国家游泳中心“水立方”结构设计优化_图文

1、 维普资讯 “ 杂 交” 优化 ， 共 添加 了 根腹 杆 ， 控 制 弦杆 的最 大 截 面尺寸 × × 。 表 增加腹杆前后杆件 内力、 应力设计值比较 图 下弦贯通 一 最大弯矩 帆 最大弯矩 轴力 应力设计值 设计强度 牛 兀 亏 粗线 ） ， 如此处理使下 弦连续贯通内墙 ， 改善了下 弦受 力。 局 部汇 交力 系优化 加杆前 加杆后 加杆前 加杆后 （ ， 对比 减小 增大 增大 减小 壁厚 ） 由多面体构成的三维空间切割生成 的未经任何修 改的“ 纯净” 结构 ， 在水平面（ 如屋盖下弦） 和垂直面（ 如 墙体 内弦） 相交的边线上 ， 节点汇交的杆件均为弦

2、杆 ， 没有 腹杆 ， 类似 于框 架 的边柱 节点 ， 相交 的屋盖下 弦 和 对比 减少 减少 增大 减小 铰接计算处理优化 局部“ 杂交” 可有效改善受力较 大杆件 的受力状 态， 使其 向汇交力系转化 ， 但这是以牺牲结构的规律性 和增加 节点 汇 交杆件 数 为代 价 的 ， 同时 某些 高应 力 杆 墙体内弦弯矩非常大 ， 出现畸形内力 ， 主要分布在大跨 屋 盖下 弦边缘 ， 见 图 中椭 圆区域 。 为有效减小相交的屋盖下 弦和墙体 内弦弯矩 ， 在 几何构成允许的条件下 ， 从交界处弯矩较大 的屋盖下 弦杆件前端节点拉一根腹杆连接到 内部腹层节点 ， 从 而改变传力路径 ，

3、降低原屋盖下弦的弯矩。该新增腹 杆与原有各杆件 的夹角不可太小 ， 否则会对施工造成 困难 。 件的几何构成无法直接采用 “ 杂交” 。此时， 若单纯加 大杆件截面， 则杆件刚度增加 ， 吸收 内力增加 ， 应力水 平很难降低 ， 类似高层建筑 中主要 吸收水平荷 载的连 梁 。为消除这些杆件 的高应力 ， 可采用增大其周 围杆 件截面的思路来实现。但对于新型多面体空间刚架结 构不能象简单的框架结构那样很容易地判断需要加强 的构件 ， 采 用手 工调 整 试算 来 确 定 该 加 大 哪些 杆 件 的 截 面几 乎是 不 可能 的 ， 因为 调整 一 个 杆 件 的 截 面会 影 响到相 邻很

4、 多 杆件 的受力 。 在屋盖和墙体相交的区域 附加部分腹杆， 适 当构 成汇交力系 ， 合理“ 杂交” ， 使整体结构受力均匀 ， 是这 一 新 型 空间结 构优化 的另一 重要 内容 。 图 中屋 盖 下 弦杆 件 和 （ 粗 实线 所 示 ） 主弯矩 在增 加 根腹 杆 （ 粗 虚线 所 示 ） 后 大幅下 降 （ 号 杆 弯 矩 降低 幅 度 达 ） ， 轴力虽有所增 大（ 号 杆 轴 力 增 大 幅 度 ） ， 但应力水平 明显下 降（ 见表 ） 。经过 这样 计算中采取将个别内力特别高的杆件两端设为铰 接 的计算处理优化 ， 然后用程序 自动迭代计算 并优化 调整杆件 ， 从而使其

5、周围区域内的相应杆件得 以加强 （ 如图 所示） ， 这样 就 找 出了 自动 优化 杆件截面扩散内力 的方法。调整结束 ， 重新将 原高内力杆件从铰接改回刚接 ， 就有效地降低 了实际杆件刚接时 的应力水平 ， 取得 了很好的 效果。 （ ） 屋盖下弦贯通及 受力较大 的杆件分布 【 ） 高应 力杆件处增 加腹杆 图 下 弦贯通和局部增加腹杆“ 杂交” 优化 图 铰接处理 维普资讯 这个 优 化 思 路 也 可 通 过设 置 单 元 “ 死 活” 来 完成 ， 即将高应力单元先 设置 为 “ 死” ， 相 当 于取 消 该杆件 ， 自动迭代计算加 强 周 围杆 件 ， 然 后再 激 活 “

6、死” 单元 ， 重 新 计算 即可 少 （ ） 扩大节点 区 （ ） 杆端 贴焊钢板 （ ） 变截面杆 有效降低杆件应力。 由于 在 这 些 应 力 特 图 强 节 点 弱 杆 件 处 理 别高的杆件设 “ 铰接” 或 “ 死” 的状 态 下 ， 对其 周 围 杆件进行了加强 ， 因此 ， 这些高应力杆件屈服或破坏 后， 其它杆件仍可可靠地传递荷载 ， 如此设计优化还达 到了在结 构受 力特别 大 的 区域 设置 二道 防线 的 目的 。 面杆 ， 使截面承载力与弯矩 图最接近的点离开连接 焊缝一段距离， 或选用等截面杆在端部局部加强形成 加强节 （ 图 ） ， 以降低焊缝处 的弯曲应力。设计

7、中采 取的主要方法是 ： 杆件最大应力一 的等截面 杆采 取 杆 端 贴 板 加 强 的措 施 ， 贴板设计 在 关 于框 架 梁 端 贴 板 设 计 建 议 的基 础 上 有 所 改 进， 有关专项试验研究和计算公式见另文 。 节点 区经过加 强处 理 ， 在 罕遇 地震 作用 下 ， 可 确保 焊缝 不 开 裂 ， 焊接区钢材不脆断 ， 从 而实 现 塑 性 铰 外 移， 达 到延性 抗震 设计 。 强节点弱杆件优化 本工程 结构 内部 腹 层 的节 点采 用 球 节 点 、 表 面 弦 层节点采用切去球冠 的半球节点、 建筑内外边线则采 用 以边线 杆 件 为母 杆 的相 贯 焊 接 节

8、 点 （ 图 ） 。 节点 区多杆焊 接 ， 应 力 比较复 杂 ， 同时 由于本 工程 为空 间刚 架结构 ， 杆件两端弯矩较大 ， 弯 曲应力在节点焊缝处最 高， 因此 对节 点 区进 行优 化是 十分必 要 的 。 首先 ， 在节 点设 计计 算 中 ， 对节点 的应力水 平进 行 限制 ， 对 于节点 交汇 杆件最 大应 力 （ 为 钢 结 语 国家游 泳 中心“ 水 立方 ” 采用 了基 于理论 物理 学 中 的泡沫 理论衍 生 出来 的 多 面体 空 间刚 架 结构 ， 是一 种 材设计强度） 的节点 ， 取节点应力设计值 为 。 ； 对 于交汇 杆件最 大应 力 。 的节 点 ，

9、 取 节点 应 新型的空间结构体系， 国内外 尚属首次应用 ， 这种新型 空间结 构 的设 计优 化 复 杂 于常 规 网架 结构 ， 通过 本 文 的研 究得 到了 以下 结论 ： 力设计值为 。 确保节点应力水平低 于其上汇交杆件的应力水平 ， 实现强节点弱构件 。 根据杆件弯矩直线分布的规律 ， 杆端弯矩大， 跨中 弯矩小或为零 ， 可将杆件设计 为两端大 中间小 的变截 （ ） 新型结构体系的几何构成是具体工程 中结构 设计 的重要 优化 内容 。 （ ） 有抗震设 防要求的新型多面体空间刚 架 结构 ， 宜 对不 同部 位 的杆件 选 用 不 同 的控 制 应力水平 ， 墙体杆件 的

10、应力水平宜 比屋盖杆件 低， 以实现 “ 强墙 弱盖 ” 。 （ ） 综合考虑截 面延性 、 施工简便等 因素， 结构 的 杆 件 不 宜 采 用 加 劲 肋 截 面 ， 而 宜 采 用 “ 紧凑型” 截面， 即满足 钢结构设计规 范 （ ） 和 建筑结 构抗震设计规范 （ ） 中对于截 面板件宽厚比的最大 限 值。 （ 下转 第 页） 图 节点种类 维普资讯 应按偏 拉 构件设 计 ， 配 筋予 以加强 。 抗震设计建议 从 以上 的 比较 、 分析 ， 可 以看 到带 现 浇 斜 楼 盖 结 （ ） 现浇斜楼 盖较大的轴向刚度及平面 内剪 切刚 度引起其上下端连接的竖向构件在地震作用下内力

11、有 所增 大 ， 应予 以加 强 ， 特别 是 下端 连接 的框架 柱轴 力急 剧增 大 ， 应对其 轴 压 比 、 配筋、 构 造从 严控制 。 构， 由于现浇斜楼盖与结构层连接 ， 影 响整体结构的动 力特性 ， 改变了地震作用下该结构 内部各结 构构件 的 受力 状态 。建议 工程 抗震设 计 中对此 类结 构 注意 以下 几个 方面 ： （ ） 为确保带现浇斜楼盖结构整体抗震性能 ， 斜楼 盖下端 相 连楼 层 楼盖 宜贯通 。 （ ） 带 现浇 斜 楼 盖 的结 构 计 算 分析 应 选 用 能 正确 （ ） 现浇斜 楼 盖 增 大结 构 两 个 正 交 方 向 抗侧 刚度 反映此类

12、结构在地震作用下工作性能的计算软件。 参 考 文 献 傅学怡 高层建筑结构 中现浇楼梯 对结构抗 侧 刚度 的影 响分析 建筑结构学报 ， ， （ ） 建筑抗震设计规范 的同时 ， 引起了结构 刚度偏 心及结构层刚度沿竖向突 变， 结构布置时应注意加 以调整改善。 （ ） 水 平地震 作用 下 ， 现浇斜 楼盖 连 接 的结 构层 中 各水平构件包括现浇斜楼盖的梁 、 板承受较大的轴力 ， （ 上接第 页） （ ） 圆钢管在双 向弯 曲下的弯曲应力 ， 不应按规范 公 式将 两向 的应力 直 接 相 加 ， 应 采 用平 方 和开 方 来 计 成优化 建筑结 构学报 ， ， （ ） ： 中建

13、总公 司国家游泳 中心设 计联 合体 国家游 泳 中心初 步设计 报告 傅 学怡 ， 顾磊 ，施永芒 ， 邢 民奥运国家游泳中心结 构设 计 简介 土木工程学报 ， ， （ ） ： 陈贤川 ， 赵 阳，顾磊 ， 傅学怡 ， 董石麟 新 型多面体空 间 刚架结 构 的 建模 方法 研 究 浙 江 大学 学报 ， ， （ ） ： 算弯曲应力 。 （ ） 受力较大 区域适 当添加杆件 ， 改变传力路经 ， 合理“ 杂交” ， 可直接有效地降低该区域杆件 的应力水 平。 （ ） 适 当加强周围杆件 的截面也可有效地改善高 应力杆件的受力状态 ， 分散 内力。方便可行 的方法是 将单元设置为“ 铰接” ， 进行迭代计算和截面优化调整。 （ ） 对 于杆 端 承 受 弯 矩 的杆 件 ， 特别 是 在 地 震 区 ， 应采取有效措施实现“ 强节点弱构件” ， 同时宜采取杆 端贴 板加强 等有 效措 施 ， 避免连 接 焊缝 区脆性 破坏 。 参 考 文 献 余卫江 ， 王武斌 ， 顾 磊等 新型 多 面