2008年奧運會體育場結(jié)構(gòu)方案研究

2008年奧運會體育場結(jié)構(gòu)方案研究

1耦合功能的大型體驗建筑2008年，北京奧運會的主席職位和中國國家體育中心的“鳥巢”計劃在設計比賽中獲得了批準（見圖1）。它不僅被評估為世界古建筑的創(chuàng)造性重要性，而且被確定為一個重點推薦的實施計劃。中國國家體育中心將容納10萬名觀眾，并預計它將成為世界上最大的一個該國屋頂。開合屋蓋結(jié)構(gòu)(RetractableRoofStructure)是一種在很短時間內(nèi)部分或全部屋頂結(jié)構(gòu)可以開合移動的結(jié)構(gòu)形式,它使建筑物在屋頂開啟和關閉兩個狀態(tài)下都可以使用.據(jù)統(tǒng)計,從20世紀60年代至今世界上已建成200余座開合結(jié)構(gòu),主要用于游泳館、網(wǎng)球場等體育建筑.當今世界規(guī)模及跨度最大的開合結(jié)構(gòu)是跨度(直徑)222m的日本福岡體育館.該館于1993年3月建成,建筑面積72740m2,是1995年在福岡舉行的世界大學生運動會的主會場.屋蓋由三片網(wǎng)殼組成,最下一片固定,中間及上面兩片可沿著圓形軌移動,因此開合方式為回轉(zhuǎn)重疊式,全部開啟后可呈125°的扇形開口.國家主體育場的外觀如同樹枝織成的鳥巢,其灰色礦質(zhì)般的鋼網(wǎng)以透明的膜材料覆蓋,其中包含著一個土紅色的碗狀體育場看臺.設計的獨創(chuàng)性主要表現(xiàn)在:①外觀即結(jié)構(gòu),國家體育場由功能而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)與外觀的統(tǒng)一,與過分強調(diào)技術而忽視自身存在意義的建筑不同;②人群構(gòu)成建筑;③區(qū)別于通常的進入方式,在強調(diào)體育館領域感的同時,它取消了封閉的實墻,成為一個完全開放的體育場.鳥巢的外輪廓平面為340m×280m橢圓形,開合部分為140m×70m,屋面為雙曲拋物面.目前“桁架式鋼架”及“開合”部分的結(jié)構(gòu)方案尚在探討之中.針對這種情況,本著建筑、結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一的原則,作者在對開合結(jié)構(gòu)計方法和理論分析研究的基礎上,提出一些觀點并進行了理論計算,供設計單位參考.2組合結(jié)構(gòu)的技術特點2.1水平重疊方面的組合(1)水平移動方式,又可分為非軌道式和軌道式.非軌道式的特點是幾何尺寸、變形要求不高,結(jié)構(gòu)部分較好設計,但難以提供水平約束反力,走行機構(gòu)存在安全隱患.軌道式又分為鋼性軌道式和柔性軌道式.開合結(jié)構(gòu)無論是水平移動式還是空間移動式,其軌道通常應在開口的兩側(cè)建立,此種活動方式可提供水平約束反力,適合于平面為方形、矩形或近似于矩形的帶狀場地.(2)重疊方式,又可細分為水平重疊、上下重疊、回轉(zhuǎn)重疊和水平回轉(zhuǎn)移動重疊.重疊方式開合結(jié)構(gòu)的軌道在開口一側(cè),沿著弧形建立軌道.其上的結(jié)構(gòu)應設置轉(zhuǎn)向架,以保證輪子沿軌道平順地滾動,適合于平面為圓形、橢圓形或近似橢圓的場地.(3)折疊方式,又可細分為水平折疊、回轉(zhuǎn)折疊和上下折疊.折疊式開合結(jié)構(gòu)適合的場地類型較為靈活.不僅可以是矩形,園形,甚至可以是不規(guī)則形狀,因為折疊式的開合方式,褶皺大小可以變化,故易組成不同形狀,但折疊處不易處理,處理不當會產(chǎn)生裂縫,漏雨,直接影響結(jié)構(gòu)壽命.(4)混合方式,是上述3種開合方式的組合,形式靈活但機構(gòu)復雜.(5)開合結(jié)構(gòu)選型的原則.開合方式簡單、易于實現(xiàn);結(jié)構(gòu)形式安全可靠、變形小;機械傳動簡單可靠;電器控制易于實現(xiàn)、可靠度高,控制精確,檢修方便;外形美觀,使用方便,功能性好;滿足各項使用功能及業(yè)主要求.2.2移動屋蓋驅(qū)動方式的選擇開合屋蓋結(jié)構(gòu)中驅(qū)動行走機構(gòu)均是在吊車機械技術或是在改進的吊車機械驅(qū)動技術基礎上發(fā)展起來的.與之不同的是,移動屋蓋并不總是沿著直線運動的,在許多情況下,移動屋蓋沿著某一規(guī)則(平面或空間)曲線移動,而且行走機構(gòu)所受的外荷載類型多,作用方式復雜,所以,移動屋蓋的驅(qū)動和行走機構(gòu)比普通吊車機械技術要復雜的多.驅(qū)動方法可分為輪驅(qū)動、鋼纜繩牽引、齒條和齒輪及千斤頂驅(qū)動方式共4種.統(tǒng)計結(jié)果表明,采用輪驅(qū)動和鋼纜繩牽引方式的建筑占絕大多數(shù).2.3接合屋蓋荷載作用行走機構(gòu)的作用是使移動屋蓋沿著規(guī)定的方向移動,并把移動屋蓋的荷載傳遞到下部支撐結(jié)構(gòu)上.行走機構(gòu)的受力是由開合屋蓋的受力特點決定的,行走機構(gòu)受恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、地震荷載、溫度荷載、啟動剎車慣性力、行走振動荷載、不均勻沉降等不利荷載組合.除啟動剎車慣性力是沿著行走方向外,其余荷載作用一般都與行走方向垂直或成一定的角度.與固定式屋蓋相比開合屋蓋在技術上有很多特殊的問題必須慎重對待,如在結(jié)構(gòu)形狀不斷改變的條件下,設計荷載尤其是風荷載以及結(jié)構(gòu)運動產(chǎn)生的沖擊效應;屋蓋走行部及軌道設計;屋蓋運行故障檢測及排除措施;屋蓋的監(jiān)控與安全保障系統(tǒng)設置等.在已建成的開合結(jié)構(gòu)中不乏打開合不上、合上開不了的例子,更有一些開合結(jié)構(gòu)因開合功能故障最終不得不改為固定屋蓋.說明開合結(jié)構(gòu)確實是一種技術性很強的結(jié)構(gòu)形式,對設計和施工都有很高的要求.3《鳥巢》啟動部分結(jié)構(gòu)設計3.1剛性軌道式此工程為我國第一個開合結(jié)構(gòu),技術不夠成熟,綜合考慮各方面因素及“鳥巢”開合部分的平面形狀,作者認為,采用剛性或柔性軌道移動開合方式(見圖2)較為合適.如果采用剛性軌道,對大跨度產(chǎn)生的絕對和相對撓度、變形要求非常嚴格.如果采用柔性軌道走行機構(gòu),即纜索沿索道支座行走帶動屋面,對移動纜索的軌道坡度要求較低,一般結(jié)構(gòu)剛度均可滿足.無論是剛性軌道式還是柔性軌道式都有一些國外工程可借鑒.這兩種方案均采用剛性屋蓋.驅(qū)動方式可分別采用輪驅(qū)動和鋼纜繩牽引方式,從驅(qū)動機械的繁簡程度來看,鋼纜繩驅(qū)動方式要簡單一些.這里僅討論剛性軌道移動開合方式.3.2剛性軌方案的初步設計(1)軌道梁的變形控制根據(jù)鳥巢方案的建筑效果,屋蓋開合結(jié)構(gòu)采用剛性軌道水平移動方式.對于剛性軌道,如果跨度100m,若將變形控制在1/10000,也將產(chǎn)生10mm的變形,這是軌道運輸不能允許的.為控制變形提高剛度可采用我國自行研制開發(fā)的索托結(jié)構(gòu),用索托結(jié)構(gòu)托住兩根長280m的鋼結(jié)構(gòu)軌道梁,在軌道梁上架設可開合的兩片75m×70m的正交正放平板網(wǎng)架.荷載的傳遞路線為:外荷載→網(wǎng)架→輪軌(支座)→軌道梁→索→主結(jié)構(gòu).(2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)驗算①模型建立(如圖3所示).短邊跨度L=70m,網(wǎng)格尺寸a=1/14L=5m,網(wǎng)格數(shù)n=14×15,網(wǎng)架高度h=5m,跨高比L/h=14.②材料與荷載.鋼材型號Q345,外荷載初步估算為1000N/m2.③結(jié)構(gòu)計算.采用分析程序ANSYS,經(jīng)過強度、剛度、穩(wěn)定性驗算,算得桿件最大應力為263MPa,最小應力為-244MPa(見圖4).這樣單片網(wǎng)架重量為105701.7kg,用鋼量為20.134kg/m2.(3)設置梁的高度模型建立如圖5所示.由3根索托住兩根鋼軌道梁,為提高梁的剛度和穩(wěn)定性在梁之間設置3根壓桿,索與梁的接觸為點—點接觸單元.設計中取索的傾斜角角平分線上設關鍵點,設置梁過此關鍵點.索固定于主結(jié)構(gòu)外環(huán)雙曲面最高點,與網(wǎng)架高差15m.材料選鋼梁、鋼桿為Q345,彈性模量E=2.1×1011Pa,索破斷強度為1860MPa,索的彈性模量Es=1.85×1011Pa.梁采用工字鋼,根據(jù)受力情況,選擇梁高1000mm;梁計算高度940mm、腹板厚度20mm;翼緣寬550mm,翼緣厚30mm,截面抵抗矩19710×10-6m3.計算結(jié)果,梁的最大彎矩為1.29×107Nm,最小彎矩為-6.9×106Nm(如圖6).4主高爾夫球場合作結(jié)構(gòu)采用索托結(jié)構(gòu)方案的難點對主體育場開合部分所做的方案分析和初設計結(jié)果表明:(1)開合結(jié)構(gòu)采用剛性軌道方案,網(wǎng)架用鋼量僅為20kg/m2,顯示出索托結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性.受力最大桿在上下弦中部,受力最小桿為中部腹桿,符合梁板體系的力學規(guī)律.(2)從軌道梁彎矩圖可以看出,梁中部彎矩最大且內(nèi)側(cè)受拉.該位置是截面設計的重點.(3)索托結(jié)構(gòu)計算難點是接觸非線性理論.3根索中,中間索受力最大,因此該索截面應大于其它兩根索,這是由于軌道梁內(nèi)力分布引起的.(4)計算分析表明,主體育場開合部分采用此種結(jié)構(gòu)方案是可以實現(xiàn)的,而且經(jīng)濟性比較好.索托結(jié)構(gòu)與開合結(jié)構(gòu)結(jié)合起來應用是很有前途的,它的深化設計及理論分析還有很多工作要做.對一個開合結(jié)構(gòu)工程的評價是多方面的,應依據(jù)具體結(jié)構(gòu)的功能及規(guī)模等進行綜合評價.整體方案要遵從可行、安全、經(jīng)濟的原則.我國政府將把這界奧運會辦成科技奧運,而奧運場館本身就是在展示國家建筑科