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1、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鉴 国家体育场封闭方案的可行性研究 龚景海。张f 兆1 李q 立2 i m 2 十 w _ l j n ：2J l E , P A n H $ f j m 1c _ J L * J I m # r _ 】日* n ( q m jB e u 】N a l i o n a lS t a d i u m ( B i r dR N c s t 懂2 0 0 8 * J 匕a * 2 9 “m i e t * 自女n m t g “b I H 女十H 【日# n “R * T “ j d R i n ，* * T t 4 m I
2、 b 目。4 z “1 # 镕目自t m 、 ”m 、T * H m * m * * m 镕目”l 日女# q # m # 目A # # m q m g T n # H * m J E 自，* * “。g m ”* T “”m “r I ：2 0 1 l # 日m “ n $ 女口n r H $ “ * ”T 气女m & ”月r 日# 月“ * d 自n 。目m * * A 4 u 。 * 镕目：十目日家# d 自w w ，q 囊，* d 一、鸟巢概况 园家体育场即“鸟巢”( 阁I ) 位于北京市成胛路商侧舆林匹克公蚓r l 吣R 山，足2 8 年北京第砷 剧魁逗含的主体弁场，承拍奥运会开、闭
3、幕式0 口仔比赛。2 0 0 1 年“鸟巢”的设计方案娃mr l J 国建筑设计研究院 ( C h i n a a r c h i t e c t u r e D e s i g nu n dr e s e a r c h Gr o u p ) 和2 0 0 1 年普利茨克奖( T h eP n t z k e r A r C h i t e c t u r eP r i z e ) 得 f ：瑞赫尔佐格和德梅降( H e r z o g & d e M e ur o n A G ) 设H 联台体卉作完成的。外形如同孕育生命的“巢”，寄 托着 娄梦想的放E 和对未来的希船1 1 。| 1 2
4、1 , “巍”占地2 0 4 公坝，总建筑面秘2 58 打f 方米建筑整体造掣呈 双曲面椭尉式马鞍形，长轴为3 3 23 m ，婉轴为2 9 73 m 蛙高点高度为6 85 m 最低 高度为4 0 l m 。屋盖中问 “洞妊腹为1 8 53 m ，宽度为】2 75 m 。大跨度屋盖支拌住2 4 掇桁架# 2 上，柱距为3 79 6 米。主桁架围绕屋盖中 间的开I 】放射形布崔柯2 2 榀主桁架直通或接近直通。曲r 避免小耻过于复杂的节点，另有4 描E 桁架在内耶 附近截断。钢结构大最采用l h 制饭焊接而上扼的箱形构件宜叉靠拦的 ：桁粜与尾耐世上麻的欢结构一起形成P 鸟 巢”的特殊建筑造型。
5、图1“鸟巢”效果图 图2 “鸟巢”封闭示薏固 “呜巢”制结构在方案的提m 、蜜施过程中订过多次修改，最 一披改动是2 0 0 4 I ，7H3 IH 阜】2 月2 7 日- “马照”停T5 个月灯原打方案进 r 修改和优化，上掉原先开启式的犀顶，扩大屋盖，F 扎，减小钢结构悬 忤长度a “瘦身”后的“鸟巢”町节省2 23 的用制品和13 的膜材同时节省3 亿，人民m 瓷盘，充分伴现T 圆家“节俭办奥运”的方针。新的方棠在取消原先开台式艋雕后带来T “q 巢如何防哪”的新问题。本文利婀 气囊膜结构t 3 章小、跨度人、施L 快“及造型美观等特点提m 存原锕结构开【】位置蜜转l 囊膜缩构冉集解决
6、乌婆防阿问题见刚2 。 f n 4 # 2 0 0 8m H 第八届全国现代结构1 程学术研讨会 二、气囊膜结构在国家体育场的应用研究 ( 一) 气囊虞拽形 如图3L 部气囊膜为日崖气枕式充气膜设置EF 双J ；壳网，边界与鸟巢顶部开口吻合，为双曲面椭圆马鞍 形长1 8 53 m ，宽1 2 75 m ，妊高2 47 米投影面秘1 9 1 9 2 m ：，封州空气体积2 3 4 3 8 38m3 ，初始C 压03 k P a 索同间距约5 m L 层索规格5 x 5 5 唧，截面1 0 7 9 9 删2 ，t 层索预应力1 2 0 k N ；下层索规格5 x 3 7 m m ，截面 7 2 6
7、 5 衄：，F 层索顸应力1 5 0 k N ，膜预应力1 0 k N m 。 黪 围3 气囊膜结构平面圈 俨( ) 呵 图4 气羹膜剖面 F 崖索预应力稍大是为7 控制气囊膜F 层膜面挠度( 酬4 ) ，如果下层膜面位置太低会影响体育场内的装 潢、设备。蛳m 九大蚌幕、高空摄影机等；也会影响开幕式的表演，如烟火商度等。气囊膜安置f 丰桁架上弦扦 在n 重情况下，下层膜面最低点标高4 39 米，开u 处扣晰架F 弦杆标高4 55 米因此气壹膜的存在小会影响开 幕式的演小、观赏与拍摄。 二) 昔载分析 气囊膜荷找取值分两种情况： 第- 种情况考虑在运动会或展览会期间短期使用t 囊膜，不考虑雪荷载
8、，考虑0 l k N ! m 2 的雨水荷载( L i v e l ) ， 取北京地区1 0 年一遇的风荷载( W m d l 基本风压为0 , 3 k q m 2 ) ；第= 种情况考虑气囊膜作为水久结构长期使用， 分别取北京地区1 0 0 年遇的雪压( L i v e 2 ，雪压0 4 5 k N l m 2 ) 和风压( W m d 2 ，基本风压为0 5 1 ( N m 2 ) ，见图5 、 6 。气囊膜风振系数取2 ：3 ，风吸时体型系数取10 ，高度系数程序自动计算。 固5 再兽荷裁 围6 风荷载 设计目标是保证气囊膜在短期使用情况下，索、膜不出现松弛、裙皱。保持定南刚度形状；在长
9、期使用 情况F 保证索、膜不发生破坏。 本文共进行了9 种荷载组台工况作用下气囊膜结构的非线性内力分析，计算索膜内力时荷载采用设计值，计 算变形时荷载采用标准值：计算结果见表l 。表中D 表示自重，u 表示L i v e l tL 2 表示L I v e 2 ，w l 表示雪载1 W 2 表示雪载2 。 第八届全国现代结构工程学术研讨会 表1 气囊膜计算结果 内压索最小索最大 膜最小膜最大上层中央 下层中央 使用类型荷载组合 应力 应力膜面挠度 膜面挠度 ( k P 8 )应力比应力比 ( 1 【N m )( 1 【N 帕)( m ) ( m ) 自然状态 DO 3 0 00 1 20 2 3
10、9 91 0 00 0 0 0 D + L 10 3 4 80 0 80 2 69 81 0 2- 6 2 75 2 5 D + W 1 0 0 7 10 0 00 3 8 7 5 1 1 6 4 0 3 8 4 5 9 3 短期使用 1 2 D + 1 4 L 10 3 7 0O 0 6O 2 99 6l O 4 D + I 4 W 10 0 5 30 0 0O 5 36 21 2 5| D + L 20 5 7 00 0 00 4 85 81 1 46 7 9 82 9 8 1 叶W 20 0 3 6o 0 0 O 6 35 41 3 18 0 2 48 1 2 2 长期使用 1 2 D
11、+ 1 4 1 2 20 7 3 70 0 00 6 53 11 2 4 D + 1 4 W 20 0 2 30 0 00 8 73 81 4 5 由表I 可知，本文提出的气囊膜结构方案满足设计要求。在短期使用状态下，膜晟大设计应力1 2 5 1 d N m ， 仅比初始设计预应力( 1 0 k N m ) 高出2 5 ，膜最小应力也有6 2 k N m ，这表明膜面均处于双向受拉状态，在雨水荷 载作用下索均处于受拉状态，在风吸力作用下，下层索网中短方向索出现松弛现象，但长方向索尚处于受拉状态， 下层中央膜而最大变形仅4 5 9 3 m m ，为跨度1 2 7 7 ，变形较小。因此在短期使用状
12、态下，气囊膜保持了很好形状；。 在长期使用状态时，气囊膜在百年一遇的荷载作用下，膜最大设计应力仅为1 4 5 1 d N m ，比初始设计预应力( 1 0 k N m ) 高出4 5 ，膜最小应力为3 1 k N m ，说明膜尚保持双向受拉状态，气囊膜还可以保持了比较好的形状；而索的最 大意力比从0 2 3 增加到了0 8 7 ，增加了2 7 8 ，并且很多索已经退出上作，这说明本文提出的气囊膜结构方案主 要依靠索网传递荷载；下层中央膜面最大变形达到8 1 2 2 m m ，为跨度的1 1 5 7 ，最大变形值尚在可以接受的范围 内。可见本文提出的气囊膜方案满足设计要求。 气囊膜结构在雨雪荷载
13、作用下，上层膜面向下变形，索、膜应力减小：气囊膜体积减小，内压增大；下层 膜面受内压作用，向下交形，索、膜应力增大j 气囊膜结构在风荷载作用下，上层膜面向上变形，索、膜应力增 大；气囊膜体积增大，内压减小；下层膜面相应向上变形，素、膜应力减小。 三、气囊膜结构对钢结构的影响分析 钢结构分析同样分为短期使用与长期使用两种情况：短期使用情况取北京地区雨水荷载0 1 l d 呵m 2 和1 0 年一 遇的风荷载( 风载1 ，基本风压为0 3 k N m 2 ) ，温差3 0 ，不考虑地震作用和雪荷载；长期使用情况取北京地区 1 0 0 年一遇的雪压( 雪载2 ，雪压0 4 5 k N m 2 ) 和
14、风压( 风载2 ，基本风压为O 5 k N m 2 ) ，升温温差+ 5 0 6 “ C ( 主桁 架与顶画次结构) 、+ 4 0 6 “ C ( 桁架柱与立面次结构) ，降温温差- 4 5 4 ，考虑地震作用。荷载取值及工况组合参 考中困建筑设计院国家体育场钢结构设计总说明J 2 J 【”。将气囊膜支座反力作为荷载施加到鸟巢钢结构，比较 安装气囊膜前后，钢结构力学性能的变化。最不利组合工况下杆件应力比分布如下： 工业建筑2 0 0 8 增刊 第八描争围现代结构T 程学术研讨台 娜 删 I 卿 t l 懈 锄 0 匠王亟固疆垂园圃 囤7 正常情况不安置气囊膜 舢 珊 1 锄 k 1 呻 止童目
15、鲤i i ! g 利 f 、二” 图9 极端情况不安置气量膜 鳓 删 妊l 咖 啪 固1 0 极端情况安置气囊膜 从嘲7 、9q 知马嚷制结构在毋小剧况组合r ，太部分杆件应山比控制在0 6 以下，肯定的安辛储备。 如图81 0 安装气囊骥结构之后，钢结构杆应力比变化井小硅著，在小j 0 7 的范围内调啭，少量杆件超过0 8 。 鸟巢钢结构剌件内力较人位置山现在桁架柱支座部位，由十气囊膜的厦力对于钢结构来说弗小 闻此L 囊膜的 存在对桁架秆的鞋响报小山力增加较明显的杆件t 要在犀盖开【J 附近，尤其安装气囊聪位置的主桁架l 弦杆。 童装气囊膜j I U 后，钳结构力学性能娈化见表2 ，部分自振周期与振犁见表3 。 匕8 08 * * m * m 十# ( m ) 。表2 钢结椅力学性能变化 M 使m * M z # I自气m 06 6O8 5 0R 5 4 40 5 7 49 1 4 22 1 5 65 t 气囊 自l * 由表2 可知r 短期使用情况f ，安装气囊膜之后开【l 附近蟥太杆件应力比M0 6 6 增加到0 , 8 5 有8 根杆件 随力比超过0 8 ，t 桁巢蛀j 、竖向位
