國家體育場鋼結構設計優化方案國家體育場(又稱“鳥巢”)是2008年北京第29屆奧運會的主體育場，承擔奧運會開、閉幕式與田徑比賽，固定座席可容納8萬人，活動座席可容納1.1萬人。國家體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3米，短軸為297.3米，最高點高度為68.5米，最低點高度為40.1米，總建筑面積約為25.8萬平方米。建筑的設計使用年限為100年，項目總投資為31.3億元，其中建安成本為22.67億元。瑞士赫爾佐格德梅隆設計公司、中國建筑設計研究院與奧雅納工程顧問公司組成的設計聯合體承擔國家體育場設計工作。一、結構布置國家體育場大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為37.958米。取消可開啟屋蓋后，固定屋蓋中間開洞長度增至185.3米，寬度增至127.5米。由于國家體育場大跨度鋼結構大量采用由鋼板焊接而成的箱形構件，交叉布置的主結構與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結構體系，與大跨度鋼結構完全脫開。主桁架圍繞屋蓋洞口環梁放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構成的內環桁架。為了避免出現過于復雜的節點，4榀主桁架在內環附近截斷.為了減小構件制作難度，降低加工成本，盡量減小現場施工的復雜性，對屋蓋結構的幾何構型進行了適當的簡化。主桁架弦桿在相鄰腹桿之間保持直線，代替空間彎扭曲線構件，避免出現過大的P-Δ效應。由于主桁架大部分采用了規則的箱形截面，從而大大降低了構件加工的成本。屋頂與立面次結構的主要作用是為主結構提供面外的側向支撐、減小主結構構件的計算長度，為屋面膜結構、排水溝、下弦聲學吊頂、屋面排水系統等提供支承條件，并形成結構抗側力體系。在修改初步設計中，屋面次結構布置主要考慮控制屋面膜結構板塊面積的大小，次結構的數量明顯少于原初步設計。通過調整立面次結構的疏密程度，達到有效減小外柱的計算長度的目的。二、焊接薄壁箱形構件國家體育場大跨度結構主要采用由鋼板焊接而成的箱形構件。為了滿足建筑造型要求，構件的外形尺寸受到較大限制。有效減少用鋼量，不但對節約工程投資、控制造價有非常直接的作用，同時對于減小地震與溫度作用、增強結構的安全性也具有十分重大的意義。為了減小用鋼量，在設計焊接箱形截面構件時盡量采用較小的壁厚。由于大截面薄壁箱形構件截面的寬厚比較大，在受壓時很容易發生局部失穩，需要采用有效寬度的概念，利用板件的屈曲后強度。目前在國內外的鋼結構設計規范中，均只考慮了箱形構件在軸心受壓、受彎及偏心受壓時的有效寬度計算方法，沒有考慮拉彎構件的受壓區板件可能出現的曲屈問題，對于薄壁箱形構件存在很大的不安全隱患。目前鋼結構設計規范僅給出軸心受拉、軸心受壓、彎＋剪、拉彎、壓彎等幾種類型構的設計方法，無法涵蓋在構件在復雜空間結構中的實際受力狀態。另外，我國現行鋼結構設計規范在確定箱形構件的有效寬度時，只是簡單地根據構件的拉、壓狀態進行判別，沒有考慮板件局部穩定與構件整體穩定承載力之間的關系，有效截面寬度取值偏于保守。因此，如何合理確定焊接薄壁箱形構件受壓板件的寬厚比與其他相應的實際措施，是保證結構的安全性、提高材料利用率、有效減小用鋼量的關鍵問題之一。在綜合比較了國內外鋼結構設計規范、冷彎薄壁型鋼設計規范和相關研究文獻的基礎上，提出了根據箱形構件板件應力狀態確定焊接薄壁箱形構件的板件有效寬厚比的方法與相應的構件設計公式，分別考慮拉、壓、雙彎、雙剪、扭作用，并在非線性有限元計算、構件試驗研究進行分析驗證的基礎上，將研究成果應用于國家體育場焊接薄壁箱形構件設計中。三、桿件計算長度系數研究《鋼結構設計規范》對管桁架結構的計算長度沒有專門的規定。由于方管桁架的節點剛度較大，對桿件變形的約束作用明顯，合理確定桿件的計算長度，可以取得一定的經濟效果。對于管桁架的受壓弦桿，面內計算長度可以取構件的節間長度。考慮到受拉弦桿和腹桿的抗彎及抗扭效果，對管桁架受壓弦桿平面外的位移形成約束作用，而且受壓弦桿本身也具有一定的抗彎和抗扭能力，故對其在平面外的計算長度可以適當折減。桁架腹桿面外的計算長度與連接節點形式有很大關系，當采用管桁架時，腹桿四周焊縫與弦桿連為一體，這與節點板連接時平面外剛度很小有明顯區別。考慮到桿端焊縫的約束作用，腹桿的計算長度系數可以折減。在本設計中，腹桿在面內的計算長度系數取0.8，面外的計算長度系數則參照日本管結構設計指針取0.9。屋面次結構在主桁架形成的菱形網格中呈不規則交叉布置，構件以受彎為主。立面次結構在外柱之間呈不規則交叉布置，直接作用于立面次結構的荷載較小。在原初步設計中，將主結構作為次結構的支承點，次結構面外計算長度直接取用主結構支承點之間的距離，計算長度很大，當桿件受壓時材料利用率很低。由于次結構呈網狀交叉布置，受力形態類似于單層網殼結構。為了確定次結構構件的計算長度，直接采用整體計算模型進行非線性分析，計算時分別考慮了豎向荷載和水平地震作用。對于屋面與立面的次結構構件，由于次結構的截面尺寸較大，在豎向荷載與水平方向地震作用下的構件的穩定承載力高于構件截面能夠提供的材料屈服承載力，構件為強度控制。根據非線性分析結果，結合次結構的特點，并參照《網殼結構技術規程》（JGJ61-2003），次結構面外計算長度系數均取1.6，且頂面次結構面外計算長度不超過其延長線與兩相鄰主桁架交點之間的距離。四、桿件計算長度系數研究《鋼結構設計規范》對管桁架結構的計算長度沒有專門的規定。由于方管桁架的節點剛度較大，對桿件變形的約束作用明顯，合理確定桿件的計算長度，可以取得一定的經濟效果。對于管桁架的受壓弦桿，面內計算長度可以取構件的節間長度。考慮到受拉弦桿和腹桿的抗彎及抗扭效果，對管桁架受壓弦桿平面外的位移形成約束作用，而且受壓弦桿本身也具有一定的抗彎和抗扭能力，故對其在平面外的計算長度可以適當折減。桁架腹桿面外的計算長度與連接節點形式有很大關系，當采用管桁架時，腹桿四周焊縫與弦桿連為一體，這與節點板連接時平面外剛度很小有明顯區別。考慮到桿端焊縫的約束作用，腹桿的計算長度系數可以折減。在本設計中，腹桿在面內的計算長度系數取0.8，面外的計算長度系數則參照日本管結構設計指針取0.9。屋面次結構在主桁架形成的菱形網格中呈不規則交叉布置，構件以受彎為主。立面次結構在外柱之間呈不規則交叉布置，直接作用于立面次結構的荷載較小。在原初步設計中，將主結構作為次結構的支承點，次結構面外計算長度直接取用主結構支承點之間的距離，計算長度很大，當桿件受壓時材料利用率很低。由于次結構呈網狀交叉布置，受力形態類似于單層網殼結構。為了確定次結構構件的計算長度，直接采用整體計算模型進行非線性分析，計算時分別考慮了豎向荷載和水平地震作用。對于屋面與立面的次結構構件，由于次結構的截面尺寸較大，在豎向荷載與水平方向地震作用下的構件的穩定承載力高于構件截面能夠提供的材料屈服承載力，構件為強度控制。根據非線性分析結果，結合次結構的特點，并參照《網殼結構技術規程》（JGJ61-2003），次結構面外計算長度系數均取1.6，且頂面次結構面外計算長度不超過其延長線與兩相鄰主桁架交點之間的距離。五、鋼結構安裝順序研究安裝順序對大跨度結構用鋼量影響很大。在安裝過程中，如果屋頂次結構與主結構同時安裝，次結構構件的內力將會明顯增大，導致次結構構件截面壁厚增大，增大結構總用鋼量增加；主、次結構之間區別不明顯，地震作用效應增大，難以按指定的順序出現塑性鉸，形成良好的抗震體系。另外，合理布置臨時支撐塔架的位置與數量，對主結構構件在安裝過程中可能出現的應力狀態有較大影響。故此，對國家體育場大跨度鋼結構的建造過程進行了詳細的施工模擬分析。國家體育場屋蓋鋼結構施工順序對結構構件在重力荷載作用下的內力將產生明顯影響。根據總工期的要求，大部分看臺混凝土結構先行施工，屋蓋鋼結構部分隨后進行施工。協調鋼結構安裝與混凝土結構施工的關系，對保證混凝土看臺部分連續施工、鋼結構的順利安裝具有重大的意義。由于采用整體提升方案時混凝土部分不能先期施工，故在總體工期上受到限制，滑移受到場地的限制等因素，故確定采用散裝法施工，在屋蓋主桁架交叉點的位置設立78個臨時支撐塔架。在設計中，運用有限元法計算程序中將“死”單元（不參與整體結構分析的構件）逐次激活的技術，進行鋼結構在整個施工階段的結構分析，模擬結構在整個施工階段過程中的剛度和重力荷載的變化。在建立結構的整體分析模型時，包括全部結構的結點和單元。將整個施工過程分為若干個主要階段，進行第n階段結構在重力荷載作用下的受力分析時，將在其后階段安裝的單元指定為“死”單元，這些“死”單元不具有剛度和重力荷載作用。在進行n+1階段施工的受力分析時，在該階段施工安裝的“死”單元被激活，恢復應有的剛度和自重效應，在其后階段施工安裝的單元仍然保持為“死”單元。六、大量采用新型鋼材在國家體育場結構設計中，為了有效地控制成本，縮短訂貨周期，全部采用國產鋼材。對于厚鋼板選用了國產Q345GJ鋼材。根據冶金行業標準YB4104-2000生產的Q345GJ(Z)高層建筑結構用鋼板，板厚效應小，中厚板的屈服強度比普通Q345明顯提高，對于50～100mm厚板，屈服強度為325MPa，強度僅降低6％，對于控制用鋼量起到了很好的作用。與《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-94）中的Q345相比，其磷、硫含量明顯降低，鋼材的屈強比不大于0.8，縱向沖擊功有所提高，完全能夠滿足《建筑抗震設計規范》對鋼材強屈比、伸長率及冷彎性能等相關性能要求。由于Q345GJ鋼材的可以有效減少結構的用鋼量，改善結構的安全性，有效地發揮了國產新型鋼種的技術優勢。在桁架柱內柱受力最大的部位，為了有效控制構件的最大壁厚，減小焊接工作量，使連接構造比較合理，在設計中采用了高強度的Q460鋼材。此時要求鋼材的抗拉強度與屈服強度的比值不應小于1.2，伸長率大于20％，-40℃時的沖擊韌性不低于34J，板厚方向截面收縮率不小于Z35。同時，嚴格控制碳當量，經過嚴格的焊接工藝評定，使其具有良好的可焊性。這是在國內建筑工程中首次采用Q460鋼材，由舞陽鋼廠生產。為了使桁架柱與下部T合并段的連接構造比較簡單，通過鑄鋼節點將內柱的菱形截面轉換為矩形截面。由于鑄鋼節點位置處于結構受力的關鍵部位，構件的受到很大的軸力與彎矩，節點域壁厚較大。鑄鋼節點采用按德國DIN-17182標準生產的GS-20Mn5V，化學成分控制嚴格，鑄鋼材料的可焊性好。與規范中采用的鑄鋼材料相比，屈服強度明顯提高，經調質處理后，當鋼材壁厚大于100mm時，屈服強度不低于280MPa。另外，其延伸率、沖擊韌性均得到大大改善。七、軟件開發與結構優化計算在國家體育場設計過程中，在ANSYS軟件平臺上開發了設計與優化功能，以適應復雜大跨度結構設計的需求，計算優化時將構件的應力水平控制作為主要優化目標。在確定控制應力度時考慮了結構安全度、施工偏差與各種不可預見的因素。目標應力度的設定與結構的重要性、桿件受力特點及工程造價直接相關。在確定國家體育場鋼結構優化計算的目標應力度時，還考慮了屋面PTFE膜結構側向不平衡力對主桁架上弦、屋頂次結構側向彎矩的影響，燈光、音響、雨水槽、大屏幕等集中吊掛荷載引起的局部應力，以及在罕遇地震作用下形成破壞機構時主桁架與次結構需要加強的部位。通過對整體結構在各種工況組合下進行計算與截面校核，可以得到構件的計算應力比。將各構件的計算應力比與目標應力比限值范圍進行比較，若構件計算應力比介于目標應力比限值范圍內，則該構件截面保持不變，否則需要對構件進行截面調整。調整構件截面后再次進行整體計算與截面校核，直至所有構件計算應力度均符合設計要求。國家體育場鋼結構屋蓋的自振周期較長，地震作用與結構剛度關系很大。因此，采用了“先靜力計算優化、后動力驗算調整”的總體優化思路。首先對恒荷載、活荷載、雪荷載、風荷載、溫度作用等所有靜荷載工況組合進行計算；對構件截面壁厚進行優化調整，使構件截面滿足設計要求；對整體結構進行動力計算，進行截面校核，調整構件壁厚；重新進行靜力荷載工況分析，使全部構件均滿足靜荷載工況與地震作用工況要求。由于國家體育場整體結構180°旋轉對稱，優化時同時調整對稱桿件的壁厚。采用上述優化技巧后，通過9～10輪計算可得到滿意的結果。八、預應力技術應用研究為了使國家體育場大跨度鋼結構在設計中做到技術先進、經濟合理，我們會同國內有關專家共同對預應力技術在國家體育場鋼結構中應用的可行性與合理性進行了深入的研究，從預應力方案選擇、計算分析、用鋼量指標、預應力索與錨具材料的可靠性、節點構造、構件加工制作、預應力索敷設與張拉、建筑效果、工期、造價等方面，對采用預應力技術的合理性進行論證。在設計過程中分別考慮了3種整體布索和3種局部布索方案。采用通用大型有限元分析軟件Ansys。當設置采用預應力索后，主桁架下弦構件的拉力降低幅度較大，主桁架上弦的壓力也有所增大，上、下弦構件內力增長幅值大致相同。施加預應力前后，主桁架腹桿的內力變化不大，主桁架的撓度減小。采用預應力索后，結構的總用鋼量比未采用預應力索時略有增加。其主要原因如下：(1)在本工程中，適于布置預應力索的主桁架的數量較少，可以有效施加預應力的僅有8榀，所占比例較小，預應力的效果比一般的預應力鋼結構小。(2)由于建筑外觀的要求，預應力索的位置不能超出主桁架弦桿高度的范圍，預應力索曲線的矢高較小，使預應力的效率大大降低。(3)為了保證構件具有一定的延性，主桁架弦桿箱形構件的壁厚不宜小于20mm，很多下弦構件采用最小壁厚。設置預應力索后，雖然下弦的內力有較大幅的降低，但其截面尺寸很難再進一步減小。同時，施加預應力將使主桁架跨中上弦桿壓力值增大。因此，很難在減小用鋼量方面取得預期的效果。布置預應力索的主桁架結構剛度較大，內力也相應增大，而其它未布置預應力索的主桁架的內力將有所下降。通過對構件截面優化調整，這一趨勢會更加明顯，在桁架之間形成主次關系，內力向部分布置了預應力索的桁架轉移，錨具的可靠性對結構的