国家体育场中心地仓舞台分开结构优化设计

国家体育场中心地仓舞台分开结构优化设计

1开合式地仓舞台结构国家体育中心位于北京奥林匹克公园中心区南部。鸟巢是2008年第29届奥运会的主要体育中心。工程总占地面积21万m2,建筑面积258000m2。鸟巢地仓位于体育场中部,中心为直径20m、可闭合升降(液压升降机)的舞台,北京奥运会开幕式中的“地球”就藏在场馆中央升降机下的地仓中,中心舞台结构整体如图1所示。鸟巢中心舞台地仓深为18.1m,中央坑底标高为-18.1m,平台标高为-5.1m,地仓口平面尺寸为36.0m×30.0m,舞台结构采用垂直升降系统,其顶端的盖板可以闭合。表演时,升降机升起或下降,形成地球的形态效果;闭合时,钢结构舞台藏于地仓内部,上部铺上草坪后满足体育场地的使用要求,结构剖面图见图2。鸟巢中心舞台设计时仅考虑了奥运开幕式的使用,而奥运会结束后,体育场馆在运营时,由于地仓顶盖不能快速开合,该舞台只能处于闭合状态,下方地仓也仅作为原舞台的堆放区,不能充分利用体育场馆的下方空间来实现多重绚烂的舞台效果,限制了国家体育场的使用。新的开合式地仓舞台结构设计,采取主桁架行走系统和开合板行走系统独立运行的模式,该系统不仅能上下升降,还可以水平开合。桁架可以在固定的轨道上水平移动,地仓打开时,主桁架“停靠”在地仓东西两侧;闭合时,主桁架“行走”至指定位置,然后藏在地仓内的南北两侧升起,转向后水平移动到主桁架上的轨道梁上,形成封闭结构;为了降低主结构高度,在主桁架中间设置2根可伸缩的千斤顶立柱,以减小桁架跨度,降低结构自重,开合式地仓结构如图3所示。新的地仓结构,能实现快速开启和闭合,转场时间大为缩短,另外将主要结构藏在地仓四周,可在中间区域形成一个完整的、可利用的地下空间,满足各类商业演出及展示的需求,最大限度地实现更绚烂的舞台效果。2优化结构设计鸟巢地仓舞台结构优化分为两个层次:结构方案选型优化及结构单元构件优化。2.1结构设计优化设计流程结构方案选型优化的约束条件为:1)钢结构几何尺寸及空间位置需满足动力系统布置设备要求;2)钢结构构件重量不超过驱动设备行程要求;3)钢结构总重不超过堆载区域承载力要求。鸟巢地仓舞台结构优化设计需着重考虑其安全性、可靠性及使用功能。本工程优化问题的关键及难点是设计还要考虑动力设备的能力需求。因此,在优化设计中,需针对结构类型利用相应的数学和力学方法,对所有的设计方案进行必要的分析比较,选出最合适的设计方案,以满足预期的目标。理论上,对结构设计优化方法进行相关的分析便可知结构总体的优化设计,这也是结构设计优化方法在实际应用中的具体表现。本工程结构总体的优化设计主要是对结构的行走方式、约束支撑方式、主梁结构、开合板结构以及结构细部等的设计方案进行相应的优化设计。在设计过程中还必须考虑到相应的布置、选型、造价以及受力等方面的问题,再根据工程的实际情况,考虑其经济性,最终对方案和结构进行相应的优化设计。本工程优化设计流程如图4所示。方案优化采用的手段为方案比选及整体计算分析。针对鸟巢地仓舞台的结构,其优化过程为单侧开合方式,开合结构由整体堆载区域的30m长钢梁组成,计算表明,钢梁高度超过3.2m时,钢梁重超过电机驱动行程,减小每个单元的尺寸和重量进一步优化,经过8种优化方案的比选,最终采用双向开合结构,结构优化过程如图5所示。2.2优化结果分析选定优化方案后,需要再对结构的单元构件进行优化,针对每种结构优化设计多个变量、多个约束条件,这属于非线性优化问题。设定计算方案时,常将有约束条件转变为无约束条件来计算,常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。计算方案设定后,只需编制相应的运算程序即可得到最终优化结果。该工程的约束条件为:1)钢结构及其连接部位应能承受最大额定载荷和相应的动载荷作用;2)构件变形满足规范及设备运行要求;3)钢结构件所用材料应符合有关标准;4)钢结构焊缝须符合有关规定,主要焊缝应进行无损探伤检查。通过方案和单元构件的双重优化,鸟巢舞台结构最终采用双开合结构,主结构由6榀跨度为26.6m的主桁架构成,桁架高1450mm,开合板由90块6.4m的双变截面梁组成,开合板高度400mm,四周轨道梁截面为HN400×200×8×13,立柱截面为HW250×250×9×14,主结构钢材为Q345B,立柱与基坑混凝土拉结,限制其侧向位移,结构整体如图6所示。2.3让计算结果实现优化设计主行走桁架由两榀桁架组成,主桁架控制高度为1450mm,上下弦杆截面均为HW250×250×9×14,腹杆截面为HM200×150×6×9,两榀桁架连接截面为HN200×100×5.5/8,间距为550mm,钢材均采用Q345B,主桁架结构如图7所示。为了配合动力行走系统,桁架端部降低至550mm,并对端部节点进行了加强,桁架端部节点如图8所示;在桁架腹杆的两侧,采用对拉方式设置钢结构牛腿,牛腿上搁置开合板行走用的轨道梁,节点如图9所示。根据主行走桁架、受力及偶然失效等实际情况,对4种控制工况进行了分析计算,分别为无支撑自由行走状态、正常使用状态、一个支撑失效状态、有叉车行走状态,计算荷载由实际使用状态和规范中的要求来确定。针对以上4种工况,采用应力、变形、结构总重三重控制,对结构进行了优化设计分析。优化分析计算结果表明,在一个支撑失效情况下,主桁架应力比为0.9,主桁架变形为1/400,在其他工况下,结构最大应力比为0.6,主桁架变形为1/1800,结构应力满足承载力要求,结构变形满足使用要求,结构总重也在行走系统驱动所要求的范围内。主桁架结构各工况计算模型及变形如图10所示。2.4钢梁上翼缘活动透平板连接开合板钢结构由2根变截面空腹钢梁组成,钢梁间距为1290mm,钢梁截面HN(184~400)×200×8×13,降低加强端部位置,钢材为Q345B;钢梁上翼缘采用18号槽钢梁连接,下翼缘采10号槽钢梁连接,槽钢上铺设花纹钢板,钢材材质为Q235B。开合板结构如图11所示,开合板连接节点和端部节点如图12,13所示。开合板控制荷载为叉车行走时的局部荷载,其值为30kN/m2;为了降低板的自重,在空腹梁上开洞,并采用实体有限元分析(ALGOR),计算开合板的最大应力为146MPa,结构跨中的变形位移为8mm,小于平台钢结构要求的限值(1/400),如图14,15所示。2.5综合分析以及其他构件设计鸟巢地仓舞台结构系统设计包括对结构整体进行抗震分析、舒适度分析以及其他构件的设计,如钢桁架轨道梁、开合板轨道梁、轨道下立柱及局部加固等。该部分按现行钢结构规范及加固规范进行构件和节点的设计。3机械试验系统的设计3.1电力驱动装置采用自行走电机驱动车轮转动,使主桁架沿着轨道在水平方向运行,这个任务由机构的驱动装置来完成,该装置由电动机、制动器、限位装置和车轮组件等组成;电力驱动装置由电源、控制设备、驱动器、电动机及工作机构5个部分组成;控制设备主要是PLC、工控机等。3.2打开打开板的行走系统该系统使开合板沿着铺设在主梁上的轨道运行,该系统的驱动装置由电动机、制动器、限位装置和车轮等组成。3.3转移堆场转移到堆点采用与主桁架对接的轨道,升降机构可使开合板从水平主桁架转移到堆放区域。机构的驱动装置是液压装置,该驱动装置由电源、控制设备、液压装置和工作机构4个部分组成,通过将电机驱动液压油的压力能转换成机械能,实现升降机构的动作。3.4支撑系统的液压库液压支撑系统的作用主要是减小主桁架跨度、降低钢梁高度,其下面布置的液压柱,在地仓开