国家体育馆双向张弦空间网格结构设计

国家体育馆双向张弦空间网格结构设计覃王阳毅朱忠义 陈金科冯阳柯长华 许国家体育馆双向张弦空间网格结构设计覃王阳毅朱忠义 陈金科冯阳柯长华 许薛慧立 甘硕明秦凯周凯 曾丽荣杜申瑞（京市筑设研究院京1005）摘要介绍了国家体育馆双向张弦空间网格结构的设计理念和设计方法。如新型结构的布置、大跨度空间结构防火算、防续倒塌析、双索预应特性研、沿短带索累滑移施方法以监测、验情况。关键词:双向张弦空间网格结构结构防火防连续倒塌分析带索累积滑移施工健康监测1工程概况育落匹园的南，中区要建一国馆29奥匹动要赛之奥会及奥期要体（括体）、蹦床手球、椅篮球个项目比赛。育奥区的国自设、施全采产建的场，是目大室育整工程分现国。计调熟性的维塑计“济理观的奥场，科运绿运文运”三理实在实筑同设计注充虑赛运式实性贯穿融在建筑计的各方面。长约207.5m，总用地面积6.87ha。体育馆由主体建和之的馆及环成建筑高4.4，筑积09，室绿及道路面积40002，投资约8.5元。体育馆屋顶面似如流般又动，四竖分钢与面莹的璃幕相衬如张的折空投影秦的古彰出文内，是前内最的育体平布置见图，建全貌见2。育下地层地下为、设房为馆、馆公二四众和休息厅，三为I包。1平图图2国家体育馆全景工用玻杆结构体系的中空low-e节能玻璃幕墙，具有保温、、外果证人受外候，利然有低场运营本钢盖双跨达1.5155m高的曲最为米属屋盖由合和形窗组：家馆张间结计目第奖6成系防风噪、雪荷暴成系防风噪、雪荷暴等设准了运比赛的要，又顾了多能性演的需要。2技术指标和创新特点家馆比域跨1.×双向张弦间网格构体系。1）该体系即由正交正放桁架系组成的空间网构杆双网一新型间系性结性结构理由用网代传统，用方结设，大减用该克向弦结索外差点构间受整好续能其平衡的大盖部反，避柔如等部生巨大；具的效济术效显着空构方。2）针对新型大跨度双向张弦空间网格结构体目外成能要的节式科和研题开发种强可极价新型节点获得了项国家利。3）在设计中首次对大型双向张弦结构进行消能究进构析从理论上解决了大跨屋盖结构取消防火涂料的问题，获较好的济效益。4）首次在大型空间结构设计中应用防连续倒塌分析，确保在发生意外事件时结构安全可靠。5）对双向索的预应力特性进行了系统研究决结的施确结构成型使施工撑的‘载’自形成。6）创新的提出了沿短向带索累积滑移施工方在计施过构化设法大和架、动。7）实施了支座两阶段固定方法和施工全过程监措施。进内规∶双张弦构模和球足抗滑，计安供技参数。9）开发完成了“国家体育馆双向张弦空间结健测，在筑综合程技保屋时进行着康监测结构纵结构见3。图3结构纵剖断图家的面其屋成用外的向弦空结系节及技，创界度双弦单面积用钢量仅95kG/m2（含节点），类比同规模工程节用钢量40，约工程用200元，取著济填国白向世界展示了我国的建筑技术水平，充分体现了“运绿”文的念和勤办奥运精神。3详细技术内容3.1构概况育功上两个由场台息的赛馆身及房的。赛馆平面轴线尺为114×44.5米，下一层、地上其～有；平轴线尺寸为51×63米，主要为一层空间，局部两。为、、，主要柱网尺寸为8.5×8.5m，另有8.5×12m、8.5×425柱网。育下，赛，侧自地，坪+5.850，建筑最高点为43（以±.0计）。7ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期馆波赛热身馆，投影馆波赛热身馆，投影面积约为23700平方米，屋面标高约为38～43～28米，其中比赛馆的外轮廓尺寸为123×172m，包括南端9.2m、北端9.8m、东西两侧4的周部；馆外尺寸为5763，包北端60的悬挑分。体结混框架震钢框钢合结构体系；屋盖采用大跨度双向张弦空间网格结构，由设于体育馆外围的78根型钢混凝土柱支撑；整结构未永久性构缝。3.2屋结构体系表不合。比赛区域由三个上凸的面组成，中间63即与热区间柱面与侧柱面最南端交。体划和馆两，结个连，采用正间构跨馆热身个形连结间架结在方的格为5东向的网尺在网尺寸为12.0m，其它轴的网格尺寸为8.5m。按照建筑造型要求，网架结构厚度在1.518～3.973m之间包结，馆尺为114m×144m，跨度较大，为减小结构用钢量、增构充结空性，在网的布双正的钢索，钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连成弦格。长杆的度93，索根桅高过圆弧确训域包结，结构跨度为51m×63m，跨度较小，空间网架结构度比，要网下部布置索。架面正放的杆还菱撑菱支撑角位节中点是网杆弦中赛周界满支在格菱；热身，四布形由比赛菱撑续，步高上稳，撑条菱支撑体成上内系上弦杆布置见4。结内边交叉支。屋盖结构为下弦支承，如图5所示。除在四周支，区比交处还柱承屋构方单跨南向支体方为余。上弦面内所有杆件、腹杆以及桅杆为圆钢管面有矩管采挤包层距缆上相点采球、间腹支相交采接点满效要求采钢桅端结的下万铰接端采夹板接索锚采节。钢索桅杆布见图6。3.3析模型较分构结构影特遇下结的抗，了部土整分析分型包下：一部分为屋顶钢结构，网架结构的弦杆采用梁单元、以采单索用索算二下筋结，使元单板模部凝土支柱楼看三分为顶类座立部凝土结的各种接单元。用I和S个件整结进行对和杂点限分8ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期，院相序截、校核及节点算。，院相序截、校核及节点算。钢索最小应大于0Ma。3..2预应确定准则预定构重要。程下确预的水平：）在任何荷工况下，钢不退出工作，并且保持一定的张力水平；2）满足结构变形要求；3）调整结构构件的应力水平满足设计标4证过，能紧）钢拉后使自施撑。程工结体移间滑预小应力为100。3影响按状正的屋构不构量下挥结空力内分，在突意况构丧力生倒故是筑设求防止倒空设的本中钢索是最主要的受力构件，在结构100年的使用期考种包修钢换或意故索，生，引构重需算否承担恒载和部活荷载不发生塌事故。对屋取部位索算承力时虑的荷载组合为：1）恒荷载+活荷载1+预应力；）载+载2+应；0倍荷载+风荷载+预应力；4）恒荷载+温度荷载+预应力。其中活荷载1为屋顶均布活荷载和非均匀的载8型荷为不同类型的演出而布置的活荷载，共7种类型。采用的钢案如消、两甚根取根甚根钢索或者横向、纵向同时取消两根。图7是取消钢一式图阴取向三根索。5m1m图4上弦杆件布置图5m4m图5下弦杆件布置图纵向索横向索桅杆图6钢索和桅杆布置图3.4盖双向弦空间格结构计3.4.1屋盖结设计标准标屋计50年，结构安全等级为一级，结构重要性系数g0=1.1；抗震设防等级为乙类。结构刚度控制标控常地件括）与计强度之控制在0.5以内，中下构件的应与标：组遇下大其力9PESESSTELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》1年第期总第期T强： fyT=hfyT弹模量：ET=E温度T（℃） 5010T强： fyT=hfyT弹模量：ET=E温度T（℃） 5010100500050s强度折减系数hT 09298020008207876弹性模量折减系数T10099077109101681由于屋盖的空间受力性能好，内力重分布的能力强，经计算各模式下构件的应力比均小于力比。验时，强指标取料的屈强度。很差，PE材料在温度超过120℃时软化，必将造成防脱钢暴火本不到包它料加影美观难；不足能用要求；采用自动喷林系统费用高，可操作性不强。为此，我们必须另辟途径找出解决方法—进物防设即筑的具制防从定各消防标行分证能到要接多。传构火设任体异明某解决方有着根的区别。种首盖防性为构不防，选定屋盖体系的控制温度为200℃。之所以确定此温为一馆空的利条屋构火较二在该使防进护在温度膨第据国的部相上工规建构火技》002高材强度和性模量下：（1）（2）图7取消三根横向钢索模式19876543210图8构件应力比3.4.4盖钢结抗火设计体了间，主力由丝而包层美观最点于索对进行保是筑结师前的一个题。传方建计防范求物的能耐火，防为的重件保临。常保种：1）喷涂防火涂料法；2）包封防火材料法；3）屏蔽法4）水却法；）组合。本向格，主受中量索索用以些行护均。索表1不同温度下强度和弹性模量折减系数 升温至200℃时，钢材的强度和弹性模量变化因将能析控温度定为200℃。当钢结构区域的温度高于200℃时用结灾影域可燃物制。火评本比赛火看和馆灾行了算，家馆能设计中了盖整的场分布，如图9三个火灾区域，即对应三个火灾工0ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期况别如1工：发在况别如1工：发在6，件5，边区钢升沿观众看台最外环9.2m×1m的区域，即两榀桁）能架内和火生钢升发生热身5m63内18×8的域，温200℃，钢构件升温82℃，撑杆升温120℃。火心构温，边钢件2）火灾工况2：可能发生在比赛馆43m×74m内升℃抗析取种中不的26×6的区域火灾中区域内索升温利位。火灾发生工况三火灾发生工况一火灾发生工况二火灾中心区000 火灾中心区100100000火灾边缘区 200 火灾边缘区400图9火灾工况分布火下应组 量随的照合： 。QQkT （3） 因火灾发生时，屋顶结构温度升高幅值较iii式中：S荷载组效应；小的弹和折。复Gk永久荷标准值； 核，件满足度要求应力比图10。k考标i 1准值；090807Wk风荷载准值； 06△T－构件或结构的温度变化（考虑温度效 050403应）；0201g－永久载分项数，取.0； 0gQ－面或屋活载分系数，0.；igw－风荷载分项系数，取0或0.3，选不利情 图10火荷载工况二，构件应力比况；，弦在能，情 够定要此与胀防况； 火防全致于弦间CG、CQ、Cw、CF－分别为永久荷载、楼面或 结其作，重力，i屋面活、风载温度影效应的应系数。有利于结构抗火。省去防火涂料，节约工程造1ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期价省为供好效。3.4.5键节点计新构价省为供好效。3.4.5键节点计新构的要求较单向张弦结构有较大区别，因本项目是国内第型弦，没类似供为了索并功应用，已经获了国家利。张结系杆上端要力内本程采向构的下应够空动就节造性另外，本工程中钢索张拉端和锚固端节点受力复杂力，整构，是本工程的关键点。1）桅杆（撑杆）下端节点—索夹节点（见图11）下桅接，是关要。在中区域杆点西双和北方根在角域下节点接向索杆点具有必性接钢万转动载节力形符理论分；单准高易于；工就具的广应用价。以开动节点1中典杆节意。节点由以下部分组成：a）机加工件一～三，平面直50圆，加件三单面机工的和形加件二在双面机械加工成内凹的半球面；b）机加工的空心半球，通过高强螺栓固定钢索；c）聚四氟板在机件减摩擦力；d）高强螺栓，用于机加工件之间的连接和半间接3加三东西钢球示。加件一~三之间组合成锥形长孔，使钢索可以空间转动会杆产矩3与夹施工场面。撑的球还必足抗力据对育馆内部空间效果的要求，撑杆的方向垂直于地面是于这撑向力会处索个力整计索。钢拉连图示个之靠索之擦抵了钢索间不产生滑动，要求钢球与拉索PE层之间、PE层与部束摩能切力的作。图1为索节与悬挂道。点、滑，节点足强度求。撑杆索夹板钢球图1撑杆下端节点组桅杆钢管1×0机加工一索索索机加件二机加工件三索索索立面图剖面图下端节点剖面图转动示意图图12图3索夹与球夹2ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期）索端钢节点部杂别用了点据部，点以）索端钢节点部杂别用了点据部，点以下第为座东的端节二跨方索；三类南向节节由限元分确定。节有必：预索径于锚径端部应索直中必预留的锚操间钢点的部防，钢完后对孔进柔闭12铸节点，从图中可以看出对直径较大的钢索端部节点矩面宽样了点合的又了相系同时保了建筑观。40机加工三φ02图4球与球夹施工照片图15钢球与拉索连示意图φ2050030强螺栓机加工件二图16索节点与悬挂马道2桅杆上节点撑杆上端与桁架下弦矩形钢管相交处相连。由于下弦拉索沿两个方向布置，所以在施工过程中和使用状态下，当荷载变化时，撑杆有可能同时沿两个方向发生转动，因而要求撑杆上端与矩形钢管的连接节点具有双向转动能力。桅杆上端节点设计为万向球铰节点，具体构造如图17所示，主要由三个机加工件组成。图18是机加工件一的实体图，顶部为球面，下面平板连接桅杆上端，其中球面镀铬；机加工件三焊接于网架的下弦杆件上，其内凹球面与机加工件一的球面配合，满足空间转动要求；机加工件二的作用为固定机加工件一，桅杆一般受压，只有在桅杆受拉的特殊情况下机加工件二才起到固定作用。对节点进行局部承压计算，满足强度要求。在实际施工中，为了减小球面之间的摩擦力，在机加工件一和件三之间增加了一层很薄的聚四氟乙烯板。节点构造简单、安装很方便，转动灵活。加工件一桅杆φ1×2装配图机加工件二图7桅杆上端节点加工件三图18桅杆上节点实体图图9三类索端节点图0索端铸钢节点实物照片3ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期3.4.6盖结构索累积移的施过程现施结盖的特3.4.6盖结构索累积移的施过程现施结盖的特们沿短带同步滑工主程地分段→榀预索横同步累积移→分对称张钢索→定支座。结中态化的与态一整体是逐立，在构部杆件特发改因证盖结累施中全将工工为构的部其行了详细的计算分析，对某些杆件截面进行了调整。图21~图24为施工滑移示意图，图25为第一榀桁架大变形况。屋面钢结构202010100012 34 5 6 7 8 901123滑移步骤第一榀桁架最大竖向变形图25滑北紧预应力的1%在比馆和身馆盖结全部安装到位后，开始张拉预应力。预应力施加分2级，第一级施加80%，第二级施加20%。第一级由中称第由两对称张。张屋刚，减力对构部影，仅支定水向暂放松在阶能竖的座特理图预张毕各支座生应位此据际所位及构况结确定支固定就的合理置。采的在体框施成看构时提前个入安钢高滑移与现土板工立体作缩了工图、8施工实图。3.4.7屋盖结模型试介绍为了解本工程新型空间结构的受力性能，验证设计的正确性，为施工过程提供可靠依据，对比赛馆屋顶进行了1∶10的整体模型试验，试验模型如图29所示。主要试验研究内容如下：1）通过静力试验研究在不同荷载工况下屋顶结的变形应力性等。2）对结构基本动力特性进行试验，如自振频率基本振等。3）通过模型试验，研究不同的预应力钢索张拉方案的特点，根据试验结果确定安全、有轨道拼装平台轨道看台轨道图1施工滑移示意图图22滑移第二步杆件应力图23滑移倒数第二步杆件应力图24滑移过程结构竖向位移4ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期放松水平方向约束放松水平方向约束张拉阶段固定1×531×230吨1×37钢索预张力3吨1×37放松水平方向约束放松水平方向约束张拉阶段固定1×531×230吨1×37钢索预张力3吨1×370吨钢规格为1×370吨1×671×67743296045×95×75×35×71×671×671×370吨1×370吨1×375吨-×53吨钢索规为：1×671×671×53钢预张力为1吨放松水平方向约束1吨5吨8吨9吨1吨9吨0吨9吨9吨8吨8吨6吨图26屋盖结构张拉阶段支座固定情况图7现场搭设支撑胎架和屋架在中滑道滑移效、经的预应张拉方。4）进行结构极限承载力试验，研究双向张弦结坏找构环。5）通过模型试验模拟施工的支撑状态，验证预拉然方行。6）通过模型试验模拟预应力施工安装情况制程部工准供依据。7）研究更换钢索时双向张弦空间结构的特性及安性。图0~图2为试过程实。对国家体育馆屋盖双向张弦桁架结构进行1∶10缩尺模型试验研究，验证分析模型的正确性力、试果分结果吻试的特不预图8施工滑移中应方行均到论算结确际案了依。通试得构载出构的节证工力的载方行为工应施验收标提供依。结部行验研行杆的移、载力尺研钢高乙护性能试验、进行钢索与高密度聚乙烯护套材料（PE）粘结力试验、进行索夹与PE材料的摩擦试验点全图抗试，图3为拉力形曲线。5ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期各度量作很，中的为滑的道各度量作很，中的为滑的道轴以张拉为张拱脱滑，达到自然“载”。）屋盖构实测向位移计算比较果吻变一致，图37~39。3.4.9长期健监测（）长健康监目的和义育张格度为114144.5米建成后成为目前内外同类结构最双桁构缺相关果它用，本程的进利深究结在施及使受变，必要构健；京期，国馆着赛，上置永设可查构，而有证会进除运期间要任国育还要满能用将重念集会文体任因吊物重分、因。进永久测可在不的载作构力从证育能够长地为社服务。综上所述，在使用过程中对重要的结构杆件进期（定，要活强）必，屋结构于的中用根构件随整时相理使屋盖构始终于健康态。（）监方案）测点置国家体育馆屋盖为双向张弦结构，拉索和钢结构为主要受力构件，所以选取适当的测点对索力和钢结构应力进行安全监测，就显得尤为重要。测点布置主要遵循三个原则：第一，图29模型试验图30加载图1测索力图2监测、记录图3抗滑移试验图4拉力变形曲线3.4.8工现场测证结度构在过安证的状与设符各技可、证整构于态们结在施累过应拉铺屋盖材装过应形行了。助结受，实测与的算进验，找出相规律，累经验。1屋盖结竖向位实测图3以预拉后6ESTESSELY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》0年第期总第8期北8612111751064539214873180050508000080080050005080000图5钢屋架下弦竖向位移观测北8612111751064539214873180050508000080080050005080000图5钢屋架下弦竖向位移观测点布置3轴张拉前9轴张拉前6轴张拉后1轴张拉前1轴张拉前1轴张拉后2038.537.53620101000西跨度方向点位拉后测度较东13145678图6图73轴实测与计算竖向位移对比50000050500000505000178910111223456图391轴实测与计算竖向位移对比构。具体起来，索力测点和钢结构测点应尽可能放在同一榀张弦结构上，这样通过对几榀张弦结构比较系统的监测及局部分析，可以推测剩余各榀的受力情况，进而把握整个双向张弦结构的受力分布及变化趋势。布4：应点88个，索力监测仪器6个。索力监测仪器布置在图86轴实测与计算竖向位移对比测点布置首先要涵盖整个钢结构应力及索力出现最大值的位置。这些位置可以通过理论计算获得；第二，通过对整体结构应力最大值以外的地方布置测点，用以描述整个结构的受力分布及其变化趋势。通过这些测点，可以从宏观上把握结构的整体受力情况；第三，测点布置应该能够监测整体结构下的某一完整的子结7计算值 实测值计算值 实测值计算值 实测值PETESSTOY第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》年第2期总第期15、19、J和M轴索端，这些轴的钢索长度因安装压力传感器而增加，锚固端需要增加空间。图4、图4分别为5轴J轴测点置。用了大利亚15、19、J和M轴索端，这些轴的钢索长度因安装压力传感器而增加，锚固端需要增加空间。图4、图4分别为5轴J轴测点置。用了大利亚E系数采设。采，过机串口直接与615通讯端口接，在现场直接获得数据；一种为远程通过GPRS手机网络无线数据透传输获数据。门馆编系性定性测满求数采处。的够据形保可史查可接成他，有限警功能如图3。5-1-2 5-3-55-45-01-81-6595-7图05轴钢结构应力测点布置及其编号J-3-2-4-1-10-9J-6-7-5J-8图1轴钢结构应力测点布置及其编号2监测仪器①应力监测育测力测仪类锚力弦仪。均为美基康公生产的器。②变形监测在变结的宏观受力情况，因此需要对建筑物进行变形监测国馆结竖为监测重点。形方法传统仪另为式形测定据析模，第二种监测法时测的布置图4。图3永久健康监测界面通技自监据了数的。）监测间点设置的结的运，分数够出特情作映是运