国家体育场钢结构设计优化方案

1、国家体育场钢结构设计优化方案国家体育场(又称“鸟巢”)是2008年北京第29届奥运会的主体育场，承担奥运会开、闭幕式与田径比赛，固定座席可容纳8万人，活动座席可容纳1.1万人。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为297.3米，最高点高度为68.5米，最低点高度为40.1米，总建筑面积约为25.8万平方米。建筑的设计使用年限为100年，项目总投资为31.3亿元，其中建安成本为22.67亿元。瑞士赫尔佐格德梅隆设计公司、中国建筑设计研究院与奥雅纳工程顾问公司组成的设计联合体承担国家体育场设计工作。 一、结构布置 国家体体育场大大跨度屋屋盖支撑撑在24根桁架架柱之上上，柱距距为37.

2、9588米。取取消可开开启屋盖盖后，固固定屋盖盖中间开开洞长度度增至1855.3米，宽宽度增至至1277.5米。由由于国家家体育场场大跨度度钢结构构大量采采用由钢钢板焊接接而成的的箱形构构件，交交叉布置置的主结结构与屋屋面及立立面的次次结构一一起形成成了“鸟巢”的特殊殊建筑造造型。主主场看台台部分采采用钢筋筋混凝土土框架剪力墙墙结构体体系，与与大跨度度钢结构构完全脱脱开。 主桁架架围绕屋屋盖洞口口环梁放放射形布布置，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线构成成的内环环桁架。为为了避免免出现过过于复杂杂的节点点，4榀主桁桁架在内内环附近近截断. 为了减减小构件件制作

3、难难度，降降低加工工成本，尽尽量减小小现场施施工的复复杂性，对对屋盖结结构的几几何构型型进行了了适当的的简化。主主桁架弦弦杆在相相邻腹杆杆之间保保持直线线，代替替空间弯弯扭曲线线构件，避避免出现现过大的的P-效应。由由于主桁桁架大部部分采用用了规则则的箱形形截面，从从而大大大降低了了构件加加工的成成本。 屋顶与与立面次次结构的的主要作作用是为为主结构构提供面面外的侧侧向支撑撑、减小小主结构构构件的的计算长长度，为为屋面膜膜结构、排排水沟、下下弦声学学吊顶、屋屋面排水水系统等等提供支支承条件件，并形形成结构构抗侧力力体系。 在修改改初步设设计中，屋屋面次结结构布置置主要考考虑控制制屋面膜膜结构板

4、板块面积积的大小小，次结结构的数数量明显显少于原原初步设设计。通通过调整整立面次次结构的的疏密程程度，达达到有效效减小外外柱的计计算长度度的目的的。 二、焊焊接薄壁壁箱形构构件 国家体体育场大大跨度结结构主要要采用由由钢板焊焊接而成成的箱形形构件。为为了满足足建筑造造型要求求，构件件的外形形尺寸受受到较大大限制。有有效减少少用钢量量，不但但对节约约工程投投资、控控制造价价有非常常直接的的作用，同同时对于于减小地地震与温温度作用用、增强强结构的的安全性性也具有有十分重重大的意意义。 为了减减小用钢钢量，在在设计焊焊接箱形形截面构构件时尽尽量采用用较小的的壁厚。由由于大截截面薄壁壁箱形构构件截面面

5、的宽厚厚比较大大，在受受压时很很容易发发生局部部失稳，需需要采用用有效宽宽度的概概念，利利用板件件的屈曲曲后强度度。目前前在国内内外的钢钢结构设设计规范范中，均均只考虑虑了箱形形构件在在轴心受受压、受受弯及偏偏心受压压时的有有效宽度度计算方方法，没没有考虑虑拉弯构构件的受受压区板板件可能能出现的的曲屈问问题，对对于薄壁壁箱形构构件存在在很大的的不安全全隐患。目目前钢结结构设计计规范仅仅给出轴轴心受拉拉、轴心心受压、弯弯剪、拉拉弯、压压弯等几几种类型型构的设设计方法法，无法法涵盖在在构件在在复杂空空间结构构中的实实际受力力状态。另另外，我我国现行行钢结构构设计规规范在确确定箱形形构件的的有效宽宽

6、度时，只只是简单单地根据据构件的的拉、压压状态进进行判别别，没有有考虑板板件局部部稳定与与构件整整体稳定定承载力力之间的的关系，有有效截面面宽度取取值偏于于保守。因因此，如如何合理理确定焊焊接薄壁壁箱形构构件受压压板件的的宽厚比比与其他他相应的的实际措措施，是是保证结结构的安安全性、提提高材料料利用率率、有效效减小用用钢量的的关键问问题之一一。 在综合合比较了了国内外外钢结构构设计规规范、冷冷弯薄壁壁型钢设设计规范范和相关关研究文文献的基基础上，提提出了根根据箱形形构件板板件应力力状态确确定焊接接薄壁箱箱形构件件的板件件有效宽宽厚比的的方法与与相应的的构件设设计公式式，分别别考虑拉拉、压、双双

7、弯、双双剪、扭扭作用，并并在非线线性有限限元计算算、构件件试验研研究进行行分析验验证的基基础上，将将研究成成果应用用于国家家体育场场焊接薄薄壁箱形形构件设设计中。 三、杆杆件计算算长度系系数研究究 钢结结构设计计规范对对管桁架架结构的的计算长长度没有有专门的的规定。由由于方管管桁架的的节点刚刚度较大大，对杆杆件变形形的约束束作用明明显，合合理确定定杆件的的计算长长度，可可以取得得一定的的经济效效果。对对于管桁桁架的受受压弦杆杆，面内内计算长长度可以以取构件件的节间间长度。考考虑到受受拉弦杆杆和腹杆杆的抗弯弯及抗扭扭效果，对对管桁架架受压弦弦杆平面面外的位位移形成成约束作作用，而而且受压压弦杆本

8、本身也具具有一定定的抗弯弯和抗扭扭能力，故故对其在在平面外外的计算算长度可可以适当当折减。 桁架腹腹杆面外外的计算算长度与与连接节节点形式式有很大大关系，当当采用管管桁架时时，腹杆杆四周焊焊缝与弦弦杆连为为一体，这这与节点点板连接接时平面面外刚度度很小有有明显区区别。考考虑到杆杆端焊缝缝的约束束作用，腹腹杆的计计算长度度系数可可以折减减。在本本设计中中，腹杆杆在面内内的计算算长度系系数取0.8，面外外的计算算长度系系数则参参照日本本管结构构设计指指针取0.9。 屋面次次结构在在主桁架架形成的的菱形网网格中呈呈不规则则交叉布布置，构构件以受受弯为主主。立面面次结构构在外柱柱之间呈呈不规则则交叉布

9、布置，直直接作用用于立面面次结构构的荷载载较小。在在原初步步设计中中，将主主结构作作为次结结构的支支承点，次次结构面面外计算算长度直直接取用用主结构构支承点点之间的的距离，计计算长度度很大，当当杆件受受压时材材料利用用率很低低。由于于次结构构呈网状状交叉布布置，受受力形态态类似于于单层网网壳结构构。为了了确定次次结构构构件的计计算长度度，直接接采用整整体计算算模型进进行非线线性分析析，计算算时分别别考虑了了竖向荷荷载和水水平地震震作用。 对于屋屋面与立立面的次次结构构构件，由由于次结结构的截截面尺寸寸较大，在在竖向荷荷载与水水平方向向地震作作用下的的构件的的稳定承承载力高高于构件件截面能能够提

10、供供的材料料屈服承承载力，构构件为强强度控制制。根据据非线性性分析结结果，结结合次结结构的特特点，并并参照网网壳结构构技术规规程（JGJJ61-20003），次次结构面面外计算算长度系系数均取取1.6，且顶顶面次结结构面外外计算长长度不超超过其延延长线与与两相邻邻主桁架架交点之之间的距距离。四、杆件计计算长度度系数研研究 钢结结构设计计规范对对管桁架架结构的的计算长长度没有有专门的的规定。由由于方管管桁架的的节点刚刚度较大大，对杆杆件变形形的约束束作用明明显，合合理确定定杆件的的计算长长度，可可以取得得一定的的经济效效果。对对于管桁桁架的受受压弦杆杆，面内内计算长长度可以以取构件件的节间间长度

11、。考考虑到受受拉弦杆杆和腹杆杆的抗弯弯及抗扭扭效果，对对管桁架架受压弦弦杆平面面外的位位移形成成约束作作用，而而且受压压弦杆本本身也具具有一定定的抗弯弯和抗扭扭能力，故故对其在在平面外外的计算算长度可可以适当当折减。 桁架腹腹杆面外外的计算算长度与与连接节节点形式式有很大大关系，当当采用管管桁架时时，腹杆杆四周焊焊缝与弦弦杆连为为一体，这这与节点点板连接接时平面面外刚度度很小有有明显区区别。考考虑到杆杆端焊缝缝的约束束作用，腹腹杆的计计算长度度系数可可以折减减。在本本设计中中，腹杆杆在面内内的计算算长度系系数取0.8，面外外的计算算长度系系数则参参照日本本管结构构设计指指针取0.9。 屋面次次

12、结构在在主桁架架形成的的菱形网网格中呈呈不规则则交叉布布置，构构件以受受弯为主主。立面面次结构构在外柱柱之间呈呈不规则则交叉布布置，直直接作用用于立面面次结构构的荷载载较小。在在原初步步设计中中，将主主结构作作为次结结构的支支承点，次次结构面面外计算算长度直直接取用用主结构构支承点点之间的的距离，计计算长度度很大，当当杆件受受压时材材料利用用率很低低。由于于次结构构呈网状状交叉布布置，受受力形态态类似于于单层网网壳结构构。为了了确定次次结构构构件的计计算长度度，直接接采用整整体计算算模型进进行非线线性分析析，计算算时分别别考虑了了竖向荷荷载和水水平地震震作用。 对于屋屋面与立立面的次次结构构构

13、件，由由于次结结构的截截面尺寸寸较大，在在竖向荷荷载与水水平方向向地震作作用下的的构件的的稳定承承载力高高于构件件截面能能够提供供的材料料屈服承承载力，构构件为强强度控制制。根据据非线性性分析结结果，结结合次结结构的特特点，并并参照网网壳结构构技术规规程（JGJJ61-20003），次次结构面面外计算算长度系系数均取取1.6，且顶顶面次结结构面外外计算长长度不超超过其延延长线与与两相邻邻主桁架架交点之之间的距距离。 五、钢钢结构安安装顺序序研究 安装顺顺序对大大跨度结结构用钢钢量影响响很大。在在安装过过程中，如如果屋顶顶次结构构与主结结构同时时安装，次次结构构构件的内内力将会会明显增增大，导导

14、致次结结构构件件截面壁壁厚增大大，增大大结构总总用钢量量增加；主、次次结构之之间区别别不明显显，地震震作用效效应增大大，难以以按指定定的顺序序出现塑塑性铰，形形成良好好的抗震震体系。另另外，合合理布置置临时支支撑塔架架的位置置与数量量，对主主结构构构件在安安装过程程中可能能出现的的应力状状态有较较大影响响。故此此，对国国家体育育场大跨跨度钢结结构的建建造过程程进行了了详细的的施工模模拟分析析。 国家体体育场屋屋盖钢结结构施工工顺序对对结构构构件在重重力荷载载作用下下的内力力将产生生明显影影响。根根据总工工期的要要求，大大部分看看台混凝凝土结构构先行施施工，屋屋盖钢结结构部分分随后进进行施工工。

15、协调调钢结构构安装与与混凝土土结构施施工的关关系，对对保证混混凝土看看台部分分连续施施工、钢钢结构的的顺利安安装具有有重大的的意义。由由于采用用整体提提升方案案时混凝凝土部分分不能先先期施工工，故在在总体工工期上受受到限制制，滑移移受到场场地的限限制等因因素，故故确定采采用散装装法施工工，在屋屋盖主桁桁架交叉叉点的位位置设立立78个临时时支撑塔塔架。 在设计计中，运运用有限限元法计计算程序序中将“死”单元（不不参与整整体结构构分析的的构件）逐逐次激活活的技术术，进行行钢结构构在整个个施工阶阶段的结结构分析析，模拟拟结构在在整个施施工阶段段过程中中的刚度度和重力力荷载的的变化。在在建立结结构的整

16、整体分析析模型时时，包括括全部结结构的结结点和单单元。将将整个施施工过程程分为若若干个主主要阶段段，进行行第n阶段结结构在重重力荷载载作用下下的受力力分析时时，将在在其后阶阶段安装装的单元元指定为为“死”单元，这这些“死”单元不不具有刚刚度和重重力荷载载作用。在在进行n+1阶段施施工的受受力分析析时，在在该阶段段施工安安装的“死”单元被被激活，恢恢复应有有的刚度度和自重重效应，在在其后阶阶段施工工安装的的单元仍仍然保持持为“死”单元。 六、大大量采用用新型钢钢材 在国家家体育场场结构设设计中，为为了有效效地控制制成本，缩缩短订货货周期，全全部采用用国产钢钢材。对对于厚钢钢板选用用了国产产Q34

17、45GJJ钢材。根根据冶金金行业标标准YB441044-20000生产的Q3445GJJ(Z)高层建建筑结构构用钢板板，板厚厚效应小小，中厚厚板的屈屈服强度度比普通通Q3445明显提提高，对对于501000mm厚板，屈屈服强度度为3255MPaa，强度度仅降低低6，对对于控制制用钢量量起到了了很好的的作用。与与低合合金高强强度结构构钢（GB/T15591-94）中的Q3445相比，其其磷、硫硫含量明明显降低低，钢材材的屈强强比不大大于0.8，纵向向冲击功功有所提提高，完完全能够够满足建建筑抗震震设计规规范对对钢材强强屈比、伸伸长率及及冷弯性性能等相相关性能能要求。由由于Q3445GJJ钢材的的

18、可以有有效减少少结构的的用钢量量，改善善结构的的安全性性，有效效地发挥挥了国产产新型钢钢种的技技术优势势。 在桁架架柱内柱柱受力最最大的部部位，为为了有效效控制构构件的最最大壁厚厚，减小小焊接工工作量，使使连接构构造比较较合理，在在设计中中采用了了高强度度的Q4660钢材。此此时要求求钢材的的抗拉强强度与屈屈服强度度的比值值不应小小于1.2，伸长长率大于于20，-40时的冲冲击韧性性不低于于34J，板厚厚方向截截面收缩缩率不小小于Z35。同时时，严格格控制碳碳当量，经经过严格格的焊接接工艺评评定，使使其具有有良好的的可焊性性。这是是在国内内建筑工工程中首首次采用用Q4660钢材，由由舞阳钢钢厂

19、生产产。 为了使桁架架柱与下下部T合并段段的连接接构造比比较简单单，通过过铸钢节节点将内内柱的菱菱形截面面转换为为矩形截截面。由由于铸钢钢节点位位置处于于结构受受力的关关键部位位，构件件的受到到很大的的轴力与与弯矩，节节点域壁壁厚较大大。铸钢钢节点采采用按德德国DINN-1771822标准生生产的GS-20MMn5VV，化学学成分控控制严格格，铸钢钢材料的的可焊性性好。与与规范中中采用的的铸钢材材料相比比，屈服服强度明明显提高高，经调调质处理理后，当当钢材壁壁厚大于于1000mm时，屈屈服强度度不低于于2800MPaa。另外外，其延延伸率、冲冲击韧性性均得到到大大改改善。七、软件开开发与结结构

20、优化化计算 在国家家体育场场设计过过程中，在ANSYS软件平台上开发了设计与优化功能，以适应复杂大跨度结构设计的需求，计算优化时将构件的应力水平控制作为主要优化目标。在确定控制应力度时考虑了结构安全度、施工偏差与各种不可预见的因素。目标应力度的设定与结构的重要性、杆件受力特点及工程造价直接相关。在确定国家体育场钢结构优化计算的目标应力度时，还考虑了屋面PTFE膜结构侧向不平衡力对主桁架上弦、屋顶次结构侧向弯矩的影响，灯光、音响、雨水槽、大屏幕等集中吊挂荷载引起的局部应力，以及在罕遇地震作用下形成破坏机构时主桁架与次结构需要加强的部位。 通过对对整体结结构在各各种工况况组合下下进行计计算与截截面

21、校核核，可以以得到构构件的计计算应力力比。将将各构件件的计算算应力比比与目标标应力比比限值范范围进行行比较，若若构件计计算应力力比介于于目标应应力比限限值范围围内，则则该构件件截面保保持不变变，否则则需要对对构件进进行截面面调整。调调整构件件截面后后再次进进行整体体计算与与截面校校核，直直至所有有构件计计算应力力度均符符合设计计要求。 国家体体育场钢钢结构屋屋盖的自自振周期期较长，地地震作用用与结构构刚度关关系很大大。因此此，采用用了“先静力力计算优优化、后后动力验验算调整整”的总体体优化思思路。首首先对恒恒荷载、活活荷载、雪雪荷载、风风荷载、温温度作用用等所有有静荷载载工况组组合进行行计算；

22、对构件件截面壁壁厚进行行优化调调整，使使构件截截面满足足设计要要求；对对整体结结构进行行动力计计算，进进行截面面校核，调调整构件件壁厚；重新进进行静力力荷载工工况分析析，使全全部构件件均满足足静荷载载工况与与地震作作用工况况要求。由由于国家家体育场场整体结结构1800旋转对对称，优优化时同同时调整整对称杆杆件的壁壁厚。采采用上述述优化技技巧后，通通过910轮计算算可得到到满意的的结果。 八、预预应力技技术应用用研究 为了使使国家体体育场大大跨度钢钢结构在在设计中中做到技技术先进进、经济济合理，我我们会同同国内有有关专家家共同对对预应力力技术在在国家体体育场钢钢结构中中应用的的可行性性与合理理性

23、进行行了深入入的研究究，从预预应力方方案选择择、计算算分析、用用钢量指指标、预预应力索索与锚具具材料的的可靠性性、节点点构造、构构件加工工制作、预预应力索索敷设与与张拉、建建筑效果果、工期期、造价价等方面面，对采采用预应应力技术术的合理理性进行行论证。 在设计计过程中中分别考考虑了3种整体体布索和和3种局部部布索方方案。采采用通用用大型有有限元分分析软件件Anssys。当设设置采用用预应力力索后，主主桁架下下弦构件件的拉力力降低幅幅度较大大，主桁桁架上弦弦的压力力也有所所增大，上上、下弦弦构件内内力增长长幅值大大致相同同。施加加预应力力前后，主主桁架腹腹杆的内内力变化化不大，主主桁架的的挠度减

24、减小。采采用预应应力索后后，结构构的总用用钢量比比未采用用预应力力索时略略有增加加。其主主要原因因如下： (1)在本工工程中，适适于布置置预应力力索的主主桁架的的数量较较少，可可以有效效施加预预应力的的仅有8榀，所所占比例例较小，预预应力的的效果比比一般的的预应力力钢结构构小。(2)由于建建筑外观观的要求求，预应应力索的的位置不不能超出出主桁架架弦杆高高度的范范围，预预应力索索曲线的的矢高较较小，使使预应力力的效率率大大降降低。(3)为了保保证构件件具有一一定的延延性，主主桁架弦弦杆箱形形构件的的壁厚不不宜小于于20mmm，很多多下弦构构件采用用最小壁壁厚。设设置预应应力索后后，虽然然下弦的的内力有有较大幅幅的降低低，但其其截面尺尺寸很难难再进一一步减小小。同时时，施加加预应力力将使主主桁架跨跨中上弦弦杆压力力值增大大。因此此，很难难在减小小用钢量量方面取取得预期期的效果果。 布置预预应力索索的主桁桁架结构构刚度较较大，内内力也相相应增大大，而其其它未布布置预应应力索的的主桁架架的内力力将有所所下降。通通过对构构件截面面优化调调整，这这一趋势势会更加加明显，在在桁架之之间形成成主次关关系，内内力向部部分布置置了预应应力索的的桁架转转移，锚锚具的可可靠性对对结构的的安全性性至关重重要。由由于锚