国家体育场钢结构设计优化方案(2)

为了使桁架柱与下部T合并段的连接构造比较简单，通过铸钢节点将内柱的菱形截面转换为矩形截面。由于铸钢节点位置处于结构受力的关键部位，构件的受到很大的轴力与弯矩，节点域壁厚较大。铸钢节点采用按德国DIN-17182标准生产的GS-20Mn5V，化学成分控制严格，铸钢材料的可焊性好。与规范中采用的铸钢材料相比，屈服强度明显提高，经调质处理后，当钢材壁厚大于100mm时，屈服强度不低于280MPa。另外，其延伸率、冲击韧性均得到大大改善。

七、软件开发与结构优化计算

在国家体育场设计过程中，在ANSYS软件平台上开发了设计与优化功能，以适应复杂大跨度结构设计的需求，计算优化时将构件的应力水平控制作为主要优化目标。在确定控制应力度时考虑了结构安全度、施工偏差与各种不可预见的因素。目标应力度的设定与结构的重要性、杆件受力特点及工程造价直接相关。在确定国家体育场钢结构优化计算的目标应力度时，还考虑了屋面PTFE膜结构侧向不平衡力对主桁架上弦、屋顶次结构侧向弯矩的影响，灯光、音响、雨水槽、大屏幕等集中吊挂荷载引起的局部应力，以及在罕遇地震作用下形成破坏机构时主桁架与次结构需要加强的部位。

通过对整体结构在各种工况组合下进行计算与截面校核，可以得到构件的计算应力比。将各构件的计算应力比与目标应力比限值范围进行比较，若构件计算应力比介于目标应力比限值范围内，则该构件截面保持不变，否则需要对构件进行截面调整。调整构件截面后再次进行整体计算与截面校核，直至所有构件计算应力度均符合设计要求。

国家体育场钢结构屋盖的自振周期较长，地震作用与结构刚度关系很大。因此，采用了“先静力计算优化、后动力验算调整”的总体优化思路。首先对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用等所有静荷载工况组合进行计算；对构件截面壁厚进行优化调整，使构件截面满足设计要求；对整体结构进行动力计算，进行截面校核，调整构件壁厚；重新进行静力荷载工况分析，使全部构件均满足静荷载工况与地震作用工况要求。由于国家体育场整体结构180°旋转对称，优化时同时调整对称杆件的壁厚。采用上述优化技巧后，通过9～10轮计算可得到满意的结果。

八、预应力技术应用研究

为了使国家体育场大跨度钢结构在设计中做到技术先进、经济合理，我们会同国内有关专家共同对预应力技术在国家体育场钢结构中应用的可行性与合理性进行了深入的研究，从预应力方案选择、计算分析、用钢量指标、预应力索与锚具材料的可靠性、节点构造、构件加工制作、预应力索敷设与张拉、建筑效果、工期、造价等方面，对采用预应力技术的合理性进行论证。

在设计过程中分别考虑了3种整体布索和3种局部布索方案。采用通用大型有限元分析软件Ansys。当设置采用预应力索后，主桁架下弦构件的拉力降低幅度较大，主桁架上弦的压力也有所增大，上、下弦构件内力增长幅值大致相同。施加预应力前后，主桁架腹杆的内力变化不大，主桁架的挠度减小。采用预应力索后，结构的总用钢量比未采用预应力索时略有增加。其主要原因如下：

(1)在本工程中，适于布置预应力索的主桁架的数量较少，可以有效施加预应力的仅有8榀，所占比例较小，预应力的效果比一般的预应力钢结构小。(2)由于建筑外观的要求，预应力索的位置不能超出主桁架弦杆高度的范围，预应力索曲线的矢高较小，使预应力的效率大大降低。(3)为了保证构件具有一定的延性，主桁架弦杆箱形构件的壁厚不宜小于20mm，很多下弦构件采用最小壁厚。设置预应力索后，虽然下弦的内力有较大幅的降低，但其截面尺寸很难再进一步减小。同时，施加预应力将使主桁架跨中上弦杆压力值增大。因此，很难在减小用钢量方面取得预期的效果。

布置预应力索的主桁架结构刚度较大，内力也相应增大，而其它未布置预应力索的主桁架的内力将有所下降。通过对构件截面优化调整，这一趋势会更加明显，在桁架之间形成主次关系，内力向部分布置了预应力索的桁架转移，锚具的可靠性对结构的安全性至关重要。由于锚固节点尺寸较大，对建筑外观效果有一定影响。预应力张拉需要进行多次调整，现场钢结构安装的难度相应增大。对于本工程来说，采用预应力技术在节省用钢量、降低结构造价方面的效果不理想。故此，最终决定在本工程中不采用预应力方案。

九、结构用钢量

结构优化的主要目的是使构件的利用率接近比较合理的应力水平，达到有效降低结构用钢量的目的。屋盖结构的优化是在基于“鸟巢”概念的最少截面尺寸条件下进行的，很多构件已选用结构构造与加工制作所要求的最薄板材。常遇地震工况组合对构件截面不起控制作用，利用率一般不超过70%。在设防烈度工况组合时采用钢材的强度标准值。

在修改初步设计阶段屋盖结构的总用钢量为41875吨，主次结构合计36938吨，立面楼梯与马道合计4937吨，比原初步设计节省了12000吨。

十、小结

国家体育场的结构优化工作受到社会各界的关注。在修改初步设计与施工图设计中，对主桁架、桁架柱、次结构的布置进行了调整，结构抗震性能与节点构造得到改善；利用有效宽度的概念，提出焊接薄壁箱形构件的设计方法；根据主结构与次结构受力的特点，合理确定杆件计算长度系数；考虑安装顺序对用钢量的影响，合理确定临时支撑塔架的位置与数量；通过合理选用钢材材质，做到优材优用；在ANSYS软件平台上开发了设计与优化功能，适应复杂大跨度结构设计的需求；对采用预应力技术的可行性进行了深入的研究。通过采取上述综合的优化措施，有效地减小了结构用钢量，达到了控制工程造价的目的，取得了良好的技术经济效果。