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奧運(yùn)場(chǎng)館大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)：美與安全的統(tǒng)一

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:02:17 [收藏]

        作為奧運(yùn)會(huì)新建場(chǎng)館，“水立方”、“鳥(niǎo)巢”、奧運(yùn)乒乓球館以其獨(dú)特的建筑造型受到世人矚目。這三個(gè)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)采用了從未或者極少應(yīng)用過(guò)的結(jié)構(gòu)形式，在令人賞心悅目的同時(shí)，也不免引人思考：這些建筑安全嗎？清華大學(xué)土木系錢(qián)稼茹教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)就參與到解開(kāi)這一問(wèn)號(hào)的工作中。

    　　“水立方”鋼結(jié)構(gòu)墻體抗震性能好、安全儲(chǔ)備大

    　　國(guó)家游泳中心“水立方”是2008北京奧運(yùn)會(huì)的主要場(chǎng)館之一。一面世，湛藍(lán)色的膜結(jié)構(gòu)外衣就成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而這層美麗華服下的鋼結(jié)構(gòu)骨架卻很少引起人們的注意。事實(shí)上，正是這些不為人知的骨架成為“水立方”的抗震結(jié)構(gòu)，也是設(shè)計(jì)、施工中面臨的頭號(hào)難題。

    　　這種新型的多面體空間鋼結(jié)構(gòu)是首次應(yīng)用于地震區(qū)的大跨度空間結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其抗震性能均無(wú)試驗(yàn)研究。清華土木系錢(qián)稼茹教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)以“水立方”內(nèi)墻中的典型部分為子結(jié)構(gòu)，完成了該子結(jié)構(gòu)模型在豎向荷載和往復(fù)水平荷載作用下的抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，子結(jié)構(gòu)模型具有足夠大的抗震安全儲(chǔ)備。

    　　“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)安全、達(dá)到預(yù)定性能目標(biāo)“鳥(niǎo)巢”大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)由主結(jié)構(gòu)的桁架柱和桁架梁、頂面次結(jié)構(gòu)和立面次結(jié)構(gòu)組成。桁架柱的外柱頂部構(gòu)件以及大量次結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用了空間薄壁扭曲箱形構(gòu)件，這種構(gòu)件在平面內(nèi)彎曲的同時(shí)繞軸線扭轉(zhuǎn)。扭曲箱形構(gòu)件的幾何構(gòu)型特殊，受力機(jī)理復(fù)雜，在大跨度空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用尚屬首次，國(guó)內(nèi)外均無(wú)相關(guān)研究成果和技術(shù)規(guī)范?？臻g薄壁扭曲箱形構(gòu)件的截面尺寸達(dá)1.2米×1.2米，而鋼板的厚度只有幾厘米，盡管鋼材的強(qiáng)度高、柔韌性能好，但這種構(gòu)件是否安全、可靠，仍需要通過(guò)試驗(yàn)和受力分析進(jìn)行研究。

    　　為此，錢(qián)稼茹教授帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)空間薄壁扭曲箱形構(gòu)件進(jìn)行了三項(xiàng)模型試驗(yàn)和分析：抗拉試驗(yàn)和分析、抗彎試驗(yàn)和分析、外柱頂部肘形結(jié)構(gòu)模型抗拉試驗(yàn)和分析。通過(guò)三項(xiàng)試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)獲得了拉力-位移曲線、彎矩－撓度曲線、屈服荷載、破壞過(guò)程和破壞形態(tài)、承載能力和變形能力等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)單位對(duì)少量構(gòu)件的調(diào)整提供了依據(jù)。
    “鳥(niǎo)巢”鋼屋蓋是超大跨度空間結(jié)構(gòu)，平面呈橢圓型，長(zhǎng)軸330多米，最高點(diǎn)高度為68.5米，重4萬(wàn)多噸，有9522根構(gòu)件，大跨度鋼屋蓋支撐在24根桁架柱上。假如遇到強(qiáng)烈地震，“鳥(niǎo)巢”將會(huì)怎樣？錢(qián)稼茹教授采用有限元軟件，對(duì)“鳥(niǎo)巢”整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維靜力非線性和三維動(dòng)力非線性抗震分析。結(jié)果表明，大震作用下，國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)最大位移小于其限值；主結(jié)構(gòu)在桁架柱上出現(xiàn)數(shù)量很少的塑性鉸，屈服程度輕；次結(jié)構(gòu)也有少量的塑性鉸，僅極少數(shù)鉸的強(qiáng)度下降至殘余強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)的整體剛度沒(méi)有下降，尚未達(dá)到最大承載能力。國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定的抗震設(shè)防性能目標(biāo)。

    　　奧運(yùn)乒乓球館“中國(guó)脊”屋蓋優(yōu)美、安全穩(wěn)固

    　　奧運(yùn)乒乓球館屋蓋結(jié)構(gòu)體系為預(yù)應(yīng)力柔性拉索和剛性空間桁架通過(guò)撐桿連接而成的預(yù)應(yīng)力張拉空間桁架殼體，主要由32榀輻射桁架、中央剛性環(huán)、中央球殼和支撐桿、下剛性環(huán)、輻射拉索及支撐體系6部分組成，結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，在國(guó)內(nèi)很少應(yīng)用。除了周邊有支承外，由眾多鋼桁架、剛性環(huán)、球殼等組成的大跨度的鋼結(jié)構(gòu)下沒(méi)有一根柱子，只通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉作用支撐起來(lái)，受力方式非常復(fù)雜。

    　　錢(qián)稼茹教授帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)奧運(yùn)乒乓球館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行了施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)，采用大型通用有限元軟件對(duì)奧運(yùn)會(huì)乒乓球館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工全過(guò)程模擬，為順利完成拉索的預(yù)應(yīng)力張拉、中央剛性環(huán)順利卸載提供了有力的技術(shù)保障。（張莞昀）
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