方案阶段初期，屋顶支承结构布置如图 2 所示，北侧部分两片主体网架分别由幕墙框架、一组 C 形柱、一组门头柱、若干独立钢柱支承，中部及南侧 4 片主体网架分别由一组 C 形柱、两个钢支撑筒及幕墙柱支承。C 形柱、门头柱均为桁架式格构柱，北幕墙柱高为 25～45 m，采用 1 200 mm×400 mm 箱形截面，在框架平面内的截面宽度为 400 mm，幕墙横梁采用 600 m×600 m 箱型截面，沿高度方向按 12 m 间距布置；钢支撑筒采用 9 m×12 m 矩形筒，柱肢采用直径 1 500 mm 钢管柱。
计算得到结构第 1 阶振型以扭转为主，其中扭转占 54.8%， X 向平动占 44.5%，相应振型如图 3 所示。
由图 3 可知，结构北侧屋顶支承结构的 X 向抗侧刚度较弱，振动幅度最大区域为北侧 X 向平动，而南侧抗侧刚度较强，振动幅度很小。因此，应增加北侧支承结构的抗侧刚度，同时可适当减小南侧支承结构的抗侧刚度，使整体结构质量中心与刚度中心相接近。
对屋顶支承结构进行了如下调整：1)北侧幕墙柱结合建筑造型设置面内支撑，形成较强抗侧刚度的支撑框架；2)在北侧两片主体网架中部位置分别增加一组 C 形柱，在东西两侧分别增加两个钢支撑筒，减小北侧屋盖跨度的同时增加抗侧刚度；3)将中部、南侧的 8 个钢支撑筒改为边长 9 m 左右的三角形筒，减小此区域的抗侧刚度。调整后最终实施的屋顶支承结构布置如图 4 所示，对应的主振型如图 5 所示。
图 5 调整后的结构主要振型
计算得到结构动力特性如下：结构第 1 振型为 Y 向平动，伴有竖向振动，周期为 1.148 s；第 2 振型为 X 向平动，伴有扭转，周期为 1.085 s；第 13 振型以扭转为主，伴有 X 向平动，周期为 0.899 s，扭转周期比 T t / T 1 =0.783。
分别对调整前、后的结构进行质量中心、刚度中心分析，得到调整前、后结构质量中心与刚度中心 Y 轴(南北轴)坐标(表 1)。由此可见，调整支承结构布置后，有效减小了整体结构质量中心与刚度中心的偏差，提高了结构的抗扭刚度，降低了结构扭转效应。
表 1 调整前、后结构质心与刚心位置比较
由于钢结构为对称布置，仅选取右半部分进行计算。对分块模型构件进行承载力验算时，荷载效应取标准组合，抗力取钢材强度标准值，构件应力比要求控制在 1.0 以下。C 形柱构件在非抗震组合、设防烈度地震组合下的应力比如图 9、图 10 所示,钢支撑筒、幕墙支撑框架等其他屋顶支承构件的应力比如图 11、图 12 所示。可见，构件应力比均满足设定的控制要求。
对结构分块模型进行了非抗震组合及设防烈度地震组合下的钢构件承载力验算。结果表明，即使中心采光穹顶及六道采光带失效，主体钢结构仍有足够的承载能力，结构不会因此发生破坏。
表 2 屋顶支承结构承担的重力荷载、地震剪力比例 %
图 13 X 、 Y 向地震剪力调整系数
图 14 构件的屈服面
4.2 荷载施加与地震波输入 第一步：施加作用于结构上的竖向荷载，竖向荷载为重力荷载代表值。第二步：维持第一步所施加的竖向荷载不变，选择两条天然波、一条人工波进行输入，每条地震波分析两个工况：1) X 主方向输入， X ∶ Y ∶ Z =1∶0.85∶0.65；2) Y 主方向输入， X ∶ Y ∶ Z =0.85∶1∶0.65。罕遇地震分析采用的地震波与反应谱如图 15 所示(以天然波 2(S0787)为例)。
图 15 罕遇地震下天然波 2(S0787)时程曲线与反应谱曲线
4.3 结构抗震性能评价 结构构件各个状态的定性描述和计算结果中塑性铰级别的对应关系如表 3 所示。
表 3 塑性铰级别及状态
图 16 钢结构关键点位置
罕遇地震弹塑性计算的关键点 X 、 Y 向层间侧移如表 4、表 5 所示。
表 4 关键点 X 向层间侧移
4.4.2 钢结构损伤塑性铰 各条地震波下，屋顶支承钢结构的塑性铰分布如图 17 所示。可知，屋顶支承结构中，除北侧幕墙支承结构个别连梁出现轻微屈服外，其他构件均未进入塑性，屋盖关键构件也均处于弹性状态，表明结构具有较高的抗震安全性。
图 17 钢结构屋顶支承构件塑性铰分布
2)对结构分块模型进行了非抗震组合及设防烈度地震组合下的钢构件承载力验算。结果表明，即使中心采光穹顶及六道采光带失效，主体钢结构仍有足够的承载能力，不会因此发生倒塌破坏。
3)分析了水平地震作用下屋顶各支承构件承担的地震剪力比例，对承担地震剪力比例小于其承担重力荷载比例的屋顶支承构件，按重力荷载比例对其地震剪力进行调整，得出各支承构件的内力调整系数，提高了多道防线的抗震能力。
4)对整体结构进行了罕遇地震动力弹塑性时程分析，结果表明，虽有部分构件进入弹塑性工作状态，出现强度、刚度退化，但退化程度不大，整体结构具有足够的能力进行内力重分布以维持其整体稳定性，并承受地震作用与重力荷载。
先后负责了全球最大航站楼——北京大兴机场航站楼、2008 年奥运会的国门工程——首都国际机场 T3 航站楼、北京奥运中心区三大场馆中唯一由中国工程师自主设计的标志性工程——2008 年北京奥运会国家体育馆、汶川地震时最大的抗震救灾中心——九洲体育馆、引领国际隔震技术的前世界最大隔震工程——昆明长水国际机场以及获 2017 年国际杰出结构大奖的项目——凤凰中心等 20 余项大型工程的钢结构设计，解决了大量关键技术问题，保障了项目的成功建设，取得了显著的技术与经济效益，推动了行业进步与发展。
负责了 FAST 主动反射面主体支承结构设计，解决了复杂山地环境巨型支承结构受力不均匀问题；提出了适应 FAST 索网形态分析的方法，优化了索网形态，大幅降低了索网内力；与合作方共同研发了索网连接节点、制作安装标准，实现了高精度的超大空间结构工程。另外，还负责卡塔尔 2022 年世界杯主体育场最复杂的大跨度索网和钢结构设计。该项目是中国工程师参与设计的最有国际影响的建筑项目，在欧美事务所占据主导地位的海外市场上，为中国创造赢得国际地位与声誉，以实际行动践行了国家“一带一路”倡议。
想了解更多行业资讯，欢迎加入土木在线微信交流群~ 为了近距离服务大家和顺应潮流，我们决定开放多个专业微信交流群，希望可以给您带来<各项福利>： 1、遇到专业上的疑难可在群内得到解答。 2、专业资料、讯息的传阅分享。 3、获得不定期免费公开课/讲座特权。 附上群内资料分享截图： 
还在等什么，赶快使用微信扫码加入吧~ 
