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奧運場館大跨度空間鋼結構：美與安全的統一

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:02:17 [收藏]

        作為奧運會新建場館，“水立方”、“鳥巢”、奧運乒乓球館以其獨特的建筑造型受到世人矚目。這三個大跨度空間鋼結構采用了從未或者極少應用過的結構形式，在令人賞心悅目的同時，也不免引人思考：這些建筑安全嗎？清華大學土木系錢稼茹教授帶領的科研團隊就參與到解開這一問號的工作中。

    　　“水立方”鋼結構墻體抗震性能好、安全儲備大

    　　國家游泳中心“水立方”是2008北京奧運會的主要場館之一。一面世，湛藍色的膜結構外衣就成為人們關注的焦點，而這層美麗華服下的鋼結構骨架卻很少引起人們的注意。事實上，正是這些不為人知的骨架成為“水立方”的抗震結構，也是設計、施工中面臨的頭號難題。

    　　這種新型的多面體空間鋼結構是首次應用于地震區的大跨度空間結構，國內外對其抗震性能均無試驗研究。清華土木系錢稼茹教授帶領的科研團隊以“水立方”內墻中的典型部分為子結構，完成了該子結構模型在豎向荷載和往復水平荷載作用下的抗震試驗。試驗結果表明，子結構模型具有足夠大的抗震安全儲備。

    　　“鳥巢”鋼結構抗震設計安全、達到預定性能目標“鳥巢”大跨度空間鋼結構由主結構的桁架柱和桁架梁、頂面次結構和立面次結構組成。桁架柱的外柱頂部構件以及大量次結構構件采用了空間薄壁扭曲箱形構件，這種構件在平面內彎曲的同時繞軸線扭轉。扭曲箱形構件的幾何構型特殊，受力機理復雜，在大跨度空間結構中應用尚屬首次，國內外均無相關研究成果和技術規范。空間薄壁扭曲箱形構件的截面尺寸達1.2米×1.2米，而鋼板的厚度只有幾厘米，盡管鋼材的強度高、柔韌性能好，但這種構件是否安全、可靠，仍需要通過試驗和受力分析進行研究。

    　　為此，錢稼茹教授帶領科研團隊對空間薄壁扭曲箱形構件進行了三項模型試驗和分析：抗拉試驗和分析、抗彎試驗和分析、外柱頂部肘形結構模型抗拉試驗和分析。通過三項試驗，團隊獲得了拉力-位移曲線、彎矩－撓度曲線、屈服荷載、破壞過程和破壞形態、承載能力和變形能力等多項數據。試驗結果為設計單位對少量構件的調整提供了依據。
    “鳥巢”鋼屋蓋是超大跨度空間結構，平面呈橢圓型，長軸330多米，最高點高度為68.5米，重4萬多噸，有9522根構件，大跨度鋼屋蓋支撐在24根桁架柱上。假如遇到強烈地震，“鳥巢”將會怎樣？錢稼茹教授采用有限元軟件，對“鳥巢”整體結構進行了三維靜力非線性和三維動力非線性抗震分析。結果表明，大震作用下，國家體育場鋼結構最大位移小于其限值；主結構在桁架柱上出現數量很少的塑性鉸，屈服程度輕；次結構也有少量的塑性鉸，僅極少數鉸的強度下降至殘余強度；結構的整體剛度沒有下降，尚未達到最大承載能力。國家體育場鋼結構設計達到了預定的抗震設防性能目標。

    　　奧運乒乓球館“中國脊”屋蓋優美、安全穩固

    　　奧運乒乓球館屋蓋結構體系為預應力柔性拉索和剛性空間桁架通過撐桿連接而成的預應力張拉空間桁架殼體，主要由32榀輻射桁架、中央剛性環、中央球殼和支撐桿、下剛性環、輻射拉索及支撐體系6部分組成，結構新穎獨特，在國內很少應用。除了周邊有支承外，由眾多鋼桁架、剛性環、球殼等組成的大跨度的鋼結構下沒有一根柱子，只通過預應力鋼索的張拉作用支撐起來，受力方式非常復雜。

    　　錢稼茹教授帶領科研團隊對奧運乒乓球館鋼結構屋蓋進行了施工全過程監測，采用大型通用有限元軟件對奧運會乒乓球館屋蓋鋼結構進行了施工全過程模擬，為順利完成拉索的預應力張拉、中央剛性環順利卸載提供了有力的技術保障。（張莞昀）
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