2008年奥运会体育场结构方案研究

2008年奥运会体育场结构方案研究

1耦合功能的大型体验建筑2008年，北京奥运会的主席职位和中国国家体育中心的“鸟巢”计划在设计比赛中获得了批准（见图1）。它不仅被评估为世界古建筑的创造性重要性，而且被确定为一个重点推荐的实施计划。中国国家体育中心将容纳10万名观众，并预计它将成为世界上最大的一个该国屋顶。开合屋盖结构(RetractableRoofStructure)是一种在很短时间内部分或全部屋顶结构可以开合移动的结构形式,它使建筑物在屋顶开启和关闭两个状态下都可以使用.据统计,从20世纪60年代至今世界上已建成200余座开合结构,主要用于游泳馆、网球场等体育建筑.当今世界规模及跨度最大的开合结构是跨度(直径)222m的日本福冈体育馆.该馆于1993年3月建成,建筑面积72740m2,是1995年在福冈举行的世界大学生运动会的主会场.屋盖由三片网壳组成,最下一片固定,中间及上面两片可沿着圆形轨移动,因此开合方式为回转重叠式,全部开启后可呈125°的扇形开口.国家主体育场的外观如同树枝织成的鸟巢,其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖,其中包含着一个土红色的碗状体育场看台.设计的独创性主要表现在:①外观即结构,国家体育场由功能而产生结构与外观的统一,与过分强调技术而忽视自身存在意义的建筑不同;②人群构成建筑;③区别于通常的进入方式,在强调体育馆领域感的同时,它取消了封闭的实墙,成为一个完全开放的体育场.鸟巢的外轮廓平面为340m×280m椭圆形,开合部分为140m×70m,屋面为双曲抛物面.目前“桁架式钢架”及“开合”部分的结构方案尚在探讨之中.针对这种情况,本着建筑、结构和谐统一的原则,作者在对开合结构计方法和理论分析研究的基础上,提出一些观点并进行了理论计算,供设计单位参考.2组合结构的技术特点2.1水平重叠方面的组合(1)水平移动方式,又可分为非轨道式和轨道式.非轨道式的特点是几何尺寸、变形要求不高,结构部分较好设计,但难以提供水平约束反力,走行机构存在安全隐患.轨道式又分为钢性轨道式和柔性轨道式.开合结构无论是水平移动式还是空间移动式,其轨道通常应在开口的两侧建立,此种活动方式可提供水平约束反力,适合于平面为方形、矩形或近似于矩形的带状场地.(2)重叠方式,又可细分为水平重叠、上下重叠、回转重叠和水平回转移动重叠.重叠方式开合结构的轨道在开口一侧,沿着弧形建立轨道.其上的结构应设置转向架,以保证轮子沿轨道平顺地滚动,适合于平面为圆形、椭圆形或近似椭圆的场地.(3)折叠方式,又可细分为水平折叠、回转折叠和上下折叠.折叠式开合结构适合的场地类型较为灵活.不仅可以是矩形,园形,甚至可以是不规则形状,因为折叠式的开合方式,褶皱大小可以变化,故易组成不同形状,但折叠处不易处理,处理不当会产生裂缝,漏雨,直接影响结构寿命.(4)混合方式,是上述3种开合方式的组合,形式灵活但机构复杂.(5)开合结构选型的原则.开合方式简单、易于实现;结构形式安全可靠、变形小;机械传动简单可靠;电器控制易于实现、可靠度高,控制精确,检修方便;外形美观,使用方便,功能性好;满足各项使用功能及业主要求.2.2移动屋盖驱动方式的选择开合屋盖结构中驱动行走机构均是在吊车机械技术或是在改进的吊车机械驱动技术基础上发展起来的.与之不同的是,移动屋盖并不总是沿着直线运动的,在许多情况下,移动屋盖沿着某一规则(平面或空间)曲线移动,而且行走机构所受的外荷载类型多,作用方式复杂,所以,移动屋盖的驱动和行走机构比普通吊车机械技术要复杂的多.驱动方法可分为轮驱动、钢缆绳牵引、齿条和齿轮及千斤顶驱动方式共4种.统计结果表明,采用轮驱动和钢缆绳牵引方式的建筑占绝大多数.2.3接合屋盖荷载作用行走机构的作用是使移动屋盖沿着规定的方向移动,并把移动屋盖的荷载传递到下部支撑结构上.行走机构的受力是由开合屋盖的受力特点决定的,行走机构受恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载、温度荷载、启动刹车惯性力、行走振动荷载、不均匀沉降等不利荷载组合.除启动刹车惯性力是沿着行走方向外,其余荷载作用一般都与行走方向垂直或成一定的角度.与固定式屋盖相比开合屋盖在技术上有很多特殊的问题必须慎重对待,如在结构形状不断改变的条件下,设计荷载尤其是风荷载以及结构运动产生的冲击效应;屋盖走行部及轨道设计;屋盖运行故障检测及排除措施;屋盖的监控与安全保障系统设置等.在已建成的开合结构中不乏打开合不上、合上开不了的例子,更有一些开合结构因开合功能故障最终不得不改为固定屋盖.说明开合结构确实是一种技术性很强的结构形式,对设计和施工都有很高的要求.3《鸟巢》启动部分结构设计3.1刚性轨道式此工程为我国第一个开合结构,技术不够成熟,综合考虑各方面因素及“鸟巢”开合部分的平面形状,作者认为,采用刚性或柔性轨道移动开合方式(见图2)较为合适.如果采用刚性轨道,对大跨度产生的绝对和相对挠度、变形要求非常严格.如果采用柔性轨道走行机构,即缆索沿索道支座行走带动屋面,对移动缆索的轨道坡度要求较低,一般结构刚度均可满足.无论是刚性轨道式还是柔性轨道式都有一些国外工程可借鉴.这两种方案均采用刚性屋盖.驱动方式可分别采用轮驱动和钢缆绳牵引方式,从驱动机械的繁简程度来看,钢缆绳驱动方式要简单一些.这里仅讨论刚性轨道移动开合方式.3.2刚性轨方案的初步设计(1)轨道梁的变形控制根据鸟巢方案的建筑效果,屋盖开合结构采用刚性轨道水平移动方式.对于刚性轨道,如果跨度100m,若将变形控制在1/10000,也将产生10mm的变形,这是轨道运输不能允许的.为控制变形提高刚度可采用我国自行研制开发的索托结构,用索托结构托住两根长280m的钢结构轨道梁,在轨道梁上架设可开合的两片75m×70m的正交正放平板网架.荷载的传递路线为:外荷载→网架→轮轨(支座)→轨道梁→索→主结构.(2)网架结构验算①模型建立(如图3所示).短边跨度L=70m,网格尺寸a=1/14L=5m,网格数n=14×15,网架高度h=5m,跨高比L/h=14.②材料与荷载.钢材型号Q345,外荷载初步估算为1000N/m2.③结构计算.采用分析程序ANSYS,经过强度、刚度、稳定性验算,算得杆件最大应力为263MPa,最小应力为-244MPa(见图4).这样单片网架重量为105701.7kg,用钢量为20.134kg/m2.(3)设置梁的高度模型建立如图5所示.由3根索托住两根钢轨道梁,为提高梁的刚度和稳定性在梁之间设置3根压杆,索与梁的接触为点—点接触单元.设计中取索的倾斜角角平分线上设关键点,设置梁过此关键点.索固定于主结构外环双曲面最高点,与网架高差15m.材料选钢梁、钢杆为Q345,弹性模量E=2.1×1011Pa,索破断强度为1860MPa,索的弹性模量Es=1.85×1011Pa.梁采用工字钢,根据受力情况,选择梁高1000mm;梁计算高度940mm、腹板厚度20mm;翼缘宽550mm,翼缘厚30mm,截面抵抗矩19710×10-6m3.计算结果,梁的最大弯矩为1.29×107Nm,最小弯矩为-6.9×106Nm(如图6).4主高尔夫球场合作结构采用索托结构方案的难点对主体育场开合部分所做的方案分析和初设计结果表明:(1)开合结构采用刚性轨道方案,网架用钢量仅为20kg/m2,显示出索托结构的优越性.受力最大杆在上下弦中部,受力最小杆为中部腹杆,符合梁板体系的力学规律.(2)从轨道梁弯矩图可以看出,梁中部弯矩最大且内侧受拉.该位置是截面设计的重点.(3)索托结构计算难点是接触非线性理论.3根索中,中间索受力最大,因此该索截面应大于其它两根索,这是由于轨道梁内力分布引起的.(4)计算分析表明,主体育场开合部分采用此种结构方案是可以实现的,而且经济性比较好.索托结构与开合结构结合起来应用是很有前途的,它的深化设计及理论分析还有很多工作要做.对一个开合结构工程的评价是多方面的,应依据具体结构的功能及规模等进行综合评价.整体方案要遵从可行、安全、经济的原则.我国政府将把这界奥运会办成科技奥运,而奥运场馆本身就是在展示国家建筑科