奥运场馆施工关键技术应用与场馆建设观摩交流研讨会.doc

“奥运场馆施工关键技术应用与场馆建设观摩交流研讨会”

资料汇编

中国建筑业协会
中国建筑设计研究院人才培训中心

二○○六年十二月 北京

国家体育场大跨度结构设计中的关键技术

摘 要： 国家体育场是北京2008年北京奥运会的主体育场，承担第29届奥运会开、闭幕式与田径比赛，其大跨度“鸟巢”的结构设计与优化工作受到广泛关注。由于国家体育场大跨度结构特殊的重要性与巨大的复杂性，在设计中采用大量的新技术、新材料、新工艺，进行了许多技术创新，在保证结构安全性与耐久性的同时，对结构体系、构件与节点构造等进行了卓有成效的优化，取得了良好的综合技术经济效果。本文对在设计中采用的关键技术进行简要介绍。
关键词： 大跨度结构；薄壁箱形构件；复杂节点；高强钢材；设计与优化；计算长度；稳定性；风振系数；温度场；罕遇地震；火灾危险性；舒适性；施工模拟；试验研究；安全监测；预应力技术

Key Techniques of Large-span Structure Design for National Stadium Beijing
Fan Zhong

（China Architecture Design & Research Institute, Beijing 100044）

Abstract: As the main venue for Beijing 2008 Olympic Games, the National Stadium will host the Games’ opening and closing ceremony as well as track and field events. Its large-span "bird's nest" structure design and optimization has attracted wide attention. Due to the particular significance and complexity of the large-span structure for National Stadium, many new techniques, new materials and new processes are being employed in the design and plenty of technical innovations are being made. While ensuring safety and durability of the structure, effective measures are taken to optimize the structural system, the elements and the connection details, achieving combined technical and economic result. This paper gave a brief introduction of the key techniques employed in the design.

Key words: large-span structure, thin-wall box sections, complicated connections, high-strength steel, design and optimization, effective length, stability, coefficient of wind induced vibration, temperature field, rare earthquakes, fire risk, comfortability, construction simulation, test and research, safety monitoring, pre-stressed

1 引言
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2008年北京第29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，长轴为332.3m，短轴为296.4m，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m，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25.8万m2。建筑的设计使用年限为100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。瑞士赫尔佐格德梅隆设计公司、中国建筑设计研究院与奥雅纳工程顾问公司组成的设计联合体承担国家体育场设计工作。
国家体育场结构基础采用后压浆钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，持力层承载力为卵石、圆砾层。桩径为800mm与1000mm两种，桩长31～36m，单桩承载力单桩承载力7200～10900kN，承台高度4.0～6.0mm，最大沉降量约为30mm。国家体育场大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。大跨度屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。大跨度屋盖结构采用交叉平面桁架体系，由于主桁架与内环相切，其中一些主桁架在平面外微弯，24根桁架柱与主桁架+立面次结构共同形成抗侧力体系。由于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。
国家体育场大跨度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、加工制作及安装的复杂性前所未有，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。国家体育场大跨度结构如图1所示。

(a)“鸟巢”夜景
(b)主结构布置
图1 国家体育场大跨度结构
国家体育场的修改初步设计工作已于2004年11月22日通过了北京市“2008”工程建设指挥部办公室主持召开的初步设计审查会。原初步设计中钢结构部分以奥雅纳为主，中国建筑设计研究院作为协助方。在修改初步设计中，中国建筑设计研究院负责结构建模、主要计算分析、初步设计报告编制及全部初步设计图纸。国家体育场钢结构施工图设计于2005年4月30日完成，由中国建筑设计研究院独立完成设计工作，并通过了北京市建筑设计研究院的施工图审查。在国家体育场大跨度结构初步设计与其后的施工图设计中，大量采用新技术、新材料、新工艺，进行了许多技术创新，其中的主要关键技术如下：
（1）在国内建筑行业首次采用CATIA软件，成功的解决了复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点的建模问题；
（2）大量采用国产高强、高性能钢材；
（3）首次提出下风振系数的概念与计算方法，采用时域法与频域法计算风振系数；
（4）在ANSYS软件平台上开发了大跨度结构设计与优化功能；
（5）采用动力弹塑性法与静力弹塑性法进行罕遇地震分析；

（6）大跨度结构火灾危险性分析；
（7）提出合理确定方管桁架构件计算长度方法；
（8）结构整体稳定性分析；
（9）提出大跨度结构温度场计算的方法，合理确定钢结构在太阳辐射作用下的温升值与合拢温度；
（10）大跨度结构建造过程模拟计算；
（11）提出焊接薄壁箱形构件的设计方法并运用于屋盖主结构与次结构构件设计；
（12）加肋焊接薄壁箱形构件应用研究；
（13）提出空间扭曲构件设计方法，完成扭曲构件单向拉伸、纯弯与柱顶桁架试验研究；
（14）提出扭曲构件的空间坐标表示法并用于施工图设计；
（15）提出箱形截面桁架单K节点与双弦杆双K节点的设计方法，完成主桁架节点有限元分析与试验研究；
（16）提出桁架柱复杂节点的设计方法，完成桁架柱节点有限元分析与试验研究；
（17）首次采用大型多面体铸钢节点；
（18）建立异型柱脚成套设计方法，完成柱脚锚固性能试验研究；
（19）通过局部模型分析，对立面大楼梯舒适性与人流拥塞时的安全性进行研究；
（20）提出重钢结构长效防腐的底漆、面漆太阳反射吸收系数等性能指标；
（21）施工过程结构安全监测研究；
（22）屋盖结构采用预应力技术可行性研究。
2 首次采用CATIA软件解决复杂空间结构建模问题
国家体育场屋盖结构造型主要从体育场的规模、对观众席防雨遮盖的效果、满足观众席视线要求和建筑美学的角度出发，几何构型方法新颖独特，建筑与结构高度一致，存在大量空间扭曲构件。在设计中采用了航空、汽车制造工业得到应用的三维建模CATIA软件，以解决复杂建筑的空间建模问题。
国家体育场屋盖结构坐标原点位于体育场中心，椭圆的长轴与短轴分别为313m和266m，屋盖内环开洞的轮廓由2段椭圆弧与2段圆弧构成。椭圆的长轴和短轴分别为190.344m与124.103m。从平面椭圆的24个等分点做直线与屋盖内环相切，得到48榀交叉布置主结构的平面定位轴线。
顶面次结构与立面次结构均位于屋盖结构的外表面。屋盖次结构的布置尽量做到疏密均匀，形成“鸟巢”的建筑美学效果。
CATIA软件功能强大，对使用的要求很高，建模工作由建筑师与结构工程师共同完成。这是CATIA软件首次在我国建筑工程中应用成功地解决了复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点建模问题。
3 采用国产优质高强、高性能钢板

在国家体育场结构设计中，为了有效地控制成本，缩短订货周期，全部采用国产钢材。对于厚钢板选用了国产Q345GJ钢材。YB4104-2000是在非等效采用日本JISG3136-1994标准的基础上，结合国内情况制定的高层建筑钢结构用钢板的行业标准。与国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）中的Q345相比，其磷、硫含量明显降低。在YB4101-2000中还明确规定钢材的屈强比不大于0.8，纵向冲击功有所提高，完全能够满足《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）对钢材强屈比、伸长率及冷弯性能等相关性能要求，具有较好的机械性能与焊接性能。根据YB4104-2000生产的Q345GJ（Z）钢材，中厚板的屈服强度明显提高，对于50～100mm厚板，屈服强度为325MPa，仅降低6％，可以取得明显的经济效益。由于Q345GJ钢材的板厚效应小，可以有效减少结构的用钢量，改善结构的安全性，有效地发挥了国产新型钢种的技术优势，对于控制用钢量起到了很好的作用。
在桁架柱内柱受力最大的部位采用了高强度的Q460钢材，最大厚度达110mm。此时要求钢材的抗拉强度与屈服强度的比值不应小于1.2，伸长率大于20％，–40℃时的冲击韧性不低于34J，板厚方向截面收缩率不小于Z35。同时，严格控制碳当量，经过严格的焊接工艺评定，使其具有良好的可焊性。这是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板，钢板的性能要求均大大超过现有国内外相关技术标准的范围。本工程采用的Q460钢材由邯钢集团舞阳钢铁有限责任公司专门进行研制生产。
4 首次提出下风振系数计算方法
国家体育场钢结构屋盖的风荷载以向上吸为主，个别板块存在向下压的情况。根据大跨度屋盖结构的特性，按照最大上吸力、最大下压力和半跨荷载差值最大的原则确定最不利风向角，保证结构安全。对自重效应显著的大跨度结构，下压风荷载效应起主要控制作用，在现行的规范《建筑结构荷载规范》（GB500009-2001）中未做出相关规定。在设计中首次提出并采用下风振系数的概念，采用时域法与频域法计算风振系数。虽然风荷载对国家体育场钢屋盖结构所产生的效应较小，但对于个别构件仍可能起控制作用，在设计中仍需考虑风荷载效应的影响。
5 在ANSYS软件平台上开发大跨度结构设计与优化功能
ANSYS是国际通用的大型有限元分析软件，其应用范围涵盖了结构几何非线性计算、材料非线性计算、结构稳定分析、模态分析、动力时程分析、谱分析等很多功能，软件包带有丰富的单元库，为结构分析提供了有利的工具。近年来国内外许多有影响的大型公共建筑结构在设计中都曾经采用ANSYS软件进行过结构分析。同时由于ANSYS软件本身的权威性，其计算成果有利于得到各方的认同，便于国际交流合作。但是在使用ANSYS软件的过程中也存在一些问题：ANSYS属于通用的结构分析软件，虽然该软件的分析功能很强，但尚不具备根据国内相关设计规范进行构件设计的功能，缺乏对大跨度结构的构件截面进行优化的功能，不利于在设计人员中推广应用。因此，根据大跨度结构设计工作的需要，开发ANSYS软件设计与优化功能模块，使之适合大跨度结构设计与优化，具有重大实际意义。

结合国家体育场工程，在ANSYS软件平台上开发了大跨度结构设计与优化功能，满足复杂大跨度结构设计需求。主要针对空间结构的特点，将与大跨度结构设计的相关设计规范条文引入ANSYS软件，利用ANSYS软件的UIDL语言与Visual Basic、 Tcl/tk等开发工具，开发了大跨度结构设计与优化功能模块，可以与ANSYS软件原有功能配合使用，实现了大跨度结构计算分析与设计技术的一体化，填补了国内空白。该成果已应用于国家体育场大跨度钢结构设计，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。
6 大跨度结构罕遇地震分析
在设计中编制了由地震波转化为反应谱的程序，为准确选择地震波提供了有效的工具，并开发了人工合成地震动程序，可以根据不同场地类型生成与地震动特性相吻合的人工波，用于大跨度结构的动力时程分析。
国家体育场大跨度结构第一振型为竖向振型，振型非常密集，为满足振型参与总质量达到90%的要求，需选用前100阶振型，并采用CQC法进行振型分析反应谱法计算。对Z方向地震情况，采用结构重力荷载代表值的15%作为地震作用，保证结构在竖向地震作用下的安全性。运用反应谱法和时程分析两种分析方法对国家体育场钢屋盖的在X向、Y向、竖向地震作用下进行了分析。
根据主结构与次结构重要性的不同，确定其在不同抗震设防水准下的性能指标，对于保证结构的安全性与控制技术经济指标具有重大的意义。根据FEMA356规定，确定了结构构件恢复力模型的控制参数。对国家体育场大跨度结构进行了从施工全过程分析至罕遇地震作用的全过程分析，找出结构的薄弱部位。对出现塑铰的位置，根据具体情况予以适当加强，满足“大震不倒”目标要求。迄今为止，Pushover方法主要应用于高层建筑抗震分析，在本工程中将其推广应用于大跨度空间结构。对大跨度结构在水平、竖向及斜向地震作用下的静力弹塑性特性进行了开创性研究，分析了各种地震作用分布/振型分布对塑性铰分布的影响。计算结果表明，Pushover方法对于大跨度结构罕遇地震分析是一种实用的方法，可以在相当程度上反映结构的实际抗震性能。
7 大跨度结构火灾危险性分析
由于在设计过程中国内对钢结构防火的计算方法尚无相应的规范，因此钢结构防火设计参照了英国钢结构规范BS 5950。钢构件耐火设计采用“极限温度法”，极限温度取决于载荷比、构件内的温度梯度、截面应力、横截面的尺寸。
国家体育场具有高大的空间，钢结构外罩的屋顶采用膜结构。火灾对结构的可能威胁主要来自看台区域的座椅，并且对靠近高层看台部分钢结构屋盖下弦有直接的影响。根据消防设计分析评估报告，此部分构件的温度可能达到200℃。根据钢材的强度和弹性模量与温度的关系曲线，当钢材的温度在200℃以内时，钢材的强度和弹性模量同常温时相比变化不大。

在设计中根据消防性能化设计报告确定的火灾规模，确定火灾情况下钢结构局部区域的温度荷载；将局部火灾温升作为温度荷载，利用ANSYS软件对结构进行有限元分析，计算构件和结构在火灾中的结构性能，通过分析可以获得在防火时或构件不受保护时结构的实际温度，采用极限温度法对构件和结构的安全性进行评估。分析结果显示，构件应力比在火灾工况下会稍有增加，但增加的幅度处在安全的范围以内。
8 方管桁架构件计算长度研究
《钢结构设计规范》对管桁架结构的计算长度没有专门的规定，通常参照对一般平面桁架结构计算长度的规定。由于方管桁架的节点刚度较大，对杆件变形的约束作用明显，合理确定杆件的计算长度，可以取得一定的经济效果。对于管桁架的受压弦杆，面内计算长度可以取构件的节间长度。考虑到受拉弦杆和腹杆的抗弯及抗扭效果，对管桁架受压弦杆平面外的位移形成约束作用，而且受压弦杆本身也具有一定的抗弯和抗扭能力，故对其在平面外的计算长度可以适当折减。HSS Design Guide中规定管桁架受压弦杆面内外的计算长度均可以取构件的节间长度的0.9倍。在设计中，主桁架受压弦杆在面内、面外的计算长度系数均取1.0，偏于保守。
桁架腹杆面外的计算长度与连接节点形式有很大关系，当采用管桁架时，腹杆四周焊缝与弦杆连为一体，这与节点板连接时平面外刚度很小有明显区别。考虑到杆端焊缝的约束作用，腹杆的计算长度系数可以折减。HSS Design Guide规定管桁架受压腹杆在面内外的计算长度均可以取构件长度的0.75倍。在本次初步设计中，腹杆在面内的计算长度系数取0.8，面外的计算长度系数则参照日本管结构设计指针取0.9。
屋面次结构在主桁架形成的菱形网格中呈不规则交叉布置，构件以受弯为主。立面次结构在外柱之间呈不规则交叉布置，直接作用于立面次结构的荷载较小。在原初步设计中，将主结构作为次结构的支承点，次结构面外计算长度直接取用主结构支承点之间的距离，计算长度很大，当杆件受压时材料利用率很低。由于次结构呈网状交叉布置，受力形态类似于单层网壳结构。为了确定次结构构件的计算长度，直接采用整体计算模型进行非线性分析，计算时分别考虑了竖向荷载和水平地震作用。根据受压构件达到极限承载力，按欧拉公式确定其计算长度系数。
对于屋面与立面的次结构构件，由于次结构的截面尺寸较大，在竖向荷载与水平方向地震作用下的荷载因子均较大，构件的稳定承载力高于构件截面能够提供的材料屈服承载力，应力比均超过1.0，说明次构件为强度控制。考虑次结构初始缺陷后分析的结果表明，次结构的稳定承载力对初始缺陷不敏感。根据非线性分析结果，结合次结构的特点，并参照《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003），次结构面外计算长度系数均取1.6，且顶面次结构面外计算长度不超过其延长线与两相邻主桁架交点之间的距离。
9 结构整体稳定性分析

为了分析结构的整体稳定性，对整体计算模型进行了荷载－位移全过程几何非线性分析。假定在整个过程中结构始终处于弹性状态。为了考虑全面起见，计算时分别考虑了满布竖向荷载和半跨荷载作用时的影响。
在进行结构的全过程分析时考虑了安装偏差造成的初始缺陷对整体稳定性的影响，采用结构的一阶屈曲模态作为初始缺陷分布，其最大值为屋盖结构跨度的1/300。上述分析过程中求得的第一个临界点的荷载值可以作为整体结构的稳定极限承载力。将整体结构的稳定极限承载力与结构重力效应的标准值相比，可以得到结构的稳定系数K。
在满跨竖向荷载作用下,屋盖结构在内环桁架中部变形量最大,竖向变形随着向外逐渐减小,在靠近周边柱顶的位置竖向位移较小。主桁架内环首先出现内陷，逐步向周边扩展。从荷载－竖向位移曲线可以看出，结构的荷载－位移曲线呈极值型，在达到极限承载力时，荷载因子远大于5.0。需要指出的是，上述结果是在材料始终保持弹性假定的条件下得到的，整体结构实际上为强度极限状态控制。考虑初始缺陷影响后达到极限承载力时的荷载因子变化不大，说明结构对初始缺陷不敏感。在半跨荷载作用下,荷载因子均大于相关规范的要求。
10 提出大跨度结构温度场计算方法
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。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。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将引起很大的内力和变形。太阳辐射照度引起结构温升的计算方法在相关设计规范中没有明确规定，可以参考的经验较少。
国家体育场平面呈椭圆形，太阳辐射照度变化很大。由于国家体育场钢结构暴露于室外，主要部分均无防火涂料，防腐涂层的保温隔热作用很小。在太阳辐射引起温升的影响因素中，围护结构外表面的太阳辐射吸收系数影响很大。在钢结构表面应选择太阳辐射吸收系数小、红外线反射能力强的浅颜色防锈涂层，有效控制面漆红外线反射率，尽量降低太阳辐射吸收系数。结构外表面的太阳辐射热吸收系数随面层材料的不同变化幅度很大，选取面层材料时将考虑使用低吸收系数之材料。由于屋架总高度达13.2m，上、下弦膜材之间的空间由于膜材的隔离效应，将导致屋架内部的温度明显高于室外气温。
通过对大跨度结构温度场的分析，确定了屋盖在使用期间最大的正负温差，合理确定了屋盖的合拢温度，保证了结构的安全性与受力的合理性。
11 大跨度结构建造过程模拟计算
安装顺序对大跨度结构受力状态影响很大。在安装过程中，如果屋顶次结构与主结构同时安装，次结构构件的内力将会明显增大，导致次结构构件截面壁厚增大，结构总用钢量增加；主、次结构之间区别不明显，地震作用效应增大，难以按指定的顺序出现塑性铰，形成良好的抗震体系。另外，合理布置临时支撑塔架的位置与数量，对主结构构件在安装过程中可能出现的应力状态有较大影响。故此，对国家体育场大跨度钢结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析。
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。根据总工期的要求，大部分看台混凝土结构先行施工，屋盖钢结构部分随后进行施工。协调钢结构安装与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土看台部分连续施工、钢结构的顺利安装具有重大的意义。由于采用整体提升方案时混凝土部分不能先期施工，故在总体工期上受到限制，滑移受到场地的限制等因素，故确定采用散装法施工，在屋盖主桁架交叉点的位置设立78个临时支撑塔架。
(a)平面布置

(b)支撑塔架透视图
图2 屋盖结构临时支撑塔架
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。故此，有必要对国家体育场大跨度钢结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析。
在大跨度结构设计中，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。在建立结构整体分析模型时，包括全部结构的节点和单元。将整个施工过程分为若干个主要阶段，进行第n阶段结构受力分析时，将在其后阶段安装的单元指定为 “死”单元，这些 “死” 单元没有刚度和自重。在进行n+1阶段施工的受力分析时，在该阶段施工安装的“死” 单元被激活，恢复应有的刚度和自重效应。被 “激活” 的单元建立在结构变形后的几何构型上，在第n阶段被“激活”构件的重力荷载作用产生的内力与位移和以前各阶段重力荷载产生的内力与位移相叠加。在其后阶段施工安装的单元仍然保持为“死”单元。重复上述过程，从而可以模拟在整个施工过程中结构构件内力与变形的发展过程。
分别考虑同时安装主结构与顶面次结构和临时支撑塔架卸载后安装次结构时，从总上来说对桁架柱、主桁架、立面次结构用钢量影响较小，但采用临时支撑塔架卸载后安装顶面次结构方案时桁架柱内柱和主桁架下弦用钢量明显降低。安装顺序对顶面次结构和转角区次结构的用钢量影响较大，当采用临时支撑塔架卸载后安装次结构顺序时，顶面次结构与转角区次结构用钢量明显降低。这主要是由于次结构不承担主桁架在临时支撑塔架卸荷过程中承受的结构整体重力荷载效应，顶面次结构的内力显著减小。与此相应，次结构自重减轻，也给整体结构的带来有利影响，主结构与次结构层次分明，结构抗震性能得到改善。

12 焊接薄壁箱形构件设计方法研究
为了有效地减小用钢量，在焊接箱形截面构件设计时应尽量采用较小的壁厚。薄壁箱形构件板件的宽厚比较大，在受压时板件容易发生局部失稳。在进行设计时，可以利用板件的屈曲后强度，先确定板件的有效宽度，在根据有效截面计算构件的承载力，但各国规范对有效宽度取值的规定差别很大。根据国内外现行钢结构设计规范进行薄壁焊接箱形构件设计时，主要存在如下两个问题。一是只考虑箱形构件在轴心受压、纯弯及压弯时有效宽度的计算方法，没有考虑拉弯构件中受压翼缘可能出现的局部屈曲；当箱形构件腹板的高厚比较大时，拉弯构件与纯弯构件中的腹板在受压区也可能发生局部屈曲，而在《钢结构设计规范》（GB50017－2003）中没有给出相应的有效宽度确定方法。二是在实际结构中构件的受力状态非常复杂，构件一般处于双轴受弯状态，而目前国内外钢结构规范对于如何确定双轴受弯薄壁箱形构件截面有效宽度均未作出具体规定。
在板件应力状态的基础上，提出焊接薄壁箱形构件有效截面的计算方法，考虑了受压较小板件应力值较低对有效宽度的有利影响与有效截面偏移量的影响，并给出构件在拉、压、双弯、双剪、扭作用下的设计公式，该成果已经应用于国家体育场大跨度结构设计。
图3 双向受弯薄壁箱形截面构件应力状态与有效截面示意
13 加肋焊接薄壁箱形构件应用研究
在国家体育场屋面次结构的外形尺寸为□1000×1000，立面次结构为□1200×1200。在修改初步设计中，考虑了在箱型构件内部设置横向和纵向加劲肋的方法。由于设置纵向加劲肋可以使板件的宽厚比减小，使板件的局部稳定性大大改善，从而增加了截面的有效宽度，使得材料利用率大大提高。在船舶结构与桥梁工程中的一些大型箱式构件经常采用设置内部加劲肋的做法，但目前在房屋建筑工程中还很少应用。

在设置纵向加劲肋时主要考虑提高纵向加劲肋的有效性，采用惯性矩较大的L形、T形截面形式，通过合理调整纵向与横向加劲肋的数量与间距，提高材料的利用率，同时保证施工时人员可以在箱形构件内部通行。
为了考察加肋薄壁箱形构件的抗震性能，对其在轴心受压情况进行了非线性有限元分析。在计算模型中采用构件的一阶整体失稳模态模拟初始缺陷，假定构件的横向初始变形量最大值为杆长的1/1000。无加劲肋构件在轴向荷载作用下，四面壁板很快出现局部曲屈变形，局部变形呈并列的波形，越靠近构件的中部，变形量越大，表现出较强的非线性特征。当达到临界荷载时，在构件中部的局部变形急剧增大，出现明显的皱褶，形成局部的塑性区，承载力突然下降。在超过承载力峰值以后，构件的承载力下降较为平缓，还可以维持较高的承载力水平，表现出较好的延性。带有纵向加劲肋的构件在轴向荷载作用下的局部变形减小，构件在达到临界荷载前接近于理想线弹性，承载力明显提高。当达到临界荷载时，承载力突然下降的幅度较大，局部塑性变形区域主要集中在构件中部。在超过临界荷载以后，虽然还可以维持一定的承载力，但承载力下降较快，延性较差。
设置加劲肋对于延迟薄壁箱形构件发生局部屈曲、提高构件承载力、减小用钢量具有很大的作用。设置加劲肋后，薄壁箱形构件轴心受压承载力提高，在达到极限承载力后还可以维持一定的承载能力，但延性有所减弱。综合考虑了无加劲肋与有加劲肋方案的优缺点后，在实际工程中采用了无纵向加劲肋焊接薄壁箱形构件。

图4 加肋薄壁箱形构件的轴向力－轴向变形曲线
14 扭曲构件设计方法研究
国家体育场屋盖肩部次结构扭曲构件以受弯为主，构件壁厚很薄，板件容易发生局部曲屈,受力性能非常复杂，受力性能与普通箱形构件存在很大差异，翼缘在弯矩作用下应力分布很不均匀，面外变形显著。在相同弯矩作用下，上翼缘受拉与下翼缘受拉时的应力与变形存在一定的差异。在设计中经过大量的计算分析、试验研究与加工工艺研讨,对扭曲构件受力机理与设计方法进行了深入地研究，提出设置内部加劲肋的方式提高箱形扭曲构件的抗弯刚度，减小板件的面外变形，使翼缘的应力分布逐渐趋于均匀，应力峰值降低。通过调整板件厚度、加劲肋间距等措施，使实体模型与杆件模型达到强度相等与刚度相等；在确定加劲肋形状时综合考虑焊接操作空间、节约材料等因素。由于扭曲构件在建筑工程中的应用尚属首次，国内外目前均无相关的技术规程，在设计过程中对其受力机理与设计方法进行了深入地研究，除了进行大量有限元计算分析外，还在清华大学结构工程实验室进行了2个为了验证扭曲构件设计的可靠性，在清华大学结构工程实验室进行了扭曲构件缩尺模型试验，其中包括2个单向拉伸试件、4个受弯试件和1个桁架柱顶局部扭曲构件抗拉试验，验证了设计方法的可靠性。

(a) 实体模型加劲肋
(b) Mises应力 (MPa)
图5 有限元分析模型
15 扭曲构件空间坐标表示法研究
国家体育场屋盖结构立面和肩部构件随着屋盖表面曲率的变化而弯曲、扭转，从而保证了立面箱形构件的光滑平顺。由于空间扭曲构件在建筑工程中尚无应用，传统的制图方式无法描述其几何定位，因此必须寻求一种能够精确表达空间扭曲构件几何定位的图纸表示方法，以满足钢结构加工详图设计、构件加工制作及现场安装定位的需求。
针对国家体育场屋盖结构的几何构型，提出一种适合于复杂空间扭曲构件的节点坐标表示法，根据精度要求选取构件棱线上的特征点、端点或与其它构件的交点，采用三次B样条曲线拟合空间扭曲构件的棱线，以获得空间扭曲构件连续光滑的轮廓线，并给出了坐标法误差控制原则、控制点间距计算方法、曲率变化处的处理方法等，对样条曲线逼近精度与误差控制进行分析。
扭曲构件的空间坐标表示法与传统的图纸表达方式保持一致，满足了钢结构详图设计、现场安装定位和检验的需求。
16 箱形截面桁架节点设计方法研究
在进行管桁架设计时，节点的承载力通常低于杆件的承载力。在国家体育场大跨度屋盖结构中，由于焊接箱形构件截面尺寸较大，有条件设置内部加劲肋。在国家体育场焊接方管桁架节点设计中，遵循“节点与构件构件等强”的原则，充分发挥构件材料的强度，确保节点不先于构件破坏，构造简单、传力直接，保证其在各种荷载作用下的安全性，同时，加工制作相对容易。
由于大尺寸方管桁架节点构造复杂，加工制作难度大，在国内外均无先例，其设计方法在国内外钢结构设计规范中均无相应的规定，对其受力性能需要进行专门的计算分析与试验研究。在国家体育场屋盖结构设计中，合理解决大尺寸管桁架节点的设计问题，是保证结构安全性、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键问题之一。
在国家体育场大跨度钢结构设计中，提出了大尺寸焊接薄壁箱形截面桁架单K节点、双弦杆双K节点的几何构型方法，该方法可用于弦杆分段折线、弦杆与腹杆不共面等多种情况，适用范围较大。通过调整板件的角度，改善其传力的合理性。采用调整板厚、设置加劲肋等方法，在保证节点的经济性的前提下，提高节点承载力，实现了“等强节点”的设计理念。此外，在同济大学进行了两个单K与两个双弦杆双K节点的缩尺模型试验。试验结果表明，设计中采用的节点具有较大的安全储备。

(a)节点几何构型

(b)节点Mises应力
图6 大尺寸方管桁架单K节点
17 桁架柱复杂节点设计方法研究
国家体育场钢结构桁架柱均由一个菱形内柱和两个近似方形的外柱组成，由于交汇于菱形内柱腹杆的数量多，角度复杂，对称性较差，内柱与主桁架下弦节点最多有13根杆件交汇在一起。如果采用铸钢节点，构件吨位很大，最大的节点近100吨，长度8m，对材质要求很高，均超过了我国目前铸钢件生产的实际能力。并且，质量控制比较困难。铸钢件造价较高，生产周期长，构件的重复率低。为了慎重起见，我们邀请国内六家大型钢结构制作单位的总工进行专题研讨，专家一致认为采用我院提出的焊接节点形式是可行的。
由于菱形内柱节点构造非常复杂，加工制作难度很大，其设计计算方法在国内外钢结构设计规范、设计手册、实例中均无相应的内容。在设计中提出将腹杆宽度与菱形内柱同宽，即腹杆侧壁与菱形内柱壁板共面，使得腹杆与内柱传力直接。在菱形内柱内设置水平加劲肋，增强菱形内柱在节点域的刚度，使得腹杆翼缘的内力能得到有效传递。通过有限元计算研究典型节点的受力形态、局部变形情况。为了验证本文设计方法的可靠性，在同济大学结构实验室进行了两个内柱节点与两个外柱节点的缩尺试验。试验结果表明，设计中采用的桁架柱节点具有较大的安全储备。

18 大型多面体铸钢节点设计研究
为了避免焊接节点存在的不足，在标高1.500～3.75m的区段内采用多面体铸钢节点来实现内柱菱形截面到矩形截面的转换。由于桁架柱受力很大，菱形内柱作为桁架柱的受压构件作用非常关键，因而内柱底部的铸钢节点受力的可靠性对保证整个结构安全具有非常重要的意义。
本工程采用的铸钢节点具有外形尺寸大、单件吨位大、材料强度高等特点。由于菱形内柱的平面尺寸为2599×1353mm～1892×1552mm，节点总高2.02m，最大壁厚达130mm，最大吨位18.8吨，其外形尺寸和单件吨位在建筑领域中均属罕见。由于菱形内柱受力巨大，采用了Q345JG、Q460等高强钢材，故此对铸钢材料的强度与可焊性均有很高的要求。铸钢件壁厚的确定主要依据铸钢节点与相邻上部菱形构件等强的原则。本工程在不同部位铸钢节点壁厚变化较大，最大壁厚为130mm，最小壁厚仅为36mm。
铸钢节点采用8面体几何构型，在8面体铸钢节点的上、下端部设置水平加劲肋承担倾斜侧壁产生的水平分力，保证侧壁的稳定性，提高铸钢节点的整体刚度。并综合考虑铸造工程中的清渣要求以及现场焊接的要求，在分别在上、下端水平加劲肋设置椭圆形人孔。
考虑到部分铸钢节点尺度较大，构件壁厚相对较薄，为了提高铸钢件侧壁的稳定性，在铸钢节点1/4截面处设置两道纵向加劲肋。在确定纵向加劲肋壁厚时，除需考虑节点构造特点与受力性能外，还应结合铸造工艺要求，保证钢水流动顺畅，内、外散热均匀，有效避免铸钢节点内部缺陷。铸件内壁的理想厚度应为外壁厚度的0.7～0.8。
在确定铸件内部圆弧半径时，应综合考虑铸造时流浆需要、节点受力特点，避免应力过于集中。但铸件内部圆弧半径也不宜过大，否则将造成局部壁厚过大与用钢量增加。倾斜侧壁与垂直侧壁之间倒角半径均为1103mm，使得在内力传递顺畅的同时，铸钢节点具有良好的外观效果。
本工程铸钢件材质根据德国DIN-17182标准，选用GS-20Mn5V（调质）材质。由于该钢种具有较高的强度、良好的可焊性和低温冲击韧性，可以满足本工程对铸钢节点材质的要求。为了满足可焊性要求，铸钢材料的碳当量Ceq不大于0.45％。为了与桁架柱钢材的性能保持一致，在设计中要求铸钢材料在-20℃时的冲击韧性≥34J。
19 异型柱脚设计方法研究
国家体育场屋盖钢结构由24根巨大的桁架柱支承，异型柱脚通过混凝土桩承台将荷载传至桩基础。各异型柱脚受力达5MN，且柱脚平面尺寸达5～6m，若按照《高钢规》中箱形柱脚埋入3倍截面高度的要求进行设计，混凝土承台尺寸将过于庞大，不仅造价大大增加，而且施工难度大、工期长。为满足受力要求，本文提出大型异型柱脚的较为合理的构造形式及相应的设计方法。

异型柱脚成套设计法包括异型柱脚结构的锚板＋锚梁构造、柱脚底板混凝土承压验算、柱脚锚板受拉验算、柱脚锚梁承载力验算、柱脚侧面混凝土抗剪验算、柱脚端部混凝土抗剪验算、钢锚板抗拔验算、钢锚板侧面混凝土抗剪验算、钢锚板周围混凝土抗剪验算等内容。通过各种破坏模式的计算分析表明，通过合理地设置竖向加劲板和水平加劲板等构造形式，可以满足大型刚接柱脚的受力需要。
为了对柱脚的受力性能进行深入研究，考察钢柱脚锚板埋深及配筋对其承载力的影响，并通过试验观测钢锚板和混凝土承台整体受力和变形特点、应力分布情况和破坏方式，验证设计计算的可靠性，在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室进行了4个柱脚锚板的抗拔试验。试验结果表明