本文简要介绍了在国家体育场钢结构设计中采用结构体系、.ppt

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1、本文简要介绍了在国家体育场钢结构设计中采用的结构体系、焊接薄壁箱形构件设计方法、主结构与次结构杆件计算长度确定方法、钢结构安装顺序研究、选用钢材材质策略、软件开发与结构优化计算、预应力技术应用研究等主要的结构优化措施。国家体育场主体钢结构方案优化一、工程简介国家体育场是2008年北京奥运会主体育场，看台呈碗形最多可容纳100000个座椅。支撑体育场看台的是一系列放射状布置的混凝土框架。覆盖体育场碗状看台的是一个巨大的“鸟巢”形空间钢结构。现重点介绍主体“鸟巢”钢结构的方案优化设计。国家体育场主体钢结构分为主结构

2、、次结构两部分如下图所示。主结构由一系列空间桁架围绕着内部的碗状看台旋转而成，屋顶形成马鞍形曲面，长轴约340m,短轴约292m。次结构为镶嵌在主结构上弦多边形网格内的一系列交叉杆件二、结构布置国家体育场大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37．958m。取消可开启屋盖后，固定屋盖开洞长度增至185．3m，宽度增至127．5m。(一)主桁架主桁架围绕屋盖洞口环梁放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环桁架。为了避免出现过于复杂的节点，4榀主桁架在内环附近截断，如图所示。1）

3、主桁架弦秆在相邻腹杆之间保持直线；2）主桁架柱采用规则的箱形截面，从而大大降低构件加工的成本；3）为减小主桁架受压下弦的面外长度，在主桁架第1节问中间三分之一的范围内布置水平支撑。为了减小构件制作难度，降低加工成本，首先对屋盖结构的几何构型进行了适当的简化。4）主桁架腹杆夹角一般控制存60度左右，网格大小尽量均匀。上下弦节点对齐，使其具有较好的对称规律性。5）在设置施工临时立撑塔架的主桁架交叉点位置，将腹杆布置为双K形式减小安装期间的弯曲应力。6）当桁架上弦节点与次结构距离接近时，将腹杆的位置调整至次结构的位置

4、。(二)顶面与立面次结构严格控制次结构的数量，均匀对称的布置次结构，以满足各项功能要求，如为屋面膜结构、排水沟、下弦声学吊顶、屋面排水系统等提供支承条件，形成结构抗侧力体系。三、焊接薄壁箱形构件应用研究国家体育场大跨度结构主要采用由钢板焊接而成的箱形构件。为了满足建筑造型要求，构件的外形尺寸受到较大限制。由于钢结构自重在结构内力中所占比重很大，有效减少用钢量，不但对节约工程投资、控制造价有非常直接的作用，同时对于减小地震与温度作用、增强结构的安全性也具有十分重大的意义。为了减小用钢量，在设计焊接箱形截面构件时尽

5、量采用较小的壁厚。由于大截面薄壁箱型构件截面的宽厚比较大，在受压时很容易发生局部失稳，需要采用有效宽度的概念，利用板件的后屈曲强度。试验研究表明，薄壁箱形截面构件的板件具有较好的屈曲后强度，可以采用有效截面的方式计算其承载力。将焊接箱形截面构件视为由4块独立的板件组成，板件之间互为腹板；将板件按毛截面计算时的应力分布状态分为4类，分别对每块板件的受力条件进行判，确定其相应的有效宽度；根据各板件的有效宽度确定构件的有效截面特性。加肋焊接薄壁箱形构件应用研究在国家体育场屋面次结构的外形尺寸为口1000×1000，立

6、面次结构为口1200x1200。为了防止局部失稳，考虑在箱型构件内部设置横向和纵向加劲肋的方法。在设置纵向加劲肋时主要考虑提高纵向加劲肋的有效性，采用惯性矩较大的L形、T形截面形式。为了考察加肋薄壁箱形构件的抗震性能，对其在轴心受压情况进行了非线性有限元分析。在计算模型中采用构件的一阶整体失稳模态模拟初始缺陷，假定构件的横向初始变形量最大值为杆长的1／1000。当构件的应力大于钢材的屈服强度时，将进入塑性状态，强化模量为初始弹性模量的0．6％。箱形构件口1000×1000×8×8，计算长度L=20．0m，采用Q

7、345钢材，分为无纵向加劲肋、带有一道纵向加劲肋和两道加劲肋及2000mm间距横向加劲肋三种情况。无加劲肋构件在轴向荷载作用下，四面壁板很快出现局部曲屈变形，局部变形呈并列的波形，越靠近构件的中部，变形量越大，表现出较强的非线性特征。当达到临界荷载时，在构件中部的局部变形急剧增大，出现明显的皱褶，形成局部的塑性区，承载力突然下降。在超过承载力峰值以后，构件的承载力下降较为平缓，还可以维持较高的承载力水平，表现出较好的延性。带有纵向加劲肋的构件在轴向荷载作用下的局部变形减小，构件在达到临界荷载前接近于理想线弹性，

8、承载力明显提高。当达到临界荷载时，承载力突然下降的幅度较大，局部塑性变形区域主要集中在构件中部。在超过临界荷载以后，虽然还可以维持一定的承载力，但承载力下降较快，延性较差。设置加劲肋对于延迟薄壁箱形构件发生局部屈曲、提高构件承载力、减小用钢量具有很大的作用。设置加劲肋后，薄壁箱形构件轴心受压承载力提高，在达到极限承载力后还可以维持一定的承载能力。四、杆件计算长度系数研究(一)主桁架杆件