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1、单层刚架结构吉林建筑大学吉林建筑大学 第一节 单层刚架结构的受力特点第二节 单层刚架结构的型式第三节 单层刚架结构的构造与布置教学要求教学要求掌握三种刚架的受力特性及适用范围,了解刚架节掌握三种刚架的受力特性及适用范围,了解刚架节点的连接构造,通过受力分析,熟悉梁、柱节点的点的连接构造,通过受力分析,熟悉梁、柱节点的加强措施,熟悉刚架按材料分类及刚架结构选型时加强措施,熟悉刚架按材料分类及刚架结构选型时应考虑的影响因素应考虑的影响因素第四节 单层刚架结构的工程实例第三章第三章 单层刚架结构单层刚架结构第三章第三章 单层刚架结构单层刚架结构刚架:梁、柱之间为刚性连接的结构,也称为刚架:梁、柱之间

2、为刚性连接的结构,也称为门式刚架门式刚架;v 排架:梁与柱之间为铰接的单层结构称为排架;排架:梁与柱之间为铰接的单层结构称为排架;v 框架:多层多跨的刚架结构称为框架;框架:多层多跨的刚架结构称为框架; 刚架结构排架结构框架结构第三章第三章 单层刚架结构单层刚架结构 门式刚架门式刚架第三章第三章 单层刚架结构单层刚架结构 排架排架第三章第三章 单层刚架结构单层刚架结构 钢框架钢框架第三章第三章 单层刚架结构单层刚架结构 3.1 单层刚架结构的结构特点:单层刚架结构的结构特点:1、属于平面结构体系;、属于平面结构体系;2、横梁与柱刚接,梁跨中弯矩值得到降低,具有良、横梁与柱刚接,梁跨中弯矩值得到

3、降低,具有良好的受力性能(相对排架结构);好的受力性能(相对排架结构);3、杆件较少,结构内部空间大,便于利用;、杆件较少,结构内部空间大,便于利用;4、杆件少,制作方便,施工方便,造价较低,建筑、杆件少,制作方便,施工方便,造价较低,建筑 造型美观;造型美观;5、适于双坡屋面的单层中、小型建筑(如中小型的、适于双坡屋面的单层中、小型建筑(如中小型的厂房、体育馆、礼堂、食堂等);厂房、体育馆、礼堂、食堂等);6、刚度较差,受荷后易产生挠度、刚度较差,受荷后易产生挠度(吊车起重量不宜超吊车起重量不宜超过过10吨吨);7、刚架结构自重较大,用料较多,适用跨度受到限、刚架结构自重较大,用料较多,适用

4、跨度受到限制(相对拱结构)。制(相对拱结构)。3.1 单层刚架结构的种类与受力特点v刚架随铰位不同化刚架随铰位不同化-结构内力不同结构内力不同无铰刚架无铰刚架两铰刚架两铰刚架三铰刚架三铰刚架3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点v外形相同的外形相同的排架结构与门式刚架在竖向排架结构与门式刚架在竖向均布荷载作均布荷载作用下受力比较用下受力比较在竖向在竖向均布荷载作用下均布荷载作用下刚架与排架弯矩图刚架与排架弯矩图3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点v外形相同的外形相同的排架结构与门式刚架在水

5、平排架结构与门式刚架在水平荷载作用下荷载作用下受力比较受力比较在水平荷载在水平荷载作用下作用下刚架与排架弯矩图刚架与排架弯矩图3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点&刚架由于横梁与立柱整体刚性连接,减少了横梁中刚架由于横梁与立柱整体刚性连接,减少了横梁中的弯矩值。的弯矩值。&排架由于横梁与立柱为铰接,弯矩峰值较刚架大很排架由于横梁与立柱为铰接,弯矩峰值较刚架大很多。多。&刚架结构比排架结构轻巧,并可节省钢材约刚架结构比排架结构轻巧,并可节省钢材约10%10%,混凝土约混凝土约20%20%。 结论:结论:3.1.13.1.1约束条件对结构内力的影响约

6、束条件对结构内力的影响v 特点:梁的约束减少了柱内弯矩;因此,刚架在竖向荷载特点:梁的约束减少了柱内弯矩;因此,刚架在竖向荷载作用下,柱对梁的约束减少了梁的跨中弯矩;在水平荷载作用下,柱对梁的约束减少了梁的跨中弯矩;在水平荷载作用下,梁对柱的承载力和刚度都大于排架结构。作用下,梁对柱的承载力和刚度都大于排架结构。v 从内力图看,三种铰位不同的刚架各有特点:从内力图看,三种铰位不同的刚架各有特点: 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点v1 1、无铰刚架:柱脚与基础固结,为超静定(三次)、无铰刚架:柱脚与基础固结,为超静定(三次)结构,刚度好、但与两铰、三铰拱比,基础承受的

7、弯结构,刚度好、但与两铰、三铰拱比,基础承受的弯矩大,基础耗料大,且地基的不均匀沉降将会引起结矩大,基础耗料大,且地基的不均匀沉降将会引起结构内力的变化,因此,地基条件较差时慎用。构内力的变化,因此,地基条件较差时慎用。v 2 2、两铰刚架:铰接的柱基不承受弯矩作用,构造简、两铰刚架:铰接的柱基不承受弯矩作用,构造简单,省工省力,当基础有转角时,对结构内力没有影单,省工省力,当基础有转角时,对结构内力没有影响。但基础发生不均匀沉降时,同样对结构内力有影响。但基础发生不均匀沉降时,同样对结构内力有影响,其刚度较三铰刚架大,故适用于较大跨度。响,其刚度较三铰刚架大,故适用于较大跨度。 3.1.13

8、.1.1约束条件对结构内力的影响约束条件对结构内力的影响3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点v3 3、三铰刚架:梁、柱节点弯矩较大,刚度较差,三铰刚架:梁、柱节点弯矩较大,刚度较差,不适合于有桥式吊车的厂房,仅用于无吊车或小吨不适合于有桥式吊车的厂房,仅用于无吊车或小吨位悬挂吊车的建筑。当其跨度较大时,半榀三铰刚位悬挂吊车的建筑。当其跨度较大时,半榀三铰刚架的悬臂太长,致使吊装不便,而且吊装内力大,架的悬臂太长,致使吊装不便,而且吊装内力大,所以,它适用于跨度小于(所以,它适用于跨度小于(12m12m)或地基较差的情)或地基较差的情况。况。 v4 4、在实际工程中,大多

9、采用两铰刚架和三铰刚架、在实际工程中,大多采用两铰刚架和三铰刚架及由其组成的多跨结构,无铰刚架很少采用及由其组成的多跨结构,无铰刚架很少采用。3.1.13.1.1约束条件对结构内力的影响约束条件对结构内力的影响3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点v梁柱线刚度比对结构内力的影响:根据力梁柱线刚度比对结构内力的影响:根据力学原理,结构的内力按结构的刚度大小分学原理,结构的内力按结构的刚度大小分配。因此,梁柱线刚度的的比不同,它们配。因此,梁柱线刚度的的比不同,它们各自分配的内力也不同,梁柱线刚度比大各自分配的内力也不同,梁柱线刚度比大的,分配到的内力也越大的,分配到的内力也

10、越大3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点3.1.23.1.2梁柱线刚度比对结构内力的影响梁柱线刚度比对结构内力的影响 3.1.23.1.2梁柱线刚度比对结构内力的影响梁柱线刚度比对结构内力的影响 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点1 1、当梁的线刚度、当梁的线刚度比比柱的柱的大大很多时,柱对梁端的转动约束作用很小,梁类很多时,柱对梁端的转动约束作用很小,梁类似简支梁似简支梁2、当梁的线刚度比柱的小很多时,柱约束梁端发生转动,柱对梁相当于、当梁的线刚度比柱的小很多时,柱约束梁端发生转动,柱对梁相当于固定端,梁相当于两端固定梁固定端,梁相当于两端固

11、定梁3、当两端柱的刚度不等时,柱刚度大的一侧梁端负弯矩大、当两端柱的刚度不等时,柱刚度大的一侧梁端负弯矩大3.1.23.1.2梁柱线刚度比对结构内力的影响梁柱线刚度比对结构内力的影响 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点1、当梁的线刚度比柱的大很多时,梁作为刚体平移,梁柱节点无转动,柱子上下端只有相对平移而无相对转动,柱反弯点在柱高的中点2、当梁的线刚度比柱的小很多时,梁不能约束柱端发生转动,梁相当于两端铰接的连杆,结构内力分布类似排架3、当两端柱的刚度不等时,则刚度大的柱承受较大的侧向剪力和弯矩3.1.33.1.3门式刚架的高跨比对结构内力的影响门式刚架的高跨比对结构

12、内力的影响 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点1 1、悬索线倒置、悬索线倒置-即拱的推力线即拱的推力线2、刚架高度的减少将使支座处的水平推力增大刚架高度的减少将使支座处的水平推力增大3.1.43.1.4 结构构造对结构内力的影响结构构造对结构内力的影响 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点构造措施改变内力构造措施改变内力:在支座处设水平拉杆,平衡刚架节点处的弯矩;:在支座处设水平拉杆,平衡刚架节点处的弯矩; 墙体外挂减少横梁墙体外挂减少横梁跨中弯矩;跨中弯矩; 用支座反力对柱轴线的偏心距对刚架横梁产生负弯矩用支座反力对柱轴线的偏心距对刚架横梁产

13、生负弯矩3.1.53.1.5温度变化对结构内力的影响温度变化对结构内力的影响 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点温度变化对结构内力的影响:温度变化对静定结构没有温度变化对结构内力的影响:温度变化对静定结构没有影响,但在超静定结构中将产生内力影响,但在超静定结构中将产生内力-热胀冷缩效应热胀冷缩效应3.1.6 3.1.6 支座移动对结构内力的影响支座移动对结构内力的影响 3.1 3.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点v 约束条件:从受力分析可以看出,约束越多,内力变形越小;支座约束条件:从受力分析可以看出,约束越多,内力变形越小;支座的移动也将使超静定结构

14、产生内力。的移动也将使超静定结构产生内力。3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式按约束条件分为:按约束条件分为:按结构材料分为:按结构材料分为:按构件截面分为:按构件截面分为: 3.2.1单层刚架结构的结构型式单层刚架结构的结构型式按建筑形体分为:按建筑形体分为:3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式总结:总结:1 1、外形:外形可分为平顶、坡顶或拱顶,可以是单跨、双、外形:外形可分为平顶、坡顶或拱顶,可以是单跨、双跨或多跨连续,可以根据通风、采光的需要设置天窗,通风跨或多跨连续,可以根据通风、采光的需要设置天窗,

15、通风屋脊和采光带,刚架横梁的坡度由屋面材料及排水确定。屋脊和采光带,刚架横梁的坡度由屋面材料及排水确定。3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式2 2、平面布置:、平面布置: 一般情况下,矩形平面建筑物都采用等间距、等跨度一般情况下,矩形平面建筑物都采用等间距、等跨度的平行刚架布置方案。的平行刚架布置方案。3 3、单层刚架结构的截面形式、单层刚架结构的截面形式 刚架杆件的截面应随其内力大小而相应变化(截面刚架杆件的截面应随其内力大小而相应变化(截面h h变变化),这样,可以充分发挥材料性能,节约材料,减轻自重,化),这样,可以充分发挥材料性能,节约材料,减轻自重,外形美观。外形美观

16、。3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式 3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式3.2.2 3.2.2 按材料分类按材料分类1)1)胶合木刚架:胶合木是一种新材料,防腐、防胶合木刚架:胶合木是一种新材料,防腐、防蛀、阻燃性能好,克服了原木尺寸受限,有木节蛀、阻燃性能好,克服了原木尺寸受限,有木节影响强度等缺陷。构造简单、便于运输。影响强度等缺陷。构造简单、便于运输。美国康涅狄克州小美国康涅狄克州小学,以裸露的两榀学,以裸露的两榀胶合木刚架为入口胶合木刚架为入口标志标志2 2)钢刚架:钢刚架结构可分为实腹式和格构式)钢刚架:钢刚架结构可分为实腹式和格构式A A、实腹式

17、:实腹式:适用于跨度适用于跨度不很大的结不很大的结构,常做成两铰式刚架。构,常做成两铰式刚架。B B、格构式刚架:、格构式刚架:优点:刚度大,优点:刚度大,节约材料;节约材料;3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式3.2.2 3.2.2 按材料分类按材料分类实腹式:实腹式:适应于跨度不很大的结构,常做成两铰式,截面一适应于跨度不很大的结构,常做成两铰式,截面一般为焊接工字形,少数为般为焊接工字形,少数为Z形,制作安装较方便。当跨度或荷形,制作安装较方便。当跨度或荷载较大时构件应为变截面,一般使截面高度适应弯矩图的变化。载较大时构件应为变截面,一般使截面高度适应弯矩图的变化。为充分

18、发挥材料的作用,可在支座水平面内设拉杆,并施加预为充分发挥材料的作用,可在支座水平面内设拉杆,并施加预应力使刚架横梁产生卸荷力矩及反拱。横梁高度为跨度的应力使刚架横梁产生卸荷力矩及反拱。横梁高度为跨度的1/201/12,刚架转折处可圆弧过度或设加劲肋。,刚架转折处可圆弧过度或设加劲肋。 3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式格构式格构式: 适应范围较大,具有刚度大、耗钢省等优点。为了适应范围较大,具有刚度大、耗钢省等优点。为了节省材料、增加刚度、减轻基础负担,也可施加预应力,以调节省材料、增加刚度、减轻基础负担,也可施加预应力,以调整结构中的内力。预应力拉杆可布置在支座铰的平面内

19、,既可整结构中的内力。预应力拉杆可布置在支座铰的平面内,既可布置在刚架横梁内仅对横梁施加预应力,也可对整个刚架施加布置在刚架横梁内仅对横梁施加预应力,也可对整个刚架施加预应力。梁高可取跨度的预应力。梁高可取跨度的1/201/15。 3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式 格构式刚架3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式实腹式刚架3 3)钢筋混凝土刚架)钢筋混凝土刚架:适应于跨度不大于:适应于跨度不大于1818米,檐口高度不米,檐口高度不大于大于1010米的无吊车或吊车荷载不大于米的无吊车或吊车荷载不大于100KN100KN的建筑中,最大跨度的建筑中,最大跨度可达可达

20、3030米。构件截面一般为矩形亦可工字形,截面高度线性变米。构件截面一般为矩形亦可工字形,截面高度线性变化,节点处截面最大。化,节点处截面最大。 3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式3.2.2 3.2.2 按材料分类按材料分类实腹式刚架实腹式刚架 3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式案例案例4 4)预应力混凝土刚架:)预应力混凝土刚架:v 优点:可以提高结构刚度,减小杆件截面,增大适用跨度。优点:可以提高结构刚度,减小杆件截面,增大适用跨度。3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式3.2.2 3.2

21、.2 按材料分类按材料分类预应力钢筋布置:可通长布置,也可分段布置。预应力钢筋布置:可通长布置,也可分段布置。3.2 3.2 单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式A A、分段布置:梁、柱分别、分段布置:梁、柱分别布置。其优点是:受力明布置。其优点是:受力明确、穿筋方便、施工简单。确、穿筋方便、施工简单。缺点是:费材料、费锚具、缺点是:费材料、费锚具、转角处预应力孔道交叉,转角处预应力孔道交叉,对截面削弱大。对截面削弱大。B B、通长布置:其优点是节、通长布置:其优点是节省钢材、锚具,孔道对截省钢材、锚具,孔道对截面削弱少;缺点:穿筋困面削弱少;缺点:穿筋困难,注意在外荷载作用下难,注意在外荷载

22、作用下钢筋蹦出混凝土外的现象钢筋蹦出混凝土外的现象(对人字型和(对人字型和Y Y字型构件)字型构件)。预应力混凝土刚架预应力筋布置预应力混凝土刚架预应力筋布置3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置 3.3.1 刚架结构的外形:刚架结构的外形:1、屋顶:平顶、坡顶、拱顶、屋顶:平顶、坡顶、拱顶;2、跨数:单跨、双跨、多跨;、跨数:单跨、双跨、多跨;3、屋面坡度:坡顶瓦材防水时,取跨高比为、屋面坡度:坡顶瓦材防水时,取跨高比为1/34、屋面材料:石棉水泥瓦、瓦楞铁、压型钢板、屋面材料:石棉水泥瓦、瓦楞铁、压型钢板5、屋顶设置:采光通风天窗、通风屋脊、采光带、屋顶设置:采光

23、通风天窗、通风屋脊、采光带3. 3.3 3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置 3. 3.3 3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3.2 刚架节点连接构造:刚架节点连接构造:1、钢刚架节点连接:、钢刚架节点连接: 形式:刚接或铰接形式:刚接或铰接 方式:栓接或焊接方式:栓接或焊接 接头位置:一般为节点处接头位置:一般为节点处 措施:节点板、加腋、加劲肋、加劲杆、曲线措施:节点板、加腋、加劲肋、加劲杆、曲线 过度等过度等2、混凝土刚架节点连接:、混凝土刚架节点连接: 形式:刚接或铰接形式:刚接或铰接

24、 方式:栓接、焊接、预埋工字钢接头方式:栓接、焊接、预埋工字钢接头 接头位置:铰节点或弯矩为零的部位接头位置:铰节点或弯矩为零的部位 措施:把刚架划分为措施:把刚架划分为L形、形、F形、形、Y形的拼装单元形的拼装单元 注注:铰接时刚架横梁弯矩较大,梁截面较大;固接时刚:铰接时刚架横梁弯矩较大,梁截面较大;固接时刚架横梁截面较小,基础较大。架横梁截面较小,基础较大。3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置 3. 3.3 3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3.3 刚架铰节点的构造刚架铰节点的构造刚架铰节点:顶铰和支座铰刚架铰节点:顶铰和支座铰 应满足力

25、学中完全铰的要求应满足力学中完全铰的要求3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置 3. 3.3 3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3.4 刚架柱脚支座构造刚架柱脚支座构造钢刚架柱脚:钢刚架柱脚: 板式铰板式铰-反力不大时反力不大时 臼式铰臼式铰-反力大时、受力性能好、造价高、构造复杂反力大时、受力性能好、造价高、构造复杂 平衡铰平衡铰-反力大时、受力性能好、造价高、构造复杂反力大时、受力性能好、造价高、构造复杂混凝土刚架柱脚:混凝土刚架柱脚: 现浇式:交叉钢筋或垂直钢筋及基础边缘油毛毡、麻现浇式:交叉钢筋或垂直钢筋及基础边缘油毛毡、麻 刀所做的垫板

26、刀所做的垫板 预制式:基础做杯口、上柱插入、沥青麻丝嵌缝预制式:基础做杯口、上柱插入、沥青麻丝嵌缝 v单层刚架结构的布置是十分灵活的,它可以是平行布置、单层刚架结构的布置是十分灵活的,它可以是平行布置、辐射状布置或以其他的方式排列,形成风格多变的建筑造型辐射状布置或以其他的方式排列,形成风格多变的建筑造型前面已经讲过了前面已经讲过了3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.3 3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3.5 单层刚架结构的布置单层刚架结构的布置 3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.3 3 单层

27、刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3.6 刚架结构的支撑系统刚架结构的支撑系统v结构布置时,平面刚架的结构布置时,平面刚架的侧向稳定侧向稳定是值得重视的问题。是值得重视的问题。v当多榀刚架平行布置时,在结构纵向实际上为几何可当多榀刚架平行布置时,在结构纵向实际上为几何可变的铰接四边形结构。因此,为保证结构的整体稳定性,变的铰接四边形结构。因此,为保证结构的整体稳定性,应在纵向柱间布置连系梁及柱间支承,同时在横梁的顶应在纵向柱间布置连系梁及柱间支承,同时在横梁的顶面设置上弦横向水平支承,柱间支承和横梁上弦横向水面设置上弦横向水平支承,柱间支承和横梁上弦横向水平支承宜设置在同一开间内

28、。平支承宜设置在同一开间内。v对于独立的刚架结构,如人行天桥,应将平行并列的对于独立的刚架结构,如人行天桥,应将平行并列的两榀刚架通过垂直和水平剪刀撑构成稳定牢固的整体。两榀刚架通过垂直和水平剪刀撑构成稳定牢固的整体。为把各榀刚架连成整体、可将并列的刚架横梁改成相互为把各榀刚架连成整体、可将并列的刚架横梁改成相互交叉的斜横梁,这实际上形成了空间结构体系。交叉的斜横梁,这实际上形成了空间结构体系。 3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.3 3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3.3.6 刚架结构的支撑系统刚架结构的支撑系统 中国农业大学体育馆中

29、国农业大学体育馆3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.4 4 单层刚架结构的工程实例单层刚架结构的工程实例工程实例:工程实例:1、中国农业大学体育馆、中国农业大学体育馆 中国农业大学体育馆中国农业大学体育馆3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.4 4 单层刚架结构的工程实例单层刚架结构的工程实例 3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.4 4 单层刚架结构的工程实例单层刚架结构的工程实例2.中国国家体育场-鸟巢 由一些列辐射状门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转随意编织而成的独特的空间结构。结构科学、简洁,设计新颖独特。其主体结构材料为钢结构。由于辐射式门架不是一条合理的曲线,在构件上同样会产生剪力和轴力,因此,用钢量较大。 3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.4 4 单层刚架结构的工程实例单层刚架结构的工程实例 3.3 3.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置3. 3.4 4 单层刚架结构的工程实例单层刚架结构的工程实例 国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场, 共设10万个座席(其中

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