据 国 内 规 范，采 用 奥 雅 纳 内部自编的程序对杆件截面进行设计及优化。 4 钢结构屋盖设计中的关键问题 4. 1 屋盖设计原则及标准
第 42 卷 第 10 期 2012 年 10 月
建筑结构 Building Structure
Vol． 42 No． 10 Oct． 2012
天津于ห้องสมุดไป่ตู้堡交通枢纽大跨度单层网壳设计与分析
何伟明1， 宋长江2， 杨 华1， 马 瑾2， 付宝亮1， 高修建2， 樊 珂1， 吴 海1， 熊朝晖1
（ 1 奥雅纳工程咨询（ 上海） 有限公司北京分公司，北京 100020； 2 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）
［摘要］ 天津市于家堡交通枢纽站房屋盖为大跨、无柱单层网壳钢结构，外形为由正、反螺旋线编织而成 的 贝 壳 形 双曲面，平面尺寸约为 143m × 81m。网壳网格为不规则空间四边形，所有箱形截面杆件均以不 同 角 度 交 汇 于 节 点 。 通过对该穹顶结构在各种作用效应下的强度、变形、整体稳定及支座的设计、节点 有 限 元 分 析、防 倒 塌 分 析，保 证 了 结构的安全。 ［关键词］ 单层网壳； 大跨钢结构； 螺旋线； 整体稳定； 几何及材料非线性； 支座； 有限元分析 中图分类号： TU337 文献标识码： A 文章编号： 1002-848X（ 2012） 10-0013-05
何伟明，等． 天津于家堡交通枢纽大跨度单层网壳设计与分析
15
200mm（ 短 向 跨 度 /400） 。各 静 力 工 况 作 用 下 杆 件 的利用率见图 5，可见在静力工况 下，杆 件 利 用 率 不 高，大部分杆件利用率在 70% 以下。
方向 X Y Z
各方向控制工况下的位移
位移 /mm 46. 51 － 39. 33 － 139. 5
工作。 2 结构体系
站 房 屋 盖 为 单 层 钢 结 构 网 壳 ，外 形 为 由 正 、反 螺 旋线编织而成的 贝 壳 形 双 曲 面，如 图 2 所 示。 建 筑 原方案由 美 国 SOM 公 司 提 出，奥 雅 纳 进 行 深 化 设
作者简介： 何伟明，博士，公司董 事，一 级 注 册 结 构 工 程 师，英 国 结 构 工程师学会 会 员，香 港 工 程 师 学 会 会 员，注 册 专 业 工 程 师。 Email： goman． ho@ arup． com。
Abstract： The single layer lattice steel roof of Tianjin Yujiapu transport hub has plan dimension of 143m × 81m． This doubly curved roof consists of a series of space spirals in clockwise and counter clockwise direction． The box section beams follow the spirals and form the large column free space． As the shell is double curved and grids are formed by irregular space quadrilaterals，all the elements meet in different angles． The roof structural system，design standard，loading， dynamic analysis and global stability，progressive collapse design，and connection finite element analysis were presented to guarantee the safety and reliability of the roof． Keywords： single-layer lattice roof； large span steel structure； spiral； global stability； geometric and material nonlinearity； bearing； FEA
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建筑结构
2012 年
计 ，最 终 平 面 尺 寸 近 似 为 143 m × 81 m，结 构 矢 高 为 25 m，内 部 无 柱 。 网 壳 杆 件 由 36 根 顺 时 针 和 36 根 逆时针 的 空 间 螺 旋 形 矩 形 截 面 杆 件 交 叉 编 织 而 成 ； 每 个 交 点 上 各 杆 件 均 以 不 同 角 度 相 交 ，形 成 的 网 壳 网 格 为 不 规 则 空 间 四 边 形 ，为 非 正 交 交 叉 梁 结 构 体 系 。 杆 件 之 间 刚 接 ，以 保 证 结 构 的 稳 定 。 在 屋 盖 顶 部 及 底 部 设 有 环 梁 ，以 稳 固 整 个 空 间 网 壳并有效地将屋盖荷载通过与底环梁相连的支座 传递至地下。
图 2 穹顶结构体系
采用由螺旋线编织形成的不规则四边形的单层 网壳在国内外应用 不 多，针 对 本 站 房 的 荷 载 传 力 路 径进行了研究。采 用 虚 功 原 理，在 屋 盖 顶 部 作 用 单 位力时，各杆件对该点位移的贡献见图 3。
图 3 站房钢屋盖传力体系的研究
由图 3 可知，由于项目屋盖特殊的螺旋造型，其 受力及传力路径不同于一般网格的屋盖。设计单位 还特别针对贝壳外形的穹顶采用肋环斜杆型网格、 三向网格、葵 花 三 向 网 格、短 程 线 型 网 格［1］ 进 行 了 研 究 ，结 果 表 明 在 保 持 位 移 相 同 的 情 况 下 ，短 程 线 型 网格用钢量最小。 但 由 于 其 他 方 面 的 原 因，站 房 穹 顶最终采用螺旋线编织网格的方案。设计单位通过 对 该 穹 顶 结 构 在 各 种 荷 载 效 应 下 的 强 度 、稳 定 、变 形 等 一 系 列 分 析 ，深 入 研 究 其 杆 件 的 合 理 分 区 ，形 成 了 当前螺旋线网格方案下的优化设计。
在竖向荷载作用下结构的位移见图 4。对竖向 荷载与其他各种静 力 组 合 工 况，包 括 与 风、雪、温 度 等组合工况也进行 了 分 析，各 方 向 控 制 工 况 下 的 位 移见表 1，可 见 位 移 均 小 于 规 范 规 定 的 位 移 限 值
图 4 竖向荷载作用下的位移 /mm
第 42 卷 第 10 期
最终方案屋面面积 11 000m2 ，穹顶高度 25m。穹 顶的杆件根据受力大小及对整体稳定的贡献，沿射线 及环状分为 5 个区，均采用 Q345 箱形截面。屋面较 平缓处最大截面 700（ 宽） × 900（ 高） ，壁厚 30mm； 顶 部最小截面 400（ 宽） × 600 （ 高） ，壁厚 20mm； 各区之 间采用渐变截面以保证建筑外观的流畅。
波 1 与反应谱比值 / % 87 81 82 108 113 102
天然 基底剪力 / kN 6 551 24 091 1 561 14 763 14 843 11 065
荷载组合工况 恒 + 活 + 全跨升温 + 风 恒 + 活 + 局部升温 + 风 恒 + 活 + 全跨降温 + 风
表1
图 5 静力作用下杆件的利用率
图 7 时程波与反应谱比较
弹性时程分析结果
表2
时程分析结果
小震作用
X
Y
Z
大震作用
X
Y
Z
人工 基底剪力 / kN 6 973 17 731 1 919 13 790 22 944 8 804
（ 1 Arup International Consultants （ Shanghai） Co． ，Ltd． ，Beijing Branch，Beijing 100020，China； 2 The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China）
Design and analysis of the large span single layer latticed steel roof for Tianjin Yujiapu transport hub
Goman Ho1 ，Song Changjiang2 ，Yang Hua1 ，Ma Jin2 ，Fu Baoliang1 Gao Xiujian2 ，Fan Ke1 ，Wu Hai1 ，Xiong Zhaohui1