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国家体育馆:“折扇”中的玄机
http://tech.QQ.com  2008年07月24日14:10   腾讯科技    我要评论(0)

编者注:科技奥运之光 燃亮百年梦想,百集科技奥运故事会由全国科技活动周组委会授权腾讯网首发

科技奥运故事会第二十二集

国家体育馆:“折扇”中的玄机(01)

◎ 张家声 主 讲

朋友们,今天我给大家讲的是关于国家体育馆的故事。国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,是奥运会三大主场馆之一,也是目前国内规模最大的室内体育场馆之一。国家体育馆由体育馆主体建筑和一个与之紧密相邻的热身馆以及相应的室外环境组成,国家体育馆比赛时可容纳观众约2万人,总建筑面积约为8.09万平方米,室外绿化及道路面积约为4.4万平方米。

国家体育馆的屋顶曲面近似扇形,波浪起伏,行云流水一般。竖向支撑的钢骨架与大面积晶莹剔透的玻璃幕墙相映衬,恰似一把张开的中华折扇,隐隐体现出中国文化的内涵。2008北京奥运会除艺术体操以外的所有体操比赛和手球决赛都将在这里举行。

体育馆不同于体育场建筑,它需要封闭的室内环境,也就是说,我们面临着对大跨度屋顶解决方案的选择。

大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑和空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。

近三十多年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大,目前,尺度达150米以上的超大规模建筑层出不穷;结构形式丰富多彩,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。比方说1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”,直径207米,长期被认为是世界上最大的球面网壳;现在这一地位已经被1993年建成的直径为222米的日本福冈体育馆所取代。

北京国家体育馆钢屋架结构形式选用的是“单曲面双向张弦桁架预应力钢结构”,主馆南北长144.5米,东西宽114米,这个跨度是目前双向张弦桁架预应力钢结构的世界之最。国家体育馆整个钢屋架工程由14榀桁架组成,总用钢量达到2800吨。如何完成如此巨大规模的预应力钢结构设计和施工,着实让工程师们犯了难。“创新!创新!再创新!”在自主创新的精神指导下,经过26次方案论证和优化,他们最终确定了单榀高空分段组装、穿索预紧、累计滑移、预应力张拉的新技术安装施工。通俗地说,就是将桁架先在高空组装完成,再穿进钢索“绷上劲儿”,然后通过一条纵贯东西的滑轨分批将它们从东边滑到西边去,最后整体张拉。

张拉之前,桁架就像没有打开得折扇,无法覆盖这个屋面。如何打开这把美丽的折扇也是一个难题。

在了解双向张弦之前我们先了解一下单向张弦结构。如果把单向张弦结构比作一把弓,那屋顶就好比弓身,而下面的钢索就好比弓弦。通过拉紧钢索,使屋顶“拱”起,产生一个向上的力,从而使屋顶可以承载更多的负荷。但屋顶在承受负荷时会出现变形,改善的办法就是在此基础上增加钢索,和原来的钢索在平面上成十字交叉,这就变成了双向张弦结构,它可以使屋面变形的幅度减少三分之一,使屋顶钢结构更加坚固。双向张弦虽好,但问题又随之而来。那就是两个方向的钢索的力有一个互相传递的过程,当张拉南北方向索的时候,东西方向的索也会受力。这就会出现刚调好第二条索的力值,第一条索又受到了影响,顾此失彼。如何使两个方向的钢索都达到最终希望的力值,成为摆在研究人员面前的新问题。

研究人员首先用计算机进行分析计算,根据钢索之间相互影响的关系施加拉力,试图找到最好的方法。比如,计划给钢索总共施加20吨的拉力,但实际上并不是给所有的钢索都施加20吨拉力,而是给南北向的钢索施加25吨的拉力,东西向钢索15吨,这样最终得到的合力正好是20吨。通过不断地计算,研究者越来越逼近希望的数值,并最终达到了目标。

在分析结束后,研究人员在实验室内按照国家体育馆钢屋盖十分之一的比例制作了模型,并在模型上进行张拉实验,检验同计算的数据是否一致。如果一致,就可以照此进行施工。最终的结果令人十分满意。

除了进行钢索张拉外,实验的另一个任务是给屋顶加荷载,检验屋盖是否能承受荷载的力,荷载包括钢屋盖本身的2800吨重量、积雪的负重等。如果屋顶无法承受荷载,出现局部破坏的情况,就需要进行调整。除此之外,研究者还要了解结构能够承受的最大荷载。我们要考虑到最坏的情况——当百年一遇甚至千年一遇的大雪出现时,屋盖是否还能承受。这就是安全系数或安全储备,安全储备通常是1.5到2倍,主要针对活荷载而言,活荷载一般是指雪荷载,也就是说屋顶能承受的最大荷载是能预料的最大雪荷载的两倍。

国家体育馆钢屋架工程的双向张弦空间网络结构,能同时满足国家体育馆结构设计的三个要素:建筑设计的美观要求、承载方式的安全可靠、结构受力体系的简洁合理且造价低廉。设计时就充分考虑施工的要求,由于结构复杂、技术难度大,钢屋架安装采用纵向张拉后携带双向索进行整体滑移安装技术。高效的、节省工期的施工方法,使屋顶的钢结构与结构看台板同时施工,填补了国内在此类技术实践上的空白。在施工中由第三方对主要受力杆件、支撑架系统、所有焊缝进行监测,布置和安装健康监测点,提高了整个工程在施工过程中的安全性。

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