国家体育场大跨度钢结构设计与研究.pdf

第 2 8 卷第 2期 2 0 0 7年 4 月 建筑结构学报 J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s V 0 l _ 2 8 ． N o ． 2 Ap r i l 2 0 O 7 文章编号 1 0 0 0 - 6 8 6 9 2 0 0 7 0 2 - 0 0 0 1 1 6 国家体育场大跨度钢结构设计与研究 范 重， 刘先明，范学伟，胡纯炀， 胡天兵， 吴学敏，郁银泉 中国建筑设计研究院 ， 北京 1 o o o 4 4 摘要 在国家体育场设计中， 利用 C A T I A空间建模软件建立了国家体育场大跨度钢结构精确的三维空间几何模型与计算 模型。为了使结构受力合理、 减小构件加工制作难度与施工的复杂性 ， 主桁架弦杆在相邻腹杆之间采用直线代替空间曲 线构件， 桁架柱腹杆尺寸与菱形内柱同宽。对于屋盖肩部的空间扭曲构件， 在整体计算模型中用分段折线代替理想 曲 线 ， 并对每段构件截面的主轴方向进行偏转。屋顶与立面次结构可以有效减小主结构弦杆面外的计算长度， 提供 E T F E 膜结构 、 下弦声学吊顶与屋面排水系统的支承条件 ， 并形成结构的抗侧力体系。在设计中运用将 “ 死”单元逐次激活的 技术， 对钢结构在整个施工过程刚度和荷载的变化情况进行模拟。根据风洞试验确定风压分布， 提出下风振系数的计算 方法 ， 确定大跨度结构的风振下压效应。采用新型国产高强钢材， 并根据构件的重要性确定钢材的技术性能要求。在综 合考虑工程的重要性、 结构受力特点 、 施工偏差以及工程造价等多种因素的基础上确定构件应力比限值， 进行构件优化 计算。对恒荷载、 活荷载、 风荷载、 温度作用、 小震与中震及相应的工况组合进行计算 ， 并对材料利用率与结构用钢量进 行了分析统计。 关键词 计算模型；结构体系； 风致响应 ； 温度作用；高强钢材； 薄壁箱形构件 ； 优化； 控制应力比； 用钢量 中图分类号 T U 3 9 3 ． 3 T U 3 1 8 文献标识 码 A De s i g n a n d r e s e a r c h o f l a r g e s p a n s t e e l s t r u c t u r e f o r t h e Na t i o n a l S t a d i u m F AN Z h o n g ，L I U X i a n mi n g ，F AN X u e w e i ，HU C h u n y a n g ，H U T i a n b i n g ，WU Xu e mi n ，YU Yi n q u a n C h i n a A r c h i t e c t u re D e s i g n a n d R e s e a r c h G r o u p ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e d e s i gn o f t h e Na ti o n a l S t a d i u m ，the p rec i s e 3 D g e o me t ric a l mo d e l an d c alc u l a t i o n mod e l f o r l a r g e s p an s t e e l s t r u c t u r e w a s e s t a b l i s h e d b y u s e o f C A T I A d i me n s i o n al mode l i n g s o f t wa r e ．I n o r d e r t o r a ti o n ali z e l o a d i n g o f the s t ruc t u r e ， red u c e the d i ffic u l t y i n f abri c a t i o n o f the me mb e r s and c o mp l e x i t y i n c o n s t ruc t i o n ，s t r a i g h t l i n e me mb e r s a r e a d o p t e d i n p ri ma r y t rus s c h o rds t o rep l a c e s p a tial c ur v e me mb e rs b e tw e e n n e i g h b o r i n g d i a g o n als ．T h e d i ago n als o f the t r u s s e d c o l u mn a l e as wi d e as the d i a mo n d i n n e r c o l u mn．As for the d i me n s i o n al t wi s t e d me mb e rs a t the s h o u l d e r o f the r o o f s y s t e m，s e c t i o n ali z e d b r e a k l i n e s rep l a c e i d e al c u r v e ， an d the ma i n a x i s o f the s e c t i o n o f e a c h me mb e r i s d e f l e c t e d． Ro o f t o p an d f a c a d e s e c o n d a r y s t r u c t u r e c a n e ff e c t i v e l y r e d u c e the o u t - o f - p l an e c alc u l a t e d l e n g t h o f the pr i ma r y c h o rds ， a n d p rov i d e s u p p o r t c o n d i ti o n s for E T F E c l a d d i n g s t ruc t u re，a c o u s ti c c e i l i n g a t the b o t t o m c h o rd and r o o f d r a i n a g e s y s t e m，for m i n g the l a t e r al for c e res i s ti n g s y s t e m for the s t r u c tur e ．Th e t e c h n i q u e t o rea c t i v a t e the“ d e a d ”e l e me n t s t e p b y s t e p i s e mp l o y e d i n the d e s i gn S O as t o s i mu l a t e the c h an g e s i n s t i ffn e s s an d l o a d o f the s t e e l s t r u c t u r e i n the c o n s t r u c t i o n p roc e s s ．W i n d p res s u re d i s t r i b u t i o n i s i d e n t i fie d b ase d o n the res ult o f wi n d t u n n e l t e s t ， an d the c alc u l a ti o n me thod for wi n d - i n d u c e d o s c i l l a t i o n c o e f fi c i e n t i s p ropo s e d t o d e t e r mi n e the c o mp r e s s i o n e ff e c t o fwi n d i n d u c e d o s c i l l a t i o n i n l a r g e- s p an s t ru c t ure．A n e w t y p e of d o me s ti c 。 ma d e h j gh- s n -e n g t } l s t e e l i s e m p l o y e d ， and th e t e c h n i c al p e r f o r m a n c e req u i r e m e n t s a re d e t e r m i n e d a c c o rdi n g t o the i m p o rt anc e o f the me mb e rs．Li mi t o f s t res s rat i o o fthe me mb e rs i S d e t e r m i n e d a n d me mb e r o p ti mi z a t i o n c alc u l a ti o n i s ma d e b y t a ki n g i n t o f ull 基金项 目 国家科技攻关计划课题 2 0 0 4 B A 9 0 4 肋1 ， 北京市科技计划课题 H 0 5 0 6 3 0 2 1 a r 7 2 0 。 作者简介 范重 1 9 5 9 一 ， 男， 北京市人， 工学博士， 教授级高级工程师。 收稿 日期 2 0 0 6 年 1 1 月 维普资讯 c o n s i d e r a t i o n v a r i o u s f a c t o r s s u c h a s t h e i m p o r t a n c e o f t h e p r o j e c t ，t h e l o a d i n g f e a t u r e o f t h e s t r u c t u r e ， and c o n s t r u c t i o n e lT o r and p r o j e c t c o s t ． D e a d l o a d ， l i v e l o a d ， w i n d l o a d ， t e m p e rat u r e e f f e c t ， m i n o r e a r t h q u a k e ，i n t e r m e d i a t e e a r t h quake and r e l a t e d l o a d c o mb i n a t i o n s a l e c a l c u l a t e d， me an wh i l e the u t i l i z a t i o n rat i o of t h e ma t e r i als an d s t e e l t o n n a g e o f the s t m c t um a r e s u r v e y e d． Ke y wo r d sc alc ula t i o n mo d e l ；s t r u c t u r e s y s t e m ；wi n d -- i n d u c e d r e s p o ns e；t e mp e rat u r e e ffe c t ；h i g h -- s t r e n g t h s t e e l ；t h i n -- wall e d b o x me mb e r so p t i mi z a t i o n；c o n t r o l s t r e s s rat i o；s t e e l t o nn ag e 1 工程概况 国家体育场位于北京市成府路南侧 ， 奥林 匹克公 园中心区内， 是 2 0 0 8 年北京第 2 9 届奥运会的主体育 场， 承担奥运会开、 闭幕式与田径比赛。国家体育场建 筑顶面呈鞍形 ， 长轴方 向最大尺寸为 3 3 2 ． 3 m， 短轴方 向最大尺寸为 2 9 6 ． 4 m， 最高点高度为 6 8 ． 5 m ， 最低点高 度为 4 0 ． 1 m， 固定座席可容纳 8 万人 ， 活动座席可容纳 1 ． 1 万人 ， 总建筑 面积约为 2 5 8 0 0 0 m 2 。建 筑的设计使 用年限为 1 0 0年 ， 抗震设防烈度 8 度 ， 抗震设 防分类乙 类 ， 其“ 鸟巢” 结构将成为北京市的重要标志性建筑。 国家体育场大跨度屋盖支撑在 2 4根桁架柱之上 ， 柱距为 3 7 ． 9 5 8 m。屋 盖中间开洞长度 为 1 8 5 ． 3 m， 宽度 为 1 2 7 ． 5 m。国家体育场大跨 度钢结构大量采用 由钢 板焊接而成的箱形构件 ， 交叉布置的主结构与屋面及 立面的次结构一起形成了“ 鸟巢” 的特殊建筑造型。主 场看台部分采用钢筋混凝土框架． 剪力墙结构体 系， 与 大跨度钢结构完全脱开。国家体育场“ 鸟巢” 钢结构如 图 1 所示 。 国家体育场钢结构于 2 0 0 5年 9月开始安装桁架 柱柱脚 ， 2 0 0 5年 1 0月开始安装桁架柱 ， 2 0 0 5年 1月开 始安装立面次结构 ， 2 0 0 6年 2月开始安装主桁 架与立 面大楼梯， 2 0 0 6 年 8 月底完成了主体钢结构合拢， 2 0 0 6 年 9月 1 7日成功地完 成主体钢结构卸载 ， 2 0 0 6年 1 1 月底钢结构安装工作全部结束 。 国家体育场钢结构是 目前世界上跨度最大的体育 建筑之一 ， 造型非常独特， 构件尺寸巨大， 存在大量空 间扭曲构件 ， 很多方面均超过现有技术规范的涵盖范 围， 其设计、 加工制作及安装的难度前所未有， 具有极 大的挑战性 。在设计 中大量采用新技术 、 新材料、 新工 艺 ， 进行 了许多研究工作与技术创新 ， 填补了多项 国内 空 白， 很多成果达到 国际先进水平。在 国家体 育场设 计过程中主要取得 了以下成果 2 a “ 鸟巢 ” 结构夜景 b 主结构布置 图 1 国家体育场钢结构 F i g ． 1 S t e e l s t r u c t u r e o f t h e N a t i o n a l S t a d i u m 1 首次在我国建筑工程中采用三维建模软件 C A T I A解决复杂空间结构的建模问题⋯ 1 ； 2 采用国产优质 高强 、 高性能超厚钢板 ， 对于改 善结构的安全性与施工性能、 控制用钢量起到重要作 用[ ] ； 3 首次提出下风振系数的计算方法 ， 解决大跨度 结构下压风致响应问题【 3 ； 4 提出大跨度结构温度场计算方法， 合理确定合 拢温度与最大正、 负温差【 ； 5 在 A N S Y S软件平台上开发设计与优化功能 ， 用于大跨度结构的优化设计[ ； 6 提出根据焊接薄壁箱形构件 中板件 的应力状 维普资讯 态确定有效宽度的方法， 并给出薄壁箱形构件在拉、 压、 双弯、 双剪、 扭等各种受力状态的设计公式【6 -8 ； 7 提出空间扭曲薄壁箱形构件的计算与设计方 法[ 9 - 1 3 ] ； 8 提出空间扭 曲箱形构件 的空间坐标 表示 法[ ] ； 9 提出主桁架单 K节点 与双弦杆 K K节点 的设 计方法[ 舶] ； 1 0 提出桁架柱内柱节点与外柱节点的设计方 法[ 1 9 - 2 2 1 ； 1 1 提出桁架柱柱脚的成套设计方法[ 2 3 - 24 ] 。 上述成果均已应用于国家体育场大跨度钢结构设 计中， 对于保障结构的安全性、 有效控制经济技术指标 具有重大的实际意义， 对于复杂大跨度结构设计与分 析具有重大的指导意义与推广应用价值。 本文仅对设计中采用的计算模型与主要控制参 数、 各种荷载与作用及其组合、 构件截面验算、 应力比 控制与优化、 主要计算结果与用钢量分析统计等内容 进行简要介绍 ， 有关结构 的罕遇地震作用分析 j 、 钢 结构施工模拟分析[ 2 6 ] 以及空间扭曲构件、 复杂节点设 计与试验研究等 内容将在本专辑其他的文章 中予以介 绍。 2 计算模型 在国家体育场钢结构设计中， 利用 C A T I A空间造 型软件建立了精确的三维空间计算模型， 模型包括了 主结构 、 次结构和楼梯构件等全部结构构件 ， 主要采用 A N S Y S和 S A F 2 0 0 0软件进行结构的静 、 动力分析 、 截面 验算与优化设计 。 2 ． 1 主结构 1 主桁架 主桁架围绕屋盖中部的洞 口 放射形布置， 有 2 2 榀 主桁架直通或接近直通 ， 并在中部形成 由分段直线构 成的内环桁架 。为 了避免节点过于复杂 ， 4榀主桁架 在内环附近截断。国家体育场屋盖结构平面布置如图 2所示。上 弦杆截 面尺寸为口1 0 0 01 0 0 0一口1 2 0 0 X 1 2 0 0 ， 下弦杆截面尺寸为口8 0 08 0 0一口1 2 0 01 2 0 0 ， 腹杆截面尺寸主要为口6 0 0 6 0 0一口7 5 0 7 5 0 。 为了减小构件加工制作难度， 降低施工的复杂性， 对主桁架的几何构型进行 了适 当的简化 。 主桁架弦杆 a 上弦平 面 b 下 弦平 面 图2 国家体育场屋盖结构平面布置图 F i g ． 2 P l a n l a y o u t f o r r o o f s t r u c t u r e o f t h e Na ti o n a l S t a d i u m 在相邻腹杆之间保持直线， 代替空间曲线构件， 同时有 效地避免 p - A效应。 由于主桁架 主要采用 规则 的箱 形截面， 从而大大降低构件加工的成本。为了减小主 桁架受压下弦的面外长度 ， 在 主桁架第 1节间中间三 分之一的范围内布置水平支撑。主桁架立面展开图如 图 3所示 。 主桁架上、 下 弦的节点尽量对齐 ， 腹杆夹角一般控 制在 6 0 。 左右， 网格大小比较均匀， 使其具有较好的规 律性 。将临时支撑塔架设置在主桁架交点 的位置 ， 将 下弦腹杆设置为双 K形式 ， 减小钢结构安装过程 中的 局部弯曲应力。当主桁架上弦节点与顶面次结构距离 很近时 ， 将腹杆的位置调整至次结构的位置。 3 维普资讯 b r 4 B ． T 2 1 A 图 3 主桁架立面展开图 F i g ． 3 E x p a n d e d v i e w o f f a c a d e o f p r i ma r y t r u s s 2 桁架柱 国家体育场钢结构的 2 4根桁架柱均由一根垂直 的菱形内柱和两根向外倾斜的外柱以及内柱与外柱之 间的腹杆组成 ， 如同垂直放置的变高度三角形管桁架 ， 在桁架柱的顶部外柱连续弯扭逐渐成为主桁架的上 弦 ； 在外柱之间的次结构对两侧桁架形成侧向约束 ； 桁 架柱上端与主桁架连接 ， 各桁架柱通过与主桁架、 立面 次结构、 顶面次结构、 立面大楼梯连接形成整体大跨度 空间结构体系。菱形内柱的对角线尺寸从轴 的 1 3 5 3 2 5 9 9变化到轴的 1 5 5 21 8 9 2 。桁架柱两根外 柱的夹角在 5 4 ． 9 8 7 。 7 8 ． 7 4 8 。 之间变化 ， 外柱截面尺寸 均为近似 1 2 0 01 2 0 0的箱形截面。典型的桁架柱构 件布置如图 4 所示。腹杆尺寸均为 1 2 0 01 0 0 0的箱形 截面， 与 内柱同宽 ， 增加传力 的直接性 。桁架柱腹杆尽 量连接于外柱与立面次结构 的交点的位 置。内、 外柱 节间长度尽量均匀 ， 避免腹杆之间的夹角过大或过小 。 3 外柱顶部空间扭 曲构件 在计算模型中既要充分反映构件几何构型引起的 附加结构效应 ， 同时又要有效地控制单元的数量 ， 节约 计算分析资源。对于位于屋盖肩部 的空 间扭 曲构件 ， 用分段折线代替理想曲线， 分段曲线的矢高一般不大 于 2 0 m m， 直线化 后单元长度控制在 2 m左右。此外 ， 对每段构件截面的主轴方向进行偏转， 尽量精确牛拟 扭 曲构件的实际空间形态。 4 柱底合并段 由于桁架柱底部 内柱与外柱 之间 的距离 已经 很 近， 但柱底的弯矩和轴力很大， 继续采用分离形式对受 4 图4 桁架柱立面布置 F i g ． 4 E l e v a t i o n l a y o u t o f t r u s s e d c o l u mn 力与柱脚构造已不合适， 故此， 在柱底部标高 1 ． 5 m处 将三根柱合并为一个 T形构件 。为了在计算模型中反 映上 述 情 况， 在 A N S Y S中采 用 “ mgi d R e g i o n ” 及 在 S A Y 2 0 0 0中采用“ B o d y C o n s t r a i n t ” 功能将 三根柱在标 高 1 ． 5 m以下合并为一个 T 形截面梁单元。 柱底 桩承 台 的顶 面 标 高 分 别 为 一0 ． 5 m 与 一 3 ． 2 5 m 。 由于基础底板 刚度大、 群桩效 应、 桩侧土 的 约束作用等因素， 桩基础的抗倾覆刚度很大 ， 柱脚接近 于理想嵌固状态。因此在整体计算模型中， 假定柱底 为固定边界条件 。 2 ． 2 顶面与立面次结构 屋顶与立面次结构的主要作用是增强主结构侧向 刚度、 减小主结构构件 的面外计 算长度 ， 为屋 面膜结 构 、 排水天沟 、 下弦声学 吊顶 、 屋面排水系统等提供支 承条件， 形成结构的抗侧力体系。 屋面次结构布置主要考虑控制屋面膜结构板块面 积的大小 ， 通过调整立面次结构 的疏密程度 ， 达到有效 减小外柱计算长度的目的。在标高 6 ． 8 m以下机房与 商业用房的位置， 需要截断某些立面次结构构件。在 设计中严格控制截断次结构 的数量 ， 同时使保 留的立 面次结构布置均匀、 对称。考虑到杆件的实际宽度， 当 节点距离小于 1 ． 2 m时， 对整体计算模型中的节点进 行合并处理。 2 ． 3 立面楼梯 国家体育场在建筑立面次结构的内侧设有 1 2 组 维普资讯 大楼梯 ， 每组楼梯均 由内楼梯与外楼梯构成 ， 是观众从 基座进出较高层看台的通道， 主要用于人员疏散 ， 是建 筑立面的重要特征之一。外楼梯沿着立面次结构盘旋 而上， 内、 外楼梯交叉布置， 支撑条件非常复杂。立面 大楼梯主要由楼梯柱、 楼梯梁、 联系构件、 休息平台板 和折叠踏步板等组成。立面大楼梯采用梁式结构， 楼 梯 梁 截面 主要 为 口1 2 0 04 2 01 61 8 ， 高度 为 1 2 0 0 m m， 与立面次结构 截面尺寸相 同， 楼梯 柱截面尺 寸为口1 2 0 01 2 0 02 02 0 。每组楼梯位于相邻 的 3 个桁架柱之间。外楼梯 的外侧楼梯 梁 由立 面构件支 承 ， 内侧楼梯梁支承于内柱 、 楼梯柱、 组合柱腹杆之上。 内楼梯的支承相对较少 ， 内侧楼梯梁由内柱、 楼梯柱支 承 ， 外侧楼梯梁 由内柱、 楼梯柱伸 出的悬臂构件支承。 为了与立面次结构协调一致 ， 大部分楼梯柱继续延伸 至主桁架上弦或顶面次结构。 国家体育场屋盖结构的整体计算模型、 整体计算 模型中的主结构 、 次结构 、 楼梯与楼梯柱分别如图 5 所 示 a 主结构 2 ． 4 施工模拟 国家体育场屋盖钢结构安装采用高空散装法进行 施工 ， 屋盖结构共设置了 7 8个临时支撑塔架。对于国 家体育场屋盖钢结构， 施工顺序对结构构件在重力荷 载作用下的内力将产生明显影响。计算分析表明， 安 装顺序对大跨度结构构件的内力、 变形有明显的影响。 在设计中运用有限元法计算程序中将 “ 死”单元 不 参与整体结构分析的构件 逐次激活的技术 ， 对钢结构 在整个施工过程分析 ， 模拟结构在整个施工过程 中刚 度和荷载的变化情况 。在结构总体分析模 型中分为 4 个控制性施工阶段 第 1 阶段 2 4根桁架柱 、 立 面次 结构、 主桁架 、 立 面楼梯吊装完毕 ， 主桁架上弦在临时支撑塔架上方的 施工分段处断开 ， 形成分段简支的十字交叉桁架。 第 2阶段 主结构形成 ， 临时支撑塔架卸载。 第 3阶段 顶面次结构与转角 区立面次结构 、 楼梯 柱的上半部分安装完毕 。 第 4 阶段 膜结构、 马道、 音响设备、 灯具、 排水管 及各种管线全部安装完毕 。 b 次结构 c 楼梯与楼梯柱 d 整体模型 图5 国家体育场屋盖结构的整体计算模型 F i g ． 5 Gl o b a l c a l c u l a t i o n mo d e l f o r r o o f s t r u c t u r e o f t h e Na t i o n a l S t a d i u m 5 维普资讯 3 荷载与作用 3 ． 1 设计使用年限与安全等级 按照设计任务 书的要求和相关建筑设计规范 ， 国 家体育场结构耐久性设计年限为 1 0 0年 ， 设计基 准期 为 5 0年 ， 建筑结构 的安全等级为一级 ， 结构重要性 系 数为 1 ． 1 ； 抗震设防分类为乙类， 抗震设防烈度为8 度； 场地类别为 I I 类 I I I 类之间， 设计地震分组为第一 组 。 3 ． 2 恒荷载与活荷载 屋盖恒荷载和活荷载标准值如表 1 所示。在计算 模型中， 通过调整不同类型构件的折算容重方式， 考虑 构件加劲肋、 节点构造 以及焊缝重量对钢结构 自重 的 影响。此外 ， 屋顶维修活荷载和屋面积水荷载与雪荷 载不同时发生 。 表 1 屋盖恒 荷载 和活荷载标准值 Ta b l e 1 S t a n d a r d v a l u e o f d e a d l o a d a n d l i v e l o a d o f t h e r o o f s y s t e m 3 ． 3 风荷载 1 风洞试验与风压分布 北京地区 1 0 0 年重现期的基本风压为 0 ． 5 0 k N ／ m 2 ， 场地地面粗糙度类别 为 B类 。国家体育场 的风洞试 验在英国伦敦的 B M T公司进行， 模型比例为 1 3 0 0 ， 采 用刚性模 型， 考虑距离场地 中心 4 5 0 m半径 范 围内建 筑物的影响。 为了便于研究屋盖结构的风荷载体型系数与风振 系数， 根据国家体育场大跨度钢结构的特点， 将屋盖结 构分为7 4 个板块， 如图6 所示。 屋盖试验模型在 2 5 0 。 风向角与 3 5 0 。 风向角时 的平 均风压分布情况 如图 7所示。风洞试验结果表 明， 绝 大多数板块的风压为负值， 说明屋盖结构在风荷载作 用下 ， 以上吸效应 为主， 仅个别板块存 在下 压风 的情 6 况 ， 但下压风系数与上吸风压系数相 比较小。 9 旷 0。 1 8 0 。 o 俞 图6 屋面板块分布示意图 F i g ． 6 S k e t c h f o r p a n e l s d i s t r i b u t i o n i n r o o f c o v e r i n g a 2 5 0 o 风向 b 3 5 0 风 向 图7 屋盖结构的风压系数分布 F i g ． 7 D i s t r i b u t i o n o f w i n d p r e s s u r e c o e ff i c i e n t o f r o o f s t r u c t u r e 维普资讯 2 风振系数 由于大跨度结构 自振周期长 ， 结构刚度小 ， 在风荷 载作用下可能引起很大的风振效应 。对于风荷载起控 制作用的结构 ， 结构 自重对 于控制上 吸风是有利 的。 但是对于 自重效应较大的大跨度结构 ， 当风振系数大 于 2时， 在脉动风作用下将会产生反 向风振效应 ， 对屋 盖形成下压力 。为了反映当风振系数大于 2时屋盖的 反 向风振效应 ， 在设计 中分别给出了上风振系数与下 风振系数的定义。 假定屋盖结构在脉动风荷载作用下 ， 屋盖结构板 块 的上风振系数与下风振 系数定义如下 ㈩ 卢 式中， X d z ， i 一 和 X d i 分别为在风荷载作用下 屋盖结构第 个板块的 z向位移时程的最大值和最小 值 ， 。 是在平均风作用下第 i 个板块 的z向位移 。 3 风荷载效应 作用于屋盖结构第 板块的上吸风与下压风荷载 的标准值按下述公式计算 u p p u , i 。 ， ， W 0 3 W d o ， w n 卢 o，w n 。 ， ， W O 4 式中 、 ， 分别为第 i 板块的风荷载体型系数和风 压高度变化系数 。 在进行国家体育场大跨度钢结 构设计 时， 由于结 构 自重较大 ， 下压风荷载效应对结构更为不利 ， 因此需 要考虑下压风荷载效应与结构 自重、 温度效应的不利 组合。由于在风力很大的情况下， 空气的流动性好 ， 屋 盖结构 的正温差不可能很大 ， 因此 ， 此时可仅考虑最大 负温差时的情况 。 当计算风吸力的作用时， 应考虑对恒荷载的分项 系数进行适当折减， 并相应调整荷载组合公式中结构 重要性系数 的位置。 根据国家体育场屋盖结构的特点， 按照最大风吸 力 、 最大风压力 、 半跨 风吸与半跨风压 最大差值 的原 则， 确定 2 5 0 。 、 3 5 0 。 、 1 7 0 “ , 3 4 0 , 9 0 。 和 2 8 0 。 为6 个最不利 风 向角。 3 ． 4 温度作用 北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候 ， 季节气温变化很大 。根据北京气象局近 3 0年统计数 据 ， 北京地区年平均最低气温为 一9 ． 4 C， 年极端最低 气温为 一 2 7 ． 4 C ； 年平均最高气温为3 0 ． 8 C ， 年极端最 高气温为 4 0 ． 6 ℃， 年平均相对湿度 5 8 ％。由于“ 鸟巢” 结构的钢构件直接暴露于室外， 在冬季时可以认为钢 构件的温度与室外气温相同。夏季时室外气温最高， 同时太阳照射强度也最大， 太阳照射将引起构件温度 显著升高。由于屋架上 、 下弦膜材之 间的空气流动性 较差， 屋架内部温度明显高于室外气温， 形成“ 温箱” 效 应 。另外 ， 结构在迎光面与背光 面的温差 ， 以及屋面 、 立面钢构件 的温差将形成梯度较大 的温度场分布。由 于国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大， 温度变 化将在结构 中引起很大 的内力和变形 ， 对结 构的安全 性与用钢量将产生显著 的影响 ， 这在建筑结 构中是很 少见的。 在进行国家体育场大跨度钢结构设计时， 将主体 结构合拢时的温度作为结构的初始温度 也称为安装 校准温度 。在确定结构 的合拢温度时， 首先需要考虑 当地的温度气象条件， 应合拢始温度比较接近年平均 气温， 有利于合拢施工； 二要考虑施工进度计划与可能 出现的变化情况， 预留一定的允许温度偏差范围； 三是 合拢温度应尽量接近结构可能达到的最高温度与最低 温度的中间点， 使结构受力比较合理， 用钢量较小。 国家体育场大跨度钢结构设计时采用的初始温度 与正 、 负温差如下 合拢温度 1 4 ． 0 ℃4 ℃ 最大正温差 5 0 ． 6 C 主桁架与顶面次结构 40． 6 C 桁架柱与立面次结构 最大负温差 一4 5 ． 4 ℃。 3 ． 5 雪荷载与积水荷载 北 京 地 区 重 现 期 为 1 0 0年 的 基 本 雪 压 为 0 ． 5 0 k N ／ m 2 。 屋面主桁架上弦与顶面次结构形成许多面 积较小的板块 ， 屋面 E T F E膜低于主体钢结构顶面 0 ． 9 5 m， 且整个屋盖坡度不大 ， 在风力作用下不会形成 板块之间积雪 的迁移 ， 因此在设计时可以认为屋盖 区 域雪荷载均匀分布。 屋面采用重力排水与虹吸排水相结合的方式， 在 设计时考虑到在暴雨时屋面个别板块可能出现排水不 畅问题 。假定屋面局部板块排水不畅可能应起 的积水 荷载为 0 ． 3 0 k N ／ m 2 ， 但不与雪荷载同时出现。 3 ． 6 地震作用 国家体育场抗震设防烈度为 8 度， 设计基本地震 7 维普资讯 加速度峰值 为 0 ． 2 g， 设 计地震分组为第 一组。根据 岩土工程勘察报告 和 国家体育场工程场地地震安 全性评价工程应用报告 ， 确定场地的等效剪切波速为 2 2 6 m ／ s ， 覆盖层深度为 5 1 m， 场地介于 I I 、 Ⅱ I 类之间， 计 算得到场地的特征周期为 0 ． 4 1 s 。国家体育场设计基 准期为 5 0年， 抗震设计采用的地震动参数如表 2 所 示 。 表 2 国家体育场抗震设计地震动参数 Ta b l e 2 Gr o u n d mo tio n p a r a me t e r s f o r s e i ma l c d e s i g n o ft h e Na t i o n a l S t a d i u m 地震 重 期 多遇地震与设 防烈度地震下的时程分析采用三组 地震波 E 1 C e n tr o 波、 台湾集集波和北京市地震局提供 的场地 人工 地 震 波。时程 分析 法 中步长 不 宜 大 于 0 ． 0 2 s 和 T 1 ／ l o T 1 为 结构 的最小基本 自振周期 ， 结 构阻尼 比 0 ． 0 2 。 根据 国家体育场工程初步设计抗震设防专项审 查意见 建抗超 委 [ 2 0 0 4 ] 审 O O 7号 ， 2 0 0 4年 7月 6 日 ， 当多遇地震仅考虑竖 向地震作用时 ， 竖 向地震作 用取重力荷载代表值的 1 5 ％， 抗震承载力调整系数取 1 ． 0 ； 当同时考虑水平与竖向地震作用时， 竖向地震作 用采用反应谱法计算。对于设防烈度的地震， 采用反 应谱法计算竖向地震作用 ， 竖向地震影响系数最大值 取水平地震影响系数最大值的 6 5 ％。 在抗震设计时 ， 考虑双向水平地震作用 的效应。 3 ． 7 荷载工况组合 非抗震设计 、 第一 阶段抗震设计荷载工况组合公 式分别如表 3 ～表 5所示。第二阶段抗震设计 的具体 内容详见本专辑中的相关文章 J 。 4 构件截面设计 4 ． 1 构件材料 1 板厚与钢材种类 在国家体育场大跨度钢结构中，