建筑结构学报

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范重;刘先明;范学伟;胡纯炀;胡天兵;吴学敏;郁银泉;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 1-16.

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在国家体育场设计中,利用CATIA空间建模软件建立了国家体育场大跨度钢结构精确的三维空间几何模型与计算模型。为了使结构受力合理、减小构件加工制作难度与施工的复杂性,主桁架弦杆在相邻腹杆之间采用直线代替空间曲线构件,桁架柱腹杆尺寸与菱形内柱同宽。对于屋盖肩部的空间扭曲构件,在整体计算模型中用分段折线代替理想曲线,并对每段构件截面的主轴方向进行偏转。屋顶与立面次结构可以有效减小主结构弦杆面外的计算长度,提供ETFE膜结构、下弦声学吊顶与屋面排水系统的支承条件,并形成结构的抗侧力体系。在设计中运用将“死”单元逐次激活的技术,对钢结构在整个施工过程刚度和荷载的变化情况进行模拟。根据风洞试验确定风压分布,提出下风振系数的计算方法,确定大跨度结构的风振下压效应。采用新型国产高强钢材,并根据构件的重要性确定钢材的技术性能要求。在综合考虑工程的重要性、结构受力特点、施工偏差以及工程造价等多种因素的基础上确定构件应力比限值,进

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国家体育场大跨度钢结构罕遇地震性能分析

钱稼茹;纪晓东;范重;刘先明;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 17-25.

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采用杆端塑性铰模型、动力弹塑性分析法和静力弹塑性分析法对国家体育场大跨度钢结构罕遇地震作用下的性能进行了分析。三维动力弹塑性分析的输入包括4组地震记录和1组人工地震波;静力弹塑性分析包括单向、双向和三向推覆共12种工况。结果表明,罕遇地震作用下,国家体育场大跨度钢结构最大位移小于其限值;主结构的塑性铰主要出现在桁架柱,数量很少,且屈服程度较轻;次结构的塑性铰数量少,极少数铰的强度下降至残余强度;结构的整体刚度没有下降,承载能力未达到最大。国家体育场大跨度钢结构设计达到了预定的抗震设防性能目标。对静力和动力弹塑性分析两种方法的结果进行了比较,探讨了静力弹塑性分析合适的加载模式,为大跨度钢结构的静力弹塑性分析提供了参考。

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国家体育场大跨度屋盖结构风振系数研究

田玉基;杨庆山;范重;刘先明;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 26-31+40.

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迄今为止,大跨度屋盖结构的风振系数均为上吸风引起的风振效应,对于某些情况是不安全的。针对国家体育场大跨度屋盖结构自重效应较大的特点,本文提出了大跨度屋盖下压风振系数的定义与合理的取值范围,提出了背景响应和共振响应的振型能量参与系数的计算方法和振型选取方法,利用振型叠加法分析了国家体育场屋盖结构的随机风振响应及风振系数,为国家体育场屋盖结构风振系数的确定提供了科学依据。

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国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温度研究

范重;王喆;唐杰;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 32-40.

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结合国家体育场工程,对温度差异引起桁架结构的内力效应、太阳辐射吸收系数ρ的影响因素以及降低太阳辐射温升的措施进行了分析。通过分析统计得到结构各区域箱形构件的太阳辐射照度,合理地确定了温度场计算采用的各种参数及室内外风速及相应的热传导计算边界条件。采用有限元法计算了箱形构件各表面的辐射温度与构件的平均辐射温升,从而确定了“鸟巢”结构各区域内构件的辐射温度。明确提出大跨度屋盖结构的合拢与合拢温度要求,并根据历史气象温度记录与变化趋势、太阳辐射温升、结构设计的合理性以及结构施工的实际进程,综合确定在大跨度钢结构设计时采用的合拢温度与最大正、负温差。

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国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究

范重;彭翼;李鸣;胡天兵;赵莉华;陈以一;赵宪忠;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 41-48.

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结合国家体育场大跨度钢结构设计,提出任意角度相交焊接方管桁架双弦杆KK节点的几何构型方法,可用于各种复杂角度的腹杆汇交、弦杆呈折线形、弦杆侧壁与腹杆侧壁不垂直等多种情况,适用范围较大。通过调整节点域板件的角度,改善其构造的合理性。综合采用调整板厚、设置加劲肋等措施,提高节点的承载力,实现“强节点”的设计理念。双弦杆KK节点的缩尺模型试验表明,试件的应力分布与有限元计算非常接近,节点具有较大的安全储备。

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国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK型节点试验研究

童乐为;王新毅;陈以一;顾敏;范重;彭翼;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 49-53+80.

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正在建设的国家体育场两两斜交的主桁架构成了许多双弦杆焊接方管KK型节点,该节点连接焊缝密集,构造极其复杂。本文对这种在管结构中较为独特的节点进行了1∶4的缩尺模型承载力试验研究,详细介绍了节点的试验方法和结果,讨论了节点的受力性能、破坏模式以及节点内部加劲肋的作用。研究表明该节点的构造措施较完善可靠,节点具有较高的承载力。节点的薄弱部位处在受压腹杆端部,发生局部屈曲。弦杆内部纵横向加劲肋的设置有效地增强了节点强度和刚度。腹杆端部的局部放大改善了腹杆向弦杆的传力,降低了应力集中。

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国家体育场焊接方管桁架单K节点试验研究

陈以一;李万祺;赵宪忠;范重;彭翼;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 54-58.

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为考察构造复杂的国家体育场焊接方管桁架单K节点的受力性能和承载力,进行了两个典型节点的1∶3缩尺比例的模型试验和有限元分析。试验结果表明,节点强于杆件,节点的极限承载力都能达到设计荷载水平的2倍以上,且节点区范围内的板件未观察到局部失稳或断裂现象。有限元分析能较好地模拟试验现象。试验结果和有限元分析结果证明,节点区的板件局部加厚和内置加劲肋等加强措施是有效的。

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国家体育场桁架柱内柱节点设计研究

范重;胡纯炀;彭翼;杨苏;陈以一;童乐为;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 59-65.

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国家体育场钢结构桁架柱的内柱节点杆件数量多,几何关系复杂,是结构受力的关键部位。本文提出大尺寸焊接薄壁菱形截面内柱节点的几何构型方法,使菱形内柱与腹杆同宽,可以适用于任意角度腹杆相交的情况。在内柱节点域内设置横向加劲肋与局部竖向加劲肋,可以有效地增强节点的刚度,实现“强节点”的设计理念,确保节点构造的可靠性与经济性。通过合理设置拼接焊缝位置以及采用整板切割等方式,有效地控制焊缝的数量与位置。采用有限元法研究节点的受力形态,通过合理调整板件厚度,避免节点出现应力集中。

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国家体育场桁架柱内柱多腹杆焊接节点性能研究

童乐为;朱俊;陈以一;范重;胡纯炀;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 66-72.

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对国家体育场钢结构桁架柱的节点进行了比例为1∶5的缩尺模型试验研究和有限元分析。该节点为主桁架梁与桁架柱的连接节点,由1根菱形内柱与11根箱形截面腹杆形成的复杂空间管节点,并且节点内布置了许多加劲肋。论文介绍了节点的试验方法,描述了整个加载过程中节点行为和最后的破坏模式。从节点受力性质、构造、几何尺寸等角度,讨论了节点的破坏机理。研究表明节点的薄弱环节出现在受压腹杆,发生局部屈曲。弦杆内设置加劲肋是防止弦杆板件塑性破坏和局部屈曲的有效构造措施。论文提出了实际结构中该节点设计和制作时应采取的措施。

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国家体育场桁架柱外柱节点设计研究

范重;胡纯炀;彭翼;杨苏;陈以一;童乐为;赵宪忠;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 73-80.

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国家体育场桁架柱外柱节点的几何关系复杂,存在T型、K型及KT型等多种腹杆形式,腹杆侧壁与外柱壁板斜交,还存在与立面次结构相交的情况。焊接薄壁箱形构件相贯节点的刚度差,承载力低。本文通过在外柱内设置横向加劲肋与局部纵肋等构造做法,可以有效提高节点刚度与承载力。对于有次结构的外柱节点,次结构的上、下壁板不能全部贯通,在保证腹杆与外柱传力可靠的前提下,在外柱节点区设置传力三角区。对于K型腹杆节点,翼缘较厚的腹杆贯通;对于KT型腹杆节点,中间腹杆贯通。通过合理设计拼接焊缝位置、采用整板切割等方式,可以有效减少焊缝数量,避免焊缝重叠。采用有限元法分析外柱节点的受力形态,并根据“最大平均应力”的原则确定节点域板件的厚度,实现“强节点”的设计理念,保证节点的可靠性与经济性。

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国家体育场桁架柱外柱节点试验研究

赵宪忠;闫澍;陈龙中;陈以一;童乐为;范重;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 81-86+96.

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国家体育场焊接箱形截面桁架柱外柱节点中采用了内设加劲肋的K型搭接节点,且部分节点与次结构腹杆相连接。为考察此类构造复杂的桁架外柱节点的静力承载性能,分别进行了无次结构和有次结构外柱节点的1∶4缩尺模型试验和有限元分析。本文详细介绍了节点试验的试验方法和结果,给出了节点的应变发展规律、受力性能和破坏模式。试验结果和有限元分析结果表明,采取了内设加劲肋等加强措施的桁架柱外柱节点具有较高的承载性能,节点强于杆件。

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扭曲箱形构件的空间坐标表示法

范重;王喆;谭成冬;赵莉华;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 87-96.

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国家体育场屋盖结构的几何构型非常复杂,立面和肩部构件均为扭曲箱形构件,在设计中采用了三维建模软件CATIA解决复杂建筑结构的空间建模问题。由于扭曲箱形构件在建筑工程中极少应用,传统的制图方式已经无法表达其几何形状,本文提出一种适合于扭曲箱形构件的节点坐标表示法,通过构件棱线上的特征点、端点或与其他构件的交点,采用三次B样条曲线拟合构件的棱线,以获得扭曲箱形构件连续光滑的轮廓线。本文给出了空间坐标法误差控制原则、控制点间距计算方法、曲率突变点的处理方法等。最后,文中给出了施工图表示方法与数据检验的实例。

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国家体育场主结构扭曲箱形构件设计研究

范重;彭翼;王喆;钱稼茹;赵作周;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 97-103+111.

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根据国家体育场屋盖结构的构型原则,扭曲箱形构件的轴线保持在同一平面内,可视为由一系列曲率半径不同的弧形曲线构成。扭曲箱形构件受力机理复杂,影响因素较多。在设计中经过大量的计算分析、试验研究与加工工艺研讨,提出设置横向加劲肋的方法,通过在扭曲箱形构件设置内部加劲肋的方式改善扭曲箱形构件的应力分布,有效约束弧形板件的面外变形,增强构件的整体刚度。通过调整板件厚度、加劲肋间距等措施,使实体模型达到与杆件模型强度等效和刚度等效;在确定加劲肋形状时兼顾焊接操作空间、节约材料等方面的因素。

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国家体育场扭曲箱形构件拉伸试验

赵作周;彭明英;钱稼茹;范重;彭翼;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 104-111.

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为研究国家体育场钢结构扭曲箱形构件的抗拉性能,完成了2个1/4缩尺试件在单调拉伸荷载作用下的试验与参数影响计算分析,试件的变化参数为加劲肋间距。试验结果表明:试件的拉力-位移曲线呈双线性特征,试件受拉屈服发生在靠弯曲中心一侧的上翼缘与相邻腹板;受拉屈服荷载为1100kN;两个试件的弹性抗拉刚度分别为593kN/mm与614kN/mm;屈服后强化段抗拉刚度分别为39kN/mm与36kN/mm,分别为弹性抗拉刚度的6.6%与5.9%;卸载刚度均为930kN/mm,分别为弹性抗拉刚度的157%与151%。加劲肋间距从300mm减小到225mm,试件的抗拉刚度增加了5%,刚度提高有限。有限元计算结果与试验结果基本一致。

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国家体育场扭曲箱形构件抗弯试验

钱稼茹;赵作周;彭明英;范重;彭翼;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 112-119.

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为研究国家体育场钢结构扭曲箱形构件的抗弯性能,完成了4个1/2.5缩尺试件的往复加载试验,试件的变化参数为壁板宽厚比和箱形截面内的加劲肋间距。试验结果表明,试件的破坏形态为壁板受压局部屈曲导致丧失承载能力,板件宽厚比过大是导致局部屈曲的主要原因。壁板宽厚比为120、加劲肋间距与壁板厚度之比由120减小至80时,试件的初始刚度增加很少,抗弯承载力和变形能力没有增大;壁板宽厚比为80、加劲肋间距与壁板厚度之比由84减小至54时,或加劲肋间距与壁板厚度之比为80、壁板宽厚比由120减小至80时,试件的初始刚度增加,抗弯承载力增大,抗弯性能得到改善。

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国家体育场钢结构外柱顶部局部结构模型试验

赵作周;钱稼茹;彭明英;范重;彭翼;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 120-125.

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为研究国家体育场钢结构桁架柱外柱顶部肘形扭曲薄壁箱形构件的抗拉性能,完成了一个桁架柱外柱顶部局部结构1/4缩尺模型的拉伸试验。试验结果表明,当模型承受1200kN(1.61倍设计拉力)的拉力时,顶点水平位移为7.80mm,模型结构整体处于弹性;拉力达1700kN(2.28倍设计拉力)时,顶点水平位移为12.75mm,没有发现模型构件有焊缝撕裂或局部屈曲等明显破坏现象。构件的屈服主要发生在弯扭段节间23、跨中区格以及弯扭段与斜柱连接节点外侧的受拉区面板。试验中三根斜柱均处于弹性。

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国家体育场桁架柱柱脚锚固性能试验研究

曹万林;薛素铎;张毅刚;范重;王春光;张晓新;谢龙宝;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 126-133.

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国家体育场钢柱脚锚固于钢筋混凝土承台中,其受力复杂,以往国内外类似的设计及试验均很少。本文共进行了4个钢柱脚-钢筋混凝土承台试件锚固性能的试验研究,其中2个为混凝土承台中配置抗拔钢筋的试件,2个为混凝土承台中未配置抗拔钢筋的试件。通过单向重复加载下的钢柱脚锚固性能试验,对试件的锚固承载力、延性、合理配筋型式等进行了研究。试验表明,混凝土承台中配置抗拔钢筋的试件与未配置抗拔钢筋的试件相比其锚固承载力和延性显著提高。在试验基础上,建立了柱脚锚固承载力计算的桁架模型,计算结果与实测结果符合较好。

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国家体育场钢结构施工过程模拟分析

范重;刘先明;胡天兵;范学伟;赵莉华;

建筑结构学报. 2007, 28(02): 134-143.

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简要介绍了在国家体育场设计中确定大跨度钢结构安装方案的原则、临时支撑塔架布置与主要安装步骤,采用逐次“激活”单元技术对钢结构安装过程进行模拟计算。计算分析表明,施工顺序对构件的内力与变形有显著的影响。通过对构件安装顺序的调整,可以达到结构优化、降低用钢量、加快施工进度的目的。对临时支撑塔架反力与钢结构卸载变形量进行了估算,并对安装误差产生的原因、肩部与顶面次结构后装引起结构几何构型的变化情况进行了详细的分析,提出钢结构安装的技术要点。

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福州大学.土木工程学院

建筑结构学报. 2007, 28(02): 145-145.

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2007年, 第28卷, 第02期　刊出日期：2007-04-05

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