摘要：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。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。国家体育场大跨度钢结构设计时采用的初始温度与正、负温差如下:分别将最大不平衡力作用于单个构件与整体计算模型。以适应复杂大跨度结构设计的需求。...
转载自《建筑结构学报》《国家体育场大跨度钢结构设计与研究》作者：范忠、刘先明、范学伟、胡春阳、胡天兵、吴学敏、于印全
摘要： 在国家体育场的设计中，采用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和计算模型。 为了使结构受力合理，降低构件加工难度和施工复杂性，主桁弦杆件采用相邻腹杆之间的直线构件，而不是空间曲线构件。 桁架柱腹杆的尺寸与菱形内柱的宽度相同。 对于屋肩空间扭曲构件，整体计算模型中采用分段折线代替理想曲线，且各构件截面主轴方向发生偏转。 屋面、立面二级结构可有效减少主体结构弦面外的计算长度，为ETFE膜结构、下弦吸声吊顶及屋面排水系统提供支撑条件，形成结构的抗侧力系统。 设计中采用逐个激活“死”单元的技术来模拟钢结构在整个施工过程中的刚度和荷载变化。 基于风洞试验确定了风压分布，并提出了顺风振动系数的计算方法，以确定风振动对大跨结构的下压力影响。 采用国产新型高强度钢材，根据构件的重要性确定钢材的技术性能要求。 在综合考虑工程重要性、结构受力特征、施工偏差、工程造价等多种因素的基础上，确定构件应力比限值，并进行构件优化计算。 计算了恒载、活载、风载、温度效应、中小地震及相应的工况组合，并对材料利用率和结构用钢量进行了分析和统计。
关键词：计算模型； 结构体系； 风引起的响应； 温度效应； 高强度钢； 薄壁盒状构件； 优化; 控制应力比； 钢材消耗量
1 项目概况
国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区。 是2008年北京第29届奥运会的主体育场，负责奥运会的开闭幕式和田径比赛。 国家体育场建筑顶面呈马鞍形。 长轴方向最大尺寸为332.3m，短轴方向最大尺寸为296.4m。 最高点高度68.5m，最低点高度40.1m。 可容纳8万人，固定座位。 可容纳11000人，总建筑面积约258000平方米。 该建筑设计寿命100年，抗震设防烈度8度，抗震设防等级为乙级。其“鸟巢”结构将成为北京重要的标志性建筑。 国家体育场大跨屋盖由24根桁架柱支撑，柱距为37.958m。 屋顶中部洞口长185.3m，宽127.5m。 国家体育场大跨度钢结构采用大量钢板焊接而成的箱形构件。 交叉布置的主体结构和屋顶、立面的次要结构，形成了“鸟巢”特殊的建筑造型。 主看台采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，与大跨钢结构完全分离。 国家体育场“鸟巢”钢结构如图1所示。国家体育场钢结构于2005年9月开始安装桁架柱底座，2005年10月开始安装桁架柱，2005年1月开始安装立面下部结构， 2006年2月主桁架及立面大楼梯完成，2006年8月底完成主体钢结构合模，2006年9月17日顺利完成主体钢结构卸货，2006年11月底，全部钢结构安装工作完成。 国家体育场钢结构是世界上跨度最大的体育建筑之一。 它具有非常独特的形状、巨大的组件尺寸以及大量空间扭曲的组件。 在许多方面，它超出了现有技术规范的覆盖范围。 其设计、加工、制作和安装的难度是前所未有的，极具挑战性。 在设计中大量采用新技术、新材料、新工艺，开展了大量研究工作和技术创新，填补了多项国内空白，多项成果达到国际先进水平。 国家体育场设计过程中取得了以下主要成果：
（1）首次使用三维建模软件CATIA解决我国某建筑工程中复杂空间结构的建模问题[1]；
（2）采用国产优质高强高性能超厚钢板，对于提高结构的安全性和施工性能、控制钢材用量具有重要作用[2]；
(3)首次提出顺风振动系数计算方法，解决大跨结构下压力风致响应问题[3]；
(4)提出大跨结构温度场计算方法，合理确定闭合温度和最大正负温差[4]；
(5) 在ANSYS软件平台上开发设计和优化功能，用于大跨度结构的优化设计[5]；
(6)提出了根据焊接薄壁箱形构件板件应力状态确定有效宽度的方法，并提供了薄壁箱形构件拉伸、压缩等各种应力状态的结果、双弯曲、双剪切和扭转。 设计公式[6-8]；
（7）提出空间扭曲薄壁箱形构件的计算与设计方法[9-13]；
(8)提出了一种空间扭曲的盒状构件的空间坐标表示方法[14]；
(9)提出主桁架单K节点和双弦KK节点的设计方法[15-18]；
(10)提出桁架柱内柱节点和外柱节点的设计方法[19-22]；
(11)提出一套完整的桁架柱脚设计方法[23-24]。 上述成果已应用于国家体育场大跨钢结构设计中。 对于保证结构安全、有效控制经济技术指标具有重要的现实意义。 对于复杂大跨结构的设计与分析也具有重要的指导意义和推广应用价值。 。 本文仅简单介绍设计中使用的计算模型和主要控制参数、各种荷载和作用及其组合、构件截面计算、应力比控制和优化、主要计算结果和钢材消耗分析统计等。罕见地震效应的研究[25]、钢结构施工模拟分析[26]以及空间畸变分量、复杂节点设计和实验研究将在本专辑的其他文章中介绍。
2 计算模型
在国家体育场钢结构设计中，采用CATIA空间建模软件建立了精确的三维空间计算模型。 模型包括主体结构、次要结构、楼梯构件等所有结构构件。 主要采用ANSYS和SAP2000软件对结构进行静态和动态分析。 分析、截面计算和优化设计。
2.1 主要结构
(1)主桁架
主桁架围绕屋顶中部的开口呈放射状排列。 主桁架有22根直线或近直线，中间形成分段直线组成的内环桁架。 为了避免节点过于复杂，四个主桁架在内环附近被切断。 国家体育场屋盖结构平面布置图如图2所示。上弦截面尺寸为◆1000×1000～◆1200×1200，下弦截面尺寸为◆800×800～ ◆1200×1200，腹板截面尺寸主要为◆600×600～◆750×750。 为了降低构件加工和施工难度，降低施工复杂度，对主桁架的几何构型进行了适当简化。主桁弦
保持相邻腹杆之间的直线，替代空间曲线组件，同时有效避免P-Δ效应。 由于主桁架主要采用规则箱形截面，大大降低了构件加工成本。 为了减少主桁受压下弦的面外长度，在主桁第一交点的中间三分之一处设置水平支撑。 主桁架立面展开图如图3所示。
主桁架上下弦节点应尽量对齐，腹杆角度一般控制在60°左右，网格尺寸比较均匀，规整性好。 在主桁架交叉处设置临时支撑塔，下弦腹杆设置为双K形式，以减少钢结构安装过程中的局部弯曲应力。 当主桁架上弦节点距离顶部二级结构很近时，将腹杆位置调整至二级结构位置。
(2)桁架柱
国家体育场钢结构24根桁架柱由一根垂直菱形内柱、两根向外倾斜的外柱以及内外柱之间的腹杆组成。 它们就像垂直放置的可变高度三角形管桁架。 桁架柱顶部的外柱不断弯曲和扭转，逐渐成为主桁架的上弦； 外柱之间的二级结构对两侧桁架形成侧向约束； 桁架柱上端与主桁架相连，各桁架柱与主桁架相连并与竖向下部结构、顶部下部结构、立面大楼梯相连，形成整体的大跨度空间结构体系。 菱形内柱的对角线尺寸从轴上的1353×2599到轴上的1552×1892不等。 桁架柱的两外柱之间的夹角在54.987°和78.748°之间变化，外柱的截面尺寸均为约1200×1200的箱形截面。典型的桁架柱构件布置如图所示图4 腹杆尺寸为1200×1000的箱形截面，与内柱宽度相同，增加了力传递的直接性。 桁架柱的腹杆应尽可能连接到外柱与立面下部结构的交点上。 内、外柱之间的长度应尽可能均匀，避免腹杆之间的角度过大或过小。
(3)外柱顶部空间扭转构件
在计算模型中，需要充分反映构件几何配置带来的附加结构效应，同时需要有效控制单元数量，节省计算分析资源。 对于位于屋顶肩部的空间扭曲组件，请使用分段多段线而不是理想曲线。 分段曲线的高度一般不大于20mm，线性化后的单位长度控制在2m左右。 此外，每个构件截面的主轴方向都发生偏转，以尽可能准确地模拟扭转构件的实际空间形状。
(4) 柱底合并部分
由于桁架柱底部内外柱之间的距离已经很近，但柱底部弯矩和轴力很大，所以继续采用分离形式
受力和柱脚结构已不再适应，故将三根立柱在柱底高程1.5m处合并成T形构件。 为了在计算模型中体现上述情况，在ANSYS中使用“Rigid Region”功能，在SAP2000中使用“Body Constraint”功能，将三根柱合并为一个T形截面梁单元，其下方为T形截面梁单元。标高1.5m。 柱底承台顶高程分别为-0.5m、-3.25m。 由于基础底板刚度大、群桩效应、桩侧土的约束作用等因素，使桩基具有较高的抗倾覆刚度，柱脚接近理想的嵌入状态。 因此，在整体计算模型中，假定柱底为固定边界条件。
2.2 屋顶和立面下部结构
屋面、立面二次结构的主要作用是增强主体结构的侧向刚度，减少主体结构构件的面外计算长度，为屋面膜结构、排水天沟、底层提供支撑条件。弦吸声天花板、屋顶排水系统等，形成结构抗侧力系统。 屋顶下部结构布置主要考虑的是控制屋顶膜结构板的面积。 通过调整立面下部结构的密度，达到有效减少外柱计算长度的目的。 在标高6.8m以下的机房和商业建筑位置，需要切除某些立面下部结构构件。 设计中严格控制截断下部结构的数量，而保留的立面下部结构则均匀、对称地布置。 考虑到构件的实际宽度，当节点距离小于1.2m时，对整体计算模型中的节点进行合并。
2.3 立面楼梯
国家体育场在建筑立面下部结构内侧设有12组大型楼梯。 每组楼梯均由内楼梯和外楼梯组成。 是观众从基地进出上层看台的通道。 主要用于人员疏散，是建筑立面的组成部分。 表面的重要特征之一。 外楼梯沿立面下部结构螺旋上升，内外楼梯交叉布置，支撑条件十分复杂。 立面大楼梯主要由楼梯柱、楼梯梁、连接构件、休息平台板和折叠踏步板组成。 立面大楼梯采用梁结构。 楼梯梁主截面为◆1200×420×16×18，高度1200mm。 与立面二级结构截面尺寸相同。 楼梯柱截面尺寸为： ◆1200×1200×20×20。每组楼梯位于3根相邻的桁架柱之间。 外楼梯的外楼梯梁由立面构件支撑，内楼梯梁由内柱、楼梯柱和组合柱腹杆支撑。 内部楼梯的支撑力比较小。 内楼梯梁由内柱和楼梯柱支撑，外楼梯梁由从内柱和楼梯柱延伸的悬臂构件支撑。 为了与立面下部结构协调一致，大部分楼梯柱延续到主桁架的上弦或顶部下部结构。
国家体育场屋盖结构总体计算模型及总体计算模型中的主体结构、次要结构、楼梯和楼梯柱分别如图5所示。
2.4 施工模拟
国家体育场屋面钢结构采用高空散装施工法安装。 屋顶结构上总共安装了78个临时支撑塔。 对于国家体育场屋面钢结构来说，施工顺序将对结构构件在重力荷载作用下的内力产生显着影响。 计算分析表明，安装顺序对大跨结构构件的内力和变形有显着影响。 设计中采用有限元方法，在计算程序中依次激活“死”单元（不参与整体结构分析的构件），对钢结构在整个施工过程中进行分析，模拟其变化在整个施工过程中结构的刚度和载荷。 健康）状况。 整体结构分析模型分为4个受控施工阶段：
第一阶段：24根桁架柱、立面二级结构、主桁架、立面楼梯已吊装。 主桁架上弦在临时支撑塔上方施工段断开，形成分段简支十字桁架。
第二阶段：主体结构成型，临时支撑塔卸荷。
第三阶段：顶部下部结构、角区立面下部结构、楼梯柱上部安装。
第四阶段：膜结构、马道、音响设备、照明灯具、排水管及各类管道全部安装完毕。
3 载荷和影响
3.1 设计使用寿命和安全等级
根据设计概要及相关建筑设计规范的要求，国家体育场结构设计耐久性为100年，设计参考期为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1； 抗震设防等级为B级，抗震设防烈度为8度； 场地类别介于二类至三类之间，设计地震分组为第一组。
3.2 恒载和活载
屋面恒载和活载标准值见表1。计算模型中通过调整折算体积考虑构件加劲肋、节点结构和焊缝重量对钢结构自重的影响不同类型组件的密度。 此外，屋顶维护活荷载和屋顶水荷载不会与雪荷载同时发生。
3.3 风荷载
(1)风洞试验及风压分布
北京100年重现期基本风压为0.50kN/m2，场地地面粗糙度类别为B类。国家体育场的风洞试验在英国伦敦BMT公司进行。 模型比例为1：300。 采用刚性模型考虑场馆中心半径450m范围内建筑物的影响。
为了便于研究屋盖结构的风荷载系数和风振系数，根据国家体育场大跨度钢结构的特点，将屋盖结构分为74块板，如图6所示。
屋顶试验模型在250°风向角和350°风向角时的平均风压分布如图7所示。风洞试验结果显示，大部分板材的风压为负值，表明在风荷载时，屋顶结构以向上吸力作用为主。 只有少数板块有向下压力风，但向下压力风系数与向上压力风系数不同。 吸入压力系数较小。
(2)风振系数
由于大跨结构自振周期长、结构刚度小，在风荷载作用下可能会产生较大的风振效应。 对于控制风荷载的结构，结构自重有利于控制向上的风吸力。 但对于自重效应较大的大跨度结构，当风振系数大于2时，在脉动风的作用下会产生反向风振效应，对屋顶形成向下的压力。 为了体现风振系数大于2时屋顶的反向风振效果，设计中给出了上部风振系数和下部风振系数的定义。
假设屋面结构受到脉动风荷载作用，则屋面结构板i的上部风振系数和下部风振系数定义如下
国家体育场大跨度钢结构设计时，由于结构自重较大，向下的风荷载作用对结构较为不利。 因此，需要考虑向下风荷载效应、结构自重和温度效应的不利组合。 由于风强时空气流动性好，屋顶结构的正温差不能很大。 因此，此时只能考虑最大负温差。 计算吸风效果时，应考虑适当降低恒载分项系数，并相应调整结构重要系数在荷载组合公式中的位置。 根据国家体育场屋面结构特点，按照最大吸风、最大风压、半跨吸风与半跨风压最大差值原则，分别为250°、350°、170°确定°、340°、90°和280°。 ° 是 6 个最不利的风向角度。
3.4 温度的影响
北京气候类型为典型的温带大陆性气候，气温季节变化较大。 据北京市气象局近30年统计数据，北京年平均最低气温-9.4℃，年极端最低气温-27.4℃； 年平均最高气温30.8℃，年极端最高气温40.6℃，年平均相对湿度58%。 由于“鸟巢”结构的钢构件直接暴露在室外，因此可以认为钢构件的温度与冬季室外气温相同。 夏季，室外温度最高，太阳辐射强度也最高。 太阳辐射会导致部件温度显着升高。 由于屋架上下弦膜之间空气流通不良，导致屋架内部温度明显高于室外空气温度，形成“恒温器”效应。 另外，结构的迎光面与背光面的温差，以及屋顶与立面钢构件的温差，都会形成梯度较大的温度场分布。 由于国家体育场大跨钢结构平面规模较大，温度变化会使结构产生较大的内力和变形，对结构的安全性和用钢量产生重大影响。 这在建筑结构中很少见。 再见。
国家体育场大跨度钢结构设计时，以主体结构闭合时的温度作为结构的初始温度（也称安装校准温度）。 在确定结构的闭合温度时，首先需要考虑当地的气温和气象条件。 初始闭合温度应较接近年平均气温，有利于闭合施工； 其次，必须考虑施工进度和可能的变化，并预留一定的余量。 温度偏差范围； 第三，闭合温度应尽可能接近结构可能达到的最高温度和最低温度的中点，使结构受力更合理，用钢量更小。
国家体育场大跨钢结构设计中采用的初始温度及正负温差如下：
关闭温度：14.0℃±4℃
最大正温差：50.6℃（主桁架及顶部二级结构）
40.6℃（桁架柱及立面下部结构）
最大负温差：-45.4℃。
3.5 雪荷载和水荷载
北京地区100年一遇的基本雪压为0.50kN/m2。 主屋架的上弦和顶部下部结构形成许多较小的板。 屋顶ETFE膜比主体钢结构顶面低0.95m，整个屋顶坡度不大，在风的作用下，板间不会形成积雪。 迁移，因此设计时可考虑屋顶区域的雪荷载均匀分布。
屋顶采用重力排水和虹吸排水相结合的方式。 设计时考虑到个别屋面板在大雨时可能会出现排水不畅的问题。 假设屋顶局部面板排水不畅，则可能产生的积水荷载为0.30kN/m2，但不会与雪荷载同时出现。
3.6 地震影响
国家体育场抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.2g，设计地震分组为第一组。 根据《岩土工程勘察报告》和《国家体育场工程场地抗震安全评价工程应用报告》确定场地等效剪切波速为226m/s，叠加深度为51m，该站点处于II类和III类时间之间，计算出该站点的特征周期为0.41s。 国家体育场设计参考期为50年，抗震设计采用的地震动参数如表2所示。
多发地震和设防烈度地震下的时程分析采用了El Centro波、台湾Jiji波和北京地震局提供的现场人工地震波三组地震波。 时程分析方法中，步长不宜大于0.02s和T1/10（T1为结构最小基本自振周期），结构阻尼比ζE=0.02。
根据《国家体育场工程抗震初步设计专项审查意见》（建建泉超委会[2004]（审查）第007号，2004年7月6日），多发地震时仅考虑竖向地震作用钢结构设计与计算，竖向地震作用取重力荷载代表值的15%，抗震承载力调整系数取1.0； 当同时考虑水平和竖向地震效应时，采用反应谱法计算竖向地震效应。 对于设防烈度的地震，采用反应谱法计算竖向地震影响，竖向地震影响系数最大值为水平地震影响系数最大值的65%。 在抗震设计中，考虑双向水平地震作用的影响。
3.7 工况组合
非抗震设计和一期抗震设计荷载工况组合公式分别见表3～表5。 关于第二阶段抗震设计的详细内容，请参见本专辑相关文章[25]。
4 构件截面设计
4.1 组成材料
(1)板厚和钢种
国家体育场大跨度钢结构主要采用焊接箱体
形状组件。 为了有效控制成本并缩短订单周期，使用了所有家用钢材材料。 当钢板厚度小于34mm时，使用Q345钢。 当钢板厚度为36至100mm时，使用Q345GJ钢。 当钢板厚度≥100mm时，使用Q460钢。
与Q345相比，Q345GJ的磷和硫含量大大减少，并且可以完全满足“建筑物地震设计代码”的要求（GB 50011-2001）
钢具有相关的性能要求，例如强度与收益的比率，伸长率和冷弯曲性能，并且具有良好的机械性能和焊接特性。 Q345GJ中厚板的屈服强度显着提高。 对于50-100mm厚的板，产量强度为325MPA，仅降低6％，可以获得明显的经济利益。 表6中显示了Q345和Q345GJ的拉伸，冲击和弯曲特性利用新的家用钢类型的技术优势。
为了有效地控制组件的最大壁厚，减少焊接工作量，并使连接结构更合理，高强度Q460钢在设计中部分用于桁架柱的内部柱接收的位置。最大的压力。 目前，要求拉伸强度与钢的屈服强度的比率不得小于1.2，伸长率应大于20％，在-40°C下的撞击韧性不应小于34J，板厚方向的性能水平应为Z35。 同时，严格控制了碳当量，并进行严格的焊接过程评估以确保良好的焊接性。 这是Q460 Ultra Thick钢板首次用于国内建筑项目，并由Wuyang钢厂开发。
（2）影响韧性和Z方向性能
为了使国家体育场经济和合理的长跨钢结构分别显示在设计中钢的韧性和Z方向性能要求，分别显示了表7和表8。
4.2部分设计公式
薄壁的盒形组件具有较大的宽度比，并且在压力下，面板容易出现局部不稳定。 设计时，可以使用板的后弯曲强度首先确定板的有效宽度，并根据有效截面计算组件的轴承能力。 根据当前的国内和外国钢结构设计规范[18-20]，当设计薄壁焊接盒形组件时，有两个主要问题：首先，仅考虑轴向压缩下的盒形组件的有效性，弯曲和压力弯曲宽度的计算方法未考虑张力符号成员中压缩法兰的局部屈曲； 当盒形构件的网络的高度与厚度比很大时，弯曲式成员和纯弯曲成员的网也在压缩区也有所不同。 可能会发生局部屈曲，但是“钢结构设计代码”中未给出相应的有效宽度测定方法（GB 50017-2003）； 其次，实际结构中成分的应力状态非常复杂，并且成分通常在双轴应力下。 但是，当前的国内和外国钢结构代码没有提供有关如何确定双轴弯曲薄壁盒形构件的有效横截面宽度的具体规定。
在设计期间，根据“钢结构设计代码”（GB 50017-2003）[27]，Eurocode-3 [28]和ANSI/AISC [29]，建议根据压力状态提供了薄壁盒形构件中的板块，以确定有效宽度和相应的构件轴承能力计算方法，并在各种应力状态下的薄壁盒形构件的设计公式，例如紧张，压缩，压缩，压缩，给出了双弯曲，双剪切和扭转。
（1）面板类型和有效宽度值
箱形构件中板块的有效宽度与厚度比主要与板的宽度比，相邻板的约束影响，钢的强度，成员的细长比率，钢板的约束影响，和应力分布。 当计算箱形组件的强度和稳定性时，当板的宽度比大于有效的宽度与厚度比极限时，只有当组件是有效的，只有该部分的一部分是有效的受到轴向压缩，压力弯曲和张力弯曲的约束。 由于板的局部变形对刚度几乎没有影响，因此在计算结构的偏转时可以考虑完整的横截面。 根据焊接薄壁盒形构件的应力状态确定板有效宽度的基本思想如下：
1）将焊接式截面成员视为由四个独立板组成，板充当网。
2）根据总截面计算将板的应力分布状态分为4类。 计算中未考虑组件的稳定系数和截面塑性开发系数。
3）分别区分每个板的应力条件，并考虑应力值对板有效宽度的影响，以确定其相应的有效宽度。
4）根据每个板的有效宽度确定成员的有效横截面特性。
表9中显示了双轴弯曲薄壁的盒段构件的中性轴和有效的横截面特性。
（2）组件强度的计算公式
在空间结构中，薄壁的盒形组件可能会受到各种内部力量，例如张力，压缩，弯曲，剪切和扭转。 由于约束扭转效果产生的翘曲应力很小，因此在计算薄壁盒形构件的正常截面时不需要考虑它。 根据上一节中描述的方法获得薄壁箱截面构件的有效横截面特性后，可以单独计算正常截面强度，剪切强度和压缩稳定性。 目前，应考虑有效的质心和总体质心之间的偏移的影响。
2）截面剪切强度
在局部屈曲发生在焊接的薄壁盒形构件中后，对该部分的剪切阻力几乎没有影响。 因此，在执行剪切强度检查时，仍可以考虑总截面。这次，需要考虑剪切力和扭矩的全面效果。 结合了“钢结构设计代码”（GB 50017-2003）和弹性力学中的自由扭转剪切应力公式的第4.1.2条，该组件的剪切强度应如下：计算
剪切力；
T是作用于成员计算部分的扭矩；
SX和SY分别计算剪切应力上方的总截面的面积矩，分别沿X方向和Y方向沿中性轴。
IX和IY是X方向和Y方向的中性轴周围总截面的惯性矩。
TF和TW分别是盒子部分的法兰厚度和网络厚度；
就像盒形组件部分壁厚的中心线所包围的阴影区域一样；
FV是钢的剪切强度的设计值。
3）组件稳定性检查
对于薄壁箱截面弯曲成员，在考虑了有效截面质心和总体质心之间偏移的影响之后，应根据以下公式计算整体稳定性，在考虑了有效截面质心和总体截面之间的偏移后，应在两个主要平面上作用。
花费;
IX和IY分别是X方向和Y方向的组件的回旋半径。
对于压力杆[λ] = 120，[λ]是成员的细长比率限制，对于拉杆[λ] = 150。
5个组件应力比限制和最佳设计
5.1确定组件应力比极限时要考虑的因素
设计钢结构时，组件的应力水平与结构中使用的钢量直接相关。 执行最佳设计时，组件的应力比通常被视为主要控制目标。 在确定最佳设计目标应力比时，有必要全面考虑各种因素，例如项目的重要性，结构性压力特征，构造偏差和项目成本。
国家体育场是2008年北京奥运会的主要体育场。 它负责开幕式和闭幕式以及田径比赛。 它可以容纳91,000名观众。 这是一座重要的超大体育大楼。 它的规模，复杂性和技术困难在国内外很少见。 ，没有太多的工程经验可参考。 在确定成员设计的受控应力比时，考虑了以下因素。
（1）许多内容超过了当前相关的国家结构设计规范。
“鸟巢”具有特殊的结构形状。 它使用大量的大型焊接的薄壁盒截面和肩膀上的大量散布空间的盒形组件。 它使用高强度钢，例如Q345GJ和Q460，最大板厚度为110mm。 组件的交点关系很复杂，并且内部节点结构有许多肋骨，并且需要根据有限元计算和实验研究来确定各种主要节点。
（2）钢结构处理，制造和现场安装非常困难
对于焊接的薄壁盒形组件，尤其是延伸的盒形组件，板的宽度和厚度相对较大，并且钢板容易发生初始缺陷和焊接变形。 在切割，焊接和组件剪接和定位过程中，不可避免地会出现问题。 不同程度的偏差使精度控制非常困难。 由于主要钢结构的加工，制造和现场组装需要将近两年的时间，因此季节性温度发生了很大变化，因此需要冬季建筑焊接。 由于项目的范围很大，因此需要通过多个钢结构处理单元和安装单元来完成，从而使质量控制和进度协调非常困难。
（3）开放和结束仪式以及赛后商业操作
目前正在进行2008年北京奥运会开幕式和结束仪式的准备工作，设计中应考虑相应的预订。 在赛后运营期间，可以举办各种社交活动，例如大规模的商业表演，要求从钢结构屋顶上悬挂各种临时负担。 如果组件应力比太高，则未来的使用功能将受到限制，这可能会影响以后的商业利用。
5.2组件控制应力比
组件的受控应力比与组件的实际应力状态密切相关。 在确定国家体育场钢结构的优化计算目标应力比时，有必要考虑屋顶ETFE膜结构对主桁架上弦的横向不平衡力的影响，屋顶子结构，照明，声音，雨水沟，大屏幕等。由集中悬挂载荷引起的局部弯曲应力，以及主桁架的部分和二级结构，当在下面形成损坏机构时需要加强罕见的地震。
（1）顶膜的结构张力的影响
国家体育场屋顶的顶部和弦由透明的ETFE膜材料制成，屋顶下弦的声天花板由白色的PTFE膜材料制成，内环形桁架立面则用PTFE膜密封，并具有良好的防水性能。 膜结构的特征是，根据主要和二级结构的排列，整个屋顶被分为1000多个不同形状的板。 ETFE膜结构在主桁架的上弦和顶部二级结构之间排列。 最大的区域可以达到250平方米，最小的区域可以达到250m2。 不到5m2，扩展的区域约为40000m2。 屋顶ETFE膜结构的骨骼梁垂直在板的远侧排列，间距约为4m。 钢筋电缆的布置约为垂直于骨架束的ETFE膜材料的方向约12m。 骨架束，钢筋电缆和ETFE膜均连接到板周围的主结构。
膜结构是拉伸结构。 膜材料与加固电缆之间的张力在周围的组件上产生了巨大的反作用力。 由于屋顶ETFE膜结构面板的不规则性，骨架弓排列的方向不一致，并且面板的尺寸也非常不同。 主要结构构件两侧的膜结构的张力不能平衡，这将导致钢结构成员的横向弯矩较大。 为了确保主结构的安全性，需要严格控制屋顶ETFE膜结构对主结构的影响。
为了分析由膜结构不平衡力引起的主要结构成分的横向弯曲力矩，将最大不平衡力应用于单个成分和整体计算模型。 计算结果表明，通过单个成员验证和总体结构计算的两种方法获得的不平衡力的影响相对接近。 成员长度越长，膜结构不平衡张力对成员应力的影响越大。 同时，应力尺寸也与成员横截面有关。 它与尺寸和壁厚等因素有关。 由横向不平衡张力引起的额外的偏心扭矩对成员几乎没有影响。
（2）非节点负载效果
在国家体育场太空桁架结构中，集中的悬挂载荷，例如照明，音频，雨水水槽和大型屏幕将造成明显的局部压力，并且有必要全面分析这些悬挂载荷的影响。 雨水凹槽和排水管悬挂在主桁架的串上，重量很大。 在全水中，它将在主桁架上产生约9MPA的局部应力。
（3）罕见地震需要加强的零件
在国家体育场结构优化设计的设计中加载条件。 通过非线性分析，在大地震的作用下直接优化结构非常困难。 因此，通过大型地震分析，找出结构中的弱部分并调整其结构崩溃的目的。
（4）组件设计控制应力比
当计算整体结构时，所有组件的控制应力比不超过0.8。 考虑到膜结构的倾斜和非节点负荷的倾斜张力的影响，具体取决于组件的长度，屋顶尺寸结构的控制应力在0.5 ～0.8范围内变化，主桁架控制应力比在0.7至0.8的范围内变化。 结合大地震分析的结果，主桁架在受托人柱附近的第一个间隔内控制了0.7的应力比，屋顶肩部部分的第二结构的应力比为0.7。
5.3优化计算方法
在国家体育场的设计期间，在ANSYS软件平台上开发了设计和优化功能，以满足复杂的大型Span结构设计的需求。
（1）根据组件分类制定截面规范表
根据建筑物形状和组件连接节点的结构要求，确定各个组件形状的形状截面大小。 为了促进组件壁厚的优化和调整，该项目为各种组件制定了不同的截面规范表。 每种组件的各种截面的形状保持不变。 调整。 第二结构的最小壁厚为10mm； 主桁架绳杆的最小壁厚为18mm，主桁架腹杆的最小壁厚为10mm；
（2）主要优化步骤
通过在整体结构的组合下计算和横截面验证，可以获得组件计算应力比。 比较每个组件与目标应力比范围的计算应力比。 如果组件计算应力比在目标应力比的范围内，则该组件的壁厚将保持不变，否则需要调整壁厚。 调整组件的壁厚厚度后，进行整体计算和横截面验证，直到所有组件都计算出设计要求的强度为止。
（3）优化方法
国家体育场的钢结构的自同温和温度效应很大，地震效应与结构的刚度密切相关。 因此，采用了“首次静态计算优化和后运动验证调整”的总体优化思想。 首先，计算诸如Henghe负载，活载荷，雪负荷，风负荷和温度效应之类的工作条件的组合，以优化和调整组件的壁厚壁厚，以满足组件部分的设计要求; 执行整体结构的功率计算，以执行整体结构的功率计算，并进行整体结构的功率计算。 横截面学校的核，调整组件的壁厚； 重新分析静态负荷的静态负载，以便所有组件满足静态负载的要求和地震的要求。
由于国家体育场180°旋转对称性的整体结构，在优化过程中调整了对称杆的壁厚。 另外，当组件计算应力比和控制应力比很大时，调整跳跃调整截面的方法。
使用上述优化技术后，可以通过6-7轮获得令人满意的结果的结果。
6主要计算结果和钢的使用量
6.1静电载荷作用下的内力和变形
在内力和内力的变形分析和恒定载荷，活载荷，风载荷和温度的变形中分析结构的总体计算模型，并优化了组件的壁厚。 与整体模型加载计算相比，施工模拟可以真正反映结构刚度和内力过程中构建过程中的变化。 表10显示了在各种工作条件下主桁架的最大垂直位移。
6.2动态载荷作用下的功能
使用多个软件（例如ANSYS和SAP2000）来分析整体结构，以获得整体覆盖结构的功率特征。 表13中显示了第一个5阶振动类型的周期。从计算结果可以看出，ANSYS非常接近SAP2000的结构动态特性。 为了简单起见，只有基于ANSYS分析模型的计算结果将在后面给出。 表14和表15分别显示了小冲击和中等冲击作用下的主要计算结果。
6.3组件材料的利用率
结构优化的主要目的是使组件材料的利用率 - 应力比接近更合理的水平，从而实现了有效减少结构钢的钢量的目的。 国家体育场的钢结构优化是在建筑师的截面大小的条件下进行的。 许多组件使用设计结构，加工和生产所需的最小厚度厚度。 地震条件的组合不能控制组件的控制效应，并且组件应力比不超过70％。 主结构的组合和第二个结构的组合在非歧视条件的组合和抗强度地震的工作条件的组合结合结合在一起如图8所示。钢的强度标准值的强度标准值设置强度条件的组合时使用。
6.4结构钢量统计
在国家体育场建设图的设计阶段，盖结构的总钢（包括组件肋骨，节点结构和焊接重量）计算模型为41853T，各种组件的钢量如图所示根据不同董事会的说法，根据不同的董事会的说法，第16款。 表17显示了用于厚统计的钢量（不包括受托柱合并部分和支柱脚）。
7个结论
（1）相邻腹杆之间的主桁架串用线性分量代替了空间曲线组件。 。
（2）分段折叠模型，而不是盖子肩部的连续变形组件，以及组件部分截面偏转的偏转方法准确地模拟了失真分量的空间配置。
（3）顶部和立面子结构可以有效地降低弦杆主体结构之外的计算长度，为各种设备提供支撑条件，例如上弦ETFE ETFE膜结构，下弦的声音天花板和屋顶排水系统，并形成结构结构的反抗。 侧力系统。
（4）由于国家体育场的显着自重效应，大风降压效应对某些组件产生了控制效果。 本文提出的较低空气振动系数的计算方法对于确保结构的安全至关重要。
（5）合理选择了新的国内高强度钢以有效地控制结构的重量。
（6）根据董事会的应力状态，基于国内外钢结构设计的设计规范，提出了薄壁墙框组件的有效部分的计算方法。
效果宽度和军官形状的心脏和盒子成分心脏的有利影响。
（7）基于全面考虑，结构应力特征，构造偏差和工程成本的重要性，确定了组件应力比限制，并在ANSYS软件平台上开发了相应的设计和优化功能。
（8）计算结果表明，国家体育场的钢结构在各种负载及其工作条件的组合以及变形量，侧面刚度和动态特征的结合下，都符合相关设计规格的要求，并且具有良好的安全性。
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