國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

1、國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案國家體育場(chǎng)(又稱“鳥巢”)是2008年北京第29屆奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)開、閉幕式與田徑比賽，固定座席可容納8萬人，活動(dòng)座席可容納1.1萬人。國家體育場(chǎng)建筑頂面呈鞍形，長(zhǎng)軸為332.3米，短軸為297.3米，最高點(diǎn)高度為68.5米，最低點(diǎn)高度為40.1米，總建筑面積約為25.8萬平方米。建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年，項(xiàng)目總投資為31.3億元，其中建安成本為22.67億元。瑞士赫爾佐格德梅隆設(shè)計(jì)公司、中國建筑設(shè)計(jì)研究院與奧雅納工程顧問公司組成的設(shè)計(jì)聯(lián)合體承擔(dān)國家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)工作。 一、結(jié)構(gòu)布置 國家體體育場(chǎng)大大跨度屋屋蓋支撐撐在24根桁架架柱之上上，柱距距為37.

2、9588米。取取消可開開啟屋蓋蓋后，固固定屋蓋蓋中間開開洞長(zhǎng)度度增至1855.3米，寬寬度增至至1277.5米。由由于國家家體育場(chǎng)場(chǎng)大跨度度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)大量采采用由鋼鋼板焊接接而成的的箱形構(gòu)構(gòu)件，交交叉布置置的主結(jié)結(jié)構(gòu)與屋屋面及立立面的次次結(jié)構(gòu)一一起形成成了“鳥巢”的特殊殊建筑造造型。主主場(chǎng)看臺(tái)臺(tái)部分采采用鋼筋筋混凝土土框架剪力墻墻結(jié)構(gòu)體體系，與與大跨度度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)完全脫脫開。 主桁架架圍繞屋屋蓋洞口口環(huán)梁放放射形布布置，有有22榀主桁桁架直通通或接近近直通，并并在中部部形成由由分段直直線構(gòu)成成的內(nèi)環(huán)環(huán)桁架。為為了避免免出現(xiàn)過過于復(fù)雜雜的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，4榀主桁桁架在內(nèi)內(nèi)環(huán)附近近截?cái)? 為了減減小構(gòu)件件制作

3、難難度，降降低加工工成本，盡盡量減小小現(xiàn)場(chǎng)施施工的復(fù)復(fù)雜性，對(duì)對(duì)屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)的幾幾何構(gòu)型型進(jìn)行了了適當(dāng)?shù)牡暮?jiǎn)化。主主桁架弦弦桿在相相鄰腹桿桿之間保保持直線線，代替替空間彎彎扭曲線線構(gòu)件，避避免出現(xiàn)現(xiàn)過大的的P-效應(yīng)。由由于主桁桁架大部部分采用用了規(guī)則則的箱形形截面，從從而大大大降低了了構(gòu)件加加工的成成本。 屋頂與與立面次次結(jié)構(gòu)的的主要作作用是為為主結(jié)構(gòu)構(gòu)提供面面外的側(cè)側(cè)向支撐撐、減小小主結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的的計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度，為為屋面膜膜結(jié)構(gòu)、排排水溝、下下弦聲學(xué)學(xué)吊頂、屋屋面排水水系統(tǒng)等等提供支支承條件件，并形形成結(jié)構(gòu)構(gòu)抗側(cè)力力體系。 在修改改初步設(shè)設(shè)計(jì)中，屋屋面次結(jié)結(jié)構(gòu)布置置主要考考慮控制制屋面膜膜結(jié)構(gòu)板

4、板塊面積積的大小小，次結(jié)結(jié)構(gòu)的數(shù)數(shù)量明顯顯少于原原初步設(shè)設(shè)計(jì)。通通過調(diào)整整立面次次結(jié)構(gòu)的的疏密程程度，達(dá)達(dá)到有效效減小外外柱的計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度的目的的。 二、焊焊接薄壁壁箱形構(gòu)構(gòu)件 國家體體育場(chǎng)大大跨度結(jié)結(jié)構(gòu)主要要采用由由鋼板焊焊接而成成的箱形形構(gòu)件。為為了滿足足建筑造造型要求求，構(gòu)件件的外形形尺寸受受到較大大限制。有有效減少少用鋼量量，不但但對(duì)節(jié)約約工程投投資、控控制造價(jià)價(jià)有非常常直接的的作用，同同時(shí)對(duì)于于減小地地震與溫溫度作用用、增強(qiáng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的的安全性性也具有有十分重重大的意意義。 為了減減小用鋼鋼量，在在設(shè)計(jì)焊焊接箱形形截面構(gòu)構(gòu)件時(shí)盡盡量采用用較小的的壁厚。由由于大截截面薄壁壁箱形構(gòu)構(gòu)件截面面

5、的寬厚厚比較大大，在受受壓時(shí)很很容易發(fā)發(fā)生局部部失穩(wěn)，需需要采用用有效寬寬度的概概念，利利用板件件的屈曲曲后強(qiáng)度度。目前前在國內(nèi)內(nèi)外的鋼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范中，均均只考慮慮了箱形形構(gòu)件在在軸心受受壓、受受彎及偏偏心受壓壓時(shí)的有有效寬度度計(jì)算方方法，沒沒有考慮慮拉彎構(gòu)構(gòu)件的受受壓區(qū)板板件可能能出現(xiàn)的的曲屈問問題，對(duì)對(duì)于薄壁壁箱形構(gòu)構(gòu)件存在在很大的的不安全全隱患。目目前鋼結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范僅僅給出軸軸心受拉拉、軸心心受壓、彎彎剪、拉拉彎、壓壓彎等幾幾種類型型構(gòu)的設(shè)設(shè)計(jì)方法法，無法法涵蓋在在構(gòu)件在在復(fù)雜空空間結(jié)構(gòu)構(gòu)中的實(shí)實(shí)際受力力狀態(tài)。另另外，我我國現(xiàn)行行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范在確確定箱形形構(gòu)件的的有效寬寬

6、度時(shí)，只只是簡(jiǎn)單單地根據(jù)據(jù)構(gòu)件的的拉、壓壓狀態(tài)進(jìn)進(jìn)行判別別，沒有有考慮板板件局部部穩(wěn)定與與構(gòu)件整整體穩(wěn)定定承載力力之間的的關(guān)系，有有效截面面寬度取取值偏于于保守。因因此，如如何合理理確定焊焊接薄壁壁箱形構(gòu)構(gòu)件受壓壓板件的的寬厚比比與其他他相應(yīng)的的實(shí)際措措施，是是保證結(jié)結(jié)構(gòu)的安安全性、提提高材料料利用率率、有效效減小用用鋼量的的關(guān)鍵問問題之一一。 在綜合合比較了了國內(nèi)外外鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范、冷冷彎薄壁壁型鋼設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范和相關(guān)關(guān)研究文文獻(xiàn)的基基礎(chǔ)上，提提出了根根據(jù)箱形形構(gòu)件板板件應(yīng)力力狀態(tài)確確定焊接接薄壁箱箱形構(gòu)件件的板件件有效寬寬厚比的的方法與與相應(yīng)的的構(gòu)件設(shè)設(shè)計(jì)公式式，分別別考慮拉拉、壓、雙雙

7、彎、雙雙剪、扭扭作用，并并在非線線性有限限元計(jì)算算、構(gòu)件件試驗(yàn)研研究進(jìn)行行分析驗(yàn)驗(yàn)證的基基礎(chǔ)上，將將研究成成果應(yīng)用用于國家家體育場(chǎng)場(chǎng)焊接薄薄壁箱形形構(gòu)件設(shè)設(shè)計(jì)中。 三、桿桿件計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)研究究 鋼結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范對(duì)對(duì)管桁架架結(jié)構(gòu)的的計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度沒有有專門的的規(guī)定。由由于方管管桁架的的節(jié)點(diǎn)剛剛度較大大，對(duì)桿桿件變形形的約束束作用明明顯，合合理確定定桿件的的計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度，可可以取得得一定的的經(jīng)濟(jì)效效果。對(duì)對(duì)于管桁桁架的受受壓弦桿桿，面內(nèi)內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度可以以取構(gòu)件件的節(jié)間間長(zhǎng)度?？伎紤]到受受拉弦桿桿和腹桿桿的抗彎彎及抗扭扭效果，對(duì)對(duì)管桁架架受壓弦弦桿平面面外的位位移形成成約束作作用，而而且受壓壓弦桿本

8、本身也具具有一定定的抗彎彎和抗扭扭能力，故故對(duì)其在在平面外外的計(jì)算算長(zhǎng)度可可以適當(dāng)當(dāng)折減。 桁架腹腹桿面外外的計(jì)算算長(zhǎng)度與與連接節(jié)節(jié)點(diǎn)形式式有很大大關(guān)系，當(dāng)當(dāng)采用管管桁架時(shí)時(shí)，腹桿桿四周焊焊縫與弦弦桿連為為一體，這這與節(jié)點(diǎn)點(diǎn)板連接接時(shí)平面面外剛度度很小有有明顯區(qū)區(qū)別?？伎紤]到桿桿端焊縫縫的約束束作用，腹腹桿的計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度系數(shù)可可以折減減。在本本設(shè)計(jì)中中，腹桿桿在面內(nèi)內(nèi)的計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)取0.8，面外外的計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)則參參照日本本管結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)指指針取0.9。 屋面次次結(jié)構(gòu)在在主桁架架形成的的菱形網(wǎng)網(wǎng)格中呈呈不規(guī)則則交叉布布置，構(gòu)構(gòu)件以受受彎為主主。立面面次結(jié)構(gòu)構(gòu)在外柱柱之間呈呈不規(guī)則則交叉布

9、布置，直直接作用用于立面面次結(jié)構(gòu)構(gòu)的荷載載較小。在在原初步步設(shè)計(jì)中中，將主主結(jié)構(gòu)作作為次結(jié)結(jié)構(gòu)的支支承點(diǎn)，次次結(jié)構(gòu)面面外計(jì)算算長(zhǎng)度直直接取用用主結(jié)構(gòu)構(gòu)支承點(diǎn)點(diǎn)之間的的距離，計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度很大，當(dāng)當(dāng)桿件受受壓時(shí)材材料利用用率很低低。由于于次結(jié)構(gòu)構(gòu)呈網(wǎng)狀狀交叉布布置，受受力形態(tài)態(tài)類似于于單層網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)。為了了確定次次結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度，直接接采用整整體計(jì)算算模型進(jìn)進(jìn)行非線線性分析析，計(jì)算算時(shí)分別別考慮了了豎向荷荷載和水水平地震震作用。 對(duì)于屋屋面與立立面的次次結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件，由由于次結(jié)結(jié)構(gòu)的截截面尺寸寸較大，在在豎向荷荷載與水水平方向向地震作作用下的的構(gòu)件的的穩(wěn)定承承載力高高于構(gòu)件件截面能能夠提

10、供供的材料料屈服承承載力，構(gòu)構(gòu)件為強(qiáng)強(qiáng)度控制制。根據(jù)據(jù)非線性性分析結(jié)結(jié)果，結(jié)結(jié)合次結(jié)結(jié)構(gòu)的特特點(diǎn)，并并參照網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)技術(shù)規(guī)規(guī)程（JGJJ61-20003），次次結(jié)構(gòu)面面外計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)均取取1.6，且頂頂面次結(jié)結(jié)構(gòu)面外外計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度不超超過其延延長(zhǎng)線與與兩相鄰鄰主桁架架交點(diǎn)之之間的距距離。四、桿件計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度系數(shù)研研究 鋼結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范對(duì)對(duì)管桁架架結(jié)構(gòu)的的計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度沒有有專門的的規(guī)定。由由于方管管桁架的的節(jié)點(diǎn)剛剛度較大大，對(duì)桿桿件變形形的約束束作用明明顯，合合理確定定桿件的的計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度，可可以取得得一定的的經(jīng)濟(jì)效效果。對(duì)對(duì)于管桁桁架的受受壓弦桿桿，面內(nèi)內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度可以以取構(gòu)件件的節(jié)間間長(zhǎng)度

11、?？伎紤]到受受拉弦桿桿和腹桿桿的抗彎彎及抗扭扭效果，對(duì)對(duì)管桁架架受壓弦弦桿平面面外的位位移形成成約束作作用，而而且受壓壓弦桿本本身也具具有一定定的抗彎彎和抗扭扭能力，故故對(duì)其在在平面外外的計(jì)算算長(zhǎng)度可可以適當(dāng)當(dāng)折減。 桁架腹腹桿面外外的計(jì)算算長(zhǎng)度與與連接節(jié)節(jié)點(diǎn)形式式有很大大關(guān)系，當(dāng)當(dāng)采用管管桁架時(shí)時(shí)，腹桿桿四周焊焊縫與弦弦桿連為為一體，這這與節(jié)點(diǎn)點(diǎn)板連接接時(shí)平面面外剛度度很小有有明顯區(qū)區(qū)別?？伎紤]到桿桿端焊縫縫的約束束作用，腹腹桿的計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度系數(shù)可可以折減減。在本本設(shè)計(jì)中中，腹桿桿在面內(nèi)內(nèi)的計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)取0.8，面外外的計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)則參參照日本本管結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)指指針取0.9。 屋面次次

12、結(jié)構(gòu)在在主桁架架形成的的菱形網(wǎng)網(wǎng)格中呈呈不規(guī)則則交叉布布置，構(gòu)構(gòu)件以受受彎為主主。立面面次結(jié)構(gòu)構(gòu)在外柱柱之間呈呈不規(guī)則則交叉布布置，直直接作用用于立面面次結(jié)構(gòu)構(gòu)的荷載載較小。在在原初步步設(shè)計(jì)中中，將主主結(jié)構(gòu)作作為次結(jié)結(jié)構(gòu)的支支承點(diǎn)，次次結(jié)構(gòu)面面外計(jì)算算長(zhǎng)度直直接取用用主結(jié)構(gòu)構(gòu)支承點(diǎn)點(diǎn)之間的的距離，計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度很大，當(dāng)當(dāng)桿件受受壓時(shí)材材料利用用率很低低。由于于次結(jié)構(gòu)構(gòu)呈網(wǎng)狀狀交叉布布置，受受力形態(tài)態(tài)類似于于單層網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)。為了了確定次次結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度度，直接接采用整整體計(jì)算算模型進(jìn)進(jìn)行非線線性分析析，計(jì)算算時(shí)分別別考慮了了豎向荷荷載和水水平地震震作用。 對(duì)于屋屋面與立立面的次次結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)

13、件，由由于次結(jié)結(jié)構(gòu)的截截面尺寸寸較大，在在豎向荷荷載與水水平方向向地震作作用下的的構(gòu)件的的穩(wěn)定承承載力高高于構(gòu)件件截面能能夠提供供的材料料屈服承承載力，構(gòu)構(gòu)件為強(qiáng)強(qiáng)度控制制。根據(jù)據(jù)非線性性分析結(jié)結(jié)果，結(jié)結(jié)合次結(jié)結(jié)構(gòu)的特特點(diǎn)，并并參照網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)技術(shù)規(guī)規(guī)程（JGJJ61-20003），次次結(jié)構(gòu)面面外計(jì)算算長(zhǎng)度系系數(shù)均取取1.6，且頂頂面次結(jié)結(jié)構(gòu)面外外計(jì)算長(zhǎng)長(zhǎng)度不超超過其延延長(zhǎng)線與與兩相鄰鄰主桁架架交點(diǎn)之之間的距距離。 五、鋼鋼結(jié)構(gòu)安安裝順序序研究 安裝順順序?qū)Υ蟠罂缍冉Y(jié)結(jié)構(gòu)用鋼鋼量影響響很大。在在安裝過過程中，如如果屋頂頂次結(jié)構(gòu)構(gòu)與主結(jié)結(jié)構(gòu)同時(shí)時(shí)安裝，次次結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)內(nèi)力將會(huì)會(huì)明顯增增大，導(dǎo)導(dǎo)

14、致次結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件件截面壁壁厚增大大，增大大結(jié)構(gòu)總總用鋼量量增加；主、次次結(jié)構(gòu)之之間區(qū)別別不明顯顯，地震震作用效效應(yīng)增大大，難以以按指定定的順序序出現(xiàn)塑塑性鉸，形形成良好好的抗震震體系。另另外，合合理布置置臨時(shí)支支撐塔架架的位置置與數(shù)量量，對(duì)主主結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件在安安裝過程程中可能能出現(xiàn)的的應(yīng)力狀狀態(tài)有較較大影響響。故此此，對(duì)國國家體育育場(chǎng)大跨跨度鋼結(jié)結(jié)構(gòu)的建建造過程程進(jìn)行了了詳細(xì)的的施工模模擬分析析。 國家體體育場(chǎng)屋屋蓋鋼結(jié)結(jié)構(gòu)施工工順序?qū)?duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件在重重力荷載載作用下下的內(nèi)力力將產(chǎn)生生明顯影影響。根根據(jù)總工工期的要要求，大大部分看看臺(tái)混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)先行施施工，屋屋蓋鋼結(jié)結(jié)構(gòu)部分分隨后進(jìn)進(jìn)行施工工。

15、協(xié)調(diào)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)安裝與與混凝土土結(jié)構(gòu)施施工的關(guān)關(guān)系，對(duì)對(duì)保證混混凝土看看臺(tái)部分分連續(xù)施施工、鋼鋼結(jié)構(gòu)的的順利安安裝具有有重大的的意義。由由于采用用整體提提升方案案時(shí)混凝凝土部分分不能先先期施工工，故在在總體工工期上受受到限制制，滑移移受到場(chǎng)場(chǎng)地的限限制等因因素，故故確定采采用散裝裝法施工工，在屋屋蓋主桁桁架交叉叉點(diǎn)的位位置設(shè)立立78個(gè)臨時(shí)時(shí)支撐塔塔架。 在設(shè)計(jì)計(jì)中，運(yùn)運(yùn)用有限限元法計(jì)計(jì)算程序序中將“死”單元（不不參與整整體結(jié)構(gòu)構(gòu)分析的的構(gòu)件）逐逐次激活活的技術(shù)術(shù)，進(jìn)行行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)在整個(gè)個(gè)施工階階段的結(jié)結(jié)構(gòu)分析析，模擬擬結(jié)構(gòu)在在整個(gè)施施工階段段過程中中的剛度度和重力力荷載的的變化。在在建立結(jié)結(jié)構(gòu)的整

16、整體分析析模型時(shí)時(shí)，包括括全部結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)結(jié)點(diǎn)和單單元。將將整個(gè)施施工過程程分為若若干個(gè)主主要階段段，進(jìn)行行第n階段結(jié)結(jié)構(gòu)在重重力荷載載作用下下的受力力分析時(shí)時(shí)，將在在其后階階段安裝裝的單元元指定為為“死”單元，這這些“死”單元不不具有剛剛度和重重力荷載載作用。在在進(jìn)行n+1階段施施工的受受力分析析時(shí)，在在該階段段施工安安裝的“死”單元被被激活，恢恢復(fù)應(yīng)有有的剛度度和自重重效應(yīng)，在在其后階階段施工工安裝的的單元仍仍然保持持為“死”單元。 六、大大量采用用新型鋼鋼材 在國家家體育場(chǎng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中，為為了有效效地控制制成本，縮縮短訂貨貨周期，全全部采用用國產(chǎn)鋼鋼材。對(duì)對(duì)于厚鋼鋼板選用用了國產(chǎn)產(chǎn)Q34

17、45GJJ鋼材。根根據(jù)冶金金行業(yè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)YB441044-20000生產(chǎn)的Q3445GJJ(Z)高層建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)用鋼板板，板厚厚效應(yīng)小小，中厚厚板的屈屈服強(qiáng)度度比普通通Q3445明顯提提高，對(duì)對(duì)于501000mm厚板，屈屈服強(qiáng)度度為3255MPaa，強(qiáng)度度僅降低低6，對(duì)對(duì)于控制制用鋼量量起到了了很好的的作用。與與低合合金高強(qiáng)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼（GB/T15591-94）中的Q3445相比，其其磷、硫硫含量明明顯降低低，鋼材材的屈強(qiáng)強(qiáng)比不大大于0.8，縱向向沖擊功功有所提提高，完完全能夠夠滿足建建筑抗震震設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范對(duì)對(duì)鋼材強(qiáng)強(qiáng)屈比、伸伸長(zhǎng)率及及冷彎性性能等相相關(guān)性能能要求。由由于Q3445GJJ鋼材的的

18、可以有有效減少少結(jié)構(gòu)的的用鋼量量，改善善結(jié)構(gòu)的的安全性性，有效效地發(fā)揮揮了國產(chǎn)產(chǎn)新型鋼鋼種的技技術(shù)優(yōu)勢(shì)勢(shì)。 在桁架架柱內(nèi)柱柱受力最最大的部部位，為為了有效效控制構(gòu)構(gòu)件的最最大壁厚厚，減小小焊接工工作量，使使連接構(gòu)構(gòu)造比較較合理，在在設(shè)計(jì)中中采用了了高強(qiáng)度度的Q4660鋼材。此此時(shí)要求求鋼材的的抗拉強(qiáng)強(qiáng)度與屈屈服強(qiáng)度度的比值值不應(yīng)小小于1.2，伸長(zhǎng)長(zhǎng)率大于于20，-40時(shí)的沖沖擊韌性性不低于于34J，板厚厚方向截截面收縮縮率不小小于Z35。同時(shí)時(shí)，嚴(yán)格格控制碳碳當(dāng)量，經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格格的焊接接工藝評(píng)評(píng)定，使使其具有有良好的的可焊性性。這是是在國內(nèi)內(nèi)建筑工工程中首首次采用用Q4660鋼材，由由舞陽鋼鋼廠

19、生產(chǎn)產(chǎn)。 為了使桁架架柱與下下部T合并段段的連接接構(gòu)造比比較簡(jiǎn)單單，通過過鑄鋼節(jié)節(jié)點(diǎn)將內(nèi)內(nèi)柱的菱菱形截面面轉(zhuǎn)換為為矩形截截面。由由于鑄鋼鋼節(jié)點(diǎn)位位置處于于結(jié)構(gòu)受受力的關(guān)關(guān)鍵部位位，構(gòu)件件的受到到很大的的軸力與與彎矩，節(jié)節(jié)點(diǎn)域壁壁厚較大大。鑄鋼鋼節(jié)點(diǎn)采采用按德德國DINN-1771822標(biāo)準(zhǔn)生生產(chǎn)的GS-20MMn5VV，化學(xué)學(xué)成分控控制嚴(yán)格格，鑄鋼鋼材料的的可焊性性好。與與規(guī)范中中采用的的鑄鋼材材料相比比，屈服服強(qiáng)度明明顯提高高，經(jīng)調(diào)調(diào)質(zhì)處理理后，當(dāng)當(dāng)鋼材壁壁厚大于于1000mm時(shí)，屈屈服強(qiáng)度度不低于于2800MPaa。另外外，其延延伸率、沖沖擊韌性性均得到到大大改改善。七、軟件開開發(fā)與結(jié)結(jié)構(gòu)

20、優(yōu)化化計(jì)算 在國家家體育場(chǎng)場(chǎng)設(shè)計(jì)過過程中，在ANSYS軟件平臺(tái)上開發(fā)了設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能，以適應(yīng)復(fù)雜大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，計(jì)算優(yōu)化時(shí)將構(gòu)件的應(yīng)力水平控制作為主要優(yōu)化目標(biāo)。在確定控制應(yīng)力度時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)安全度、施工偏差與各種不可預(yù)見的因素。目標(biāo)應(yīng)力度的設(shè)定與結(jié)構(gòu)的重要性、桿件受力特點(diǎn)及工程造價(jià)直接相關(guān)。在確定國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)應(yīng)力度時(shí)，還考慮了屋面PTFE膜結(jié)構(gòu)側(cè)向不平衡力對(duì)主桁架上弦、屋頂次結(jié)構(gòu)側(cè)向彎矩的影響，燈光、音響、雨水槽、大屏幕等集中吊掛荷載引起的局部應(yīng)力，以及在罕遇地震作用下形成破壞機(jī)構(gòu)時(shí)主桁架與次結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)的部位。 通過對(duì)對(duì)整體結(jié)結(jié)構(gòu)在各各種工況況組合下下進(jìn)行計(jì)計(jì)算與截截面

21、校核核，可以以得到構(gòu)構(gòu)件的計(jì)計(jì)算應(yīng)力力比。將將各構(gòu)件件的計(jì)算算應(yīng)力比比與目標(biāo)標(biāo)應(yīng)力比比限值范范圍進(jìn)行行比較，若若構(gòu)件計(jì)計(jì)算應(yīng)力力比介于于目標(biāo)應(yīng)應(yīng)力比限限值范圍圍內(nèi)，則則該構(gòu)件件截面保保持不變變，否則則需要對(duì)對(duì)構(gòu)件進(jìn)進(jìn)行截面面調(diào)整。調(diào)調(diào)整構(gòu)件件截面后后再次進(jìn)進(jìn)行整體體計(jì)算與與截面校校核，直直至所有有構(gòu)件計(jì)計(jì)算應(yīng)力力度均符符合設(shè)計(jì)計(jì)要求。 國家體體育場(chǎng)鋼鋼結(jié)構(gòu)屋屋蓋的自自振周期期較長(zhǎng)，地地震作用用與結(jié)構(gòu)構(gòu)剛度關(guān)關(guān)系很大大。因此此，采用用了“先靜力力計(jì)算優(yōu)優(yōu)化、后后動(dòng)力驗(yàn)驗(yàn)算調(diào)整整”的總體體優(yōu)化思思路。首首先對(duì)恒恒荷載、活活荷載、雪雪荷載、風(fēng)風(fēng)荷載、溫溫度作用用等所有有靜荷載載工況組組合進(jìn)行行計(jì)算；

22、對(duì)構(gòu)件件截面壁壁厚進(jìn)行行優(yōu)化調(diào)調(diào)整，使使構(gòu)件截截面滿足足設(shè)計(jì)要要求；對(duì)對(duì)整體結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行行動(dòng)力計(jì)計(jì)算，進(jìn)進(jìn)行截面面校核，調(diào)調(diào)整構(gòu)件件壁厚；重新進(jìn)進(jìn)行靜力力荷載工工況分析析，使全全部構(gòu)件件均滿足足靜荷載載工況與與地震作作用工況況要求。由由于國家家體育場(chǎng)場(chǎng)整體結(jié)結(jié)構(gòu)1800旋轉(zhuǎn)對(duì)對(duì)稱，優(yōu)優(yōu)化時(shí)同同時(shí)調(diào)整整對(duì)稱桿桿件的壁壁厚。采采用上述述優(yōu)化技技巧后，通通過910輪計(jì)算算可得到到滿意的的結(jié)果。 八、預(yù)預(yù)應(yīng)力技技術(shù)應(yīng)用用研究 為了使使國家體體育場(chǎng)大大跨度鋼鋼結(jié)構(gòu)在在設(shè)計(jì)中中做到技技術(shù)先進(jìn)進(jìn)、經(jīng)濟(jì)濟(jì)合理，我我們會(huì)同同國內(nèi)有有關(guān)專家家共同對(duì)對(duì)預(yù)應(yīng)力力技術(shù)在在國家體體育場(chǎng)鋼鋼結(jié)構(gòu)中中應(yīng)用的的可行性性與合理理性

23、進(jìn)行行了深入入的研究究，從預(yù)預(yù)應(yīng)力方方案選擇擇、計(jì)算算分析、用用鋼量指指標(biāo)、預(yù)預(yù)應(yīng)力索索與錨具具材料的的可靠性性、節(jié)點(diǎn)點(diǎn)構(gòu)造、構(gòu)構(gòu)件加工工制作、預(yù)預(yù)應(yīng)力索索敷設(shè)與與張拉、建建筑效果果、工期期、造價(jià)價(jià)等方面面，對(duì)采采用預(yù)應(yīng)應(yīng)力技術(shù)術(shù)的合理理性進(jìn)行行論證。 在設(shè)計(jì)計(jì)過程中中分別考考慮了3種整體體布索和和3種局部部布索方方案。采采用通用用大型有有限元分分析軟件件Anssys。當(dāng)設(shè)設(shè)置采用用預(yù)應(yīng)力力索后，主主桁架下下弦構(gòu)件件的拉力力降低幅幅度較大大，主桁桁架上弦弦的壓力力也有所所增大，上上、下弦弦構(gòu)件內(nèi)內(nèi)力增長(zhǎng)長(zhǎng)幅值大大致相同同。施加加預(yù)應(yīng)力力前后，主主桁架腹腹桿的內(nèi)內(nèi)力變化化不大，主主桁架的的撓度減

24、減小。采采用預(yù)應(yīng)應(yīng)力索后后，結(jié)構(gòu)構(gòu)的總用用鋼量比比未采用用預(yù)應(yīng)力力索時(shí)略略有增加加。其主主要原因因如下： (1)在本工工程中，適適于布置置預(yù)應(yīng)力力索的主主桁架的的數(shù)量較較少，可可以有效效施加預(yù)預(yù)應(yīng)力的的僅有8榀，所所占比例例較小，預(yù)預(yù)應(yīng)力的的效果比比一般的的預(yù)應(yīng)力力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)小。(2)由于建建筑外觀觀的要求求，預(yù)應(yīng)應(yīng)力索的的位置不不能超出出主桁架架弦桿高高度的范范圍，預(yù)預(yù)應(yīng)力索索曲線的的矢高較較小，使使預(yù)應(yīng)力力的效率率大大降降低。(3)為了保保證構(gòu)件件具有一一定的延延性，主主桁架弦弦桿箱形形構(gòu)件的的壁厚不不宜小于于20mmm，很多多下弦構(gòu)構(gòu)件采用用最小壁壁厚。設(shè)設(shè)置預(yù)應(yīng)應(yīng)力索后后，雖然然下弦的的內(nèi)力有有較大幅幅的降低低，但其其截面尺尺寸很難難再進(jìn)一一步減小小。同時(shí)時(shí)，施加加預(yù)應(yīng)力力將使主主桁架跨跨中上弦弦桿壓力力值增大大。因此此，很難難在減小小用鋼量量方面取取得預(yù)期期的效果果。 布置預(yù)預(yù)應(yīng)力索索的主桁桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)剛度較較大，內(nèi)內(nèi)力也相相應(yīng)增大大，而其其它未布布置預(yù)應(yīng)應(yīng)力索的的主桁架架的內(nèi)力力將有所所下降。通通過對(duì)構(gòu)構(gòu)件截面面優(yōu)化調(diào)調(diào)整，這這一趨勢(shì)勢(shì)會(huì)更加加明顯，在在桁架之之間形成成主次關(guān)關(guān)系，內(nèi)內(nèi)力向部部分布置置了預(yù)應(yīng)應(yīng)力索的的桁架轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移，錨錨具的可可靠性對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)的的安全性性至關(guān)重重要。由由于錨