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新技术新材料新工艺展示自主创新实力

来源: 2018年08月25日

新技术、新材料、新工艺展示自主创新实力

国家体育场自卸载成功后,它已经从图纸变为了现实。我们不可否认如此复杂的钢结构,曾经被一些专家预言,如果没有两千张设计图纸,它是不能完成的。我国设计师、工程师通过采用大量的新技术、新材料和新工艺进行了自主创新,在保证结构安全性和耐久性的同时,对结构体系、构件和节点构造等都进行了卓有成效的优化,使得这个庞然大物能够真正的靠自己站起来。它的成功推进了建筑钢结构的发展,也使得我国的施工技术更为成熟,为今后的结构施工积累了宝贵的经验和方法。其中,多项首次使用的技术和材料更是向人们展示了自主创新的实力。

国家体育场鸟巢是北京2008年奥运会的主体育场,承担第29届奥运会开、闭幕式与田径比赛,其大跨度的结构设计与优化工作受到了广泛关注。为此,专门采访了中国建筑设计研究院教授级高工即国家主体育场结构项目负责人范重,他告诉,在国家体育场大跨度钢结构初步设计与其后的施工图设计中,大量采用了新技术、新材料、新工艺,主要的关键技术共有22项,其中确定的目前尚属首次采用的技术方法和材料为以下几项:

首次采用CATIA软件解决复杂空间结构建模问题

国家体育场屋盖结构造型主要从体育场的规模、对观众席防雨遮盖的效果、满足观众席视线要求和建筑美学的角度出发,几何构型方法新颖独特,建筑与结构高度一致,存在大量空间扭曲构件。于是在设计中采用了航空、汽车制造工业中得到应用的三维建模CATIA软件,以解决复杂建筑的空间建模问题。

国家体育场屋盖结构坐标原点位于体育场中心,椭圆的长轴与短轴分别为313m和266m,屋盖内环开洞的轮廓由2段椭圆弧与2段圆弧构成。椭圆的长轴和短轴分别为199.344m与124.103m。从平面椭圆的24个等分点做直线与屋盖内环相切,得到48榀交叉布置主结构的平面定位轴线。顶面次结构与立面次结构均位于屋盖结构的外表面。屋盖次结构的布置尽量做到疏密均匀,形成鸟巢的建筑美学效果。

据范总工程师介绍,CATIA软件功能强大,对使用的要求很高,建模工作由建筑师与结构工程师共同完成。这是CATIA软件首次在我国建筑工程中应用成功地解决了复杂空间结构、扭曲结构与特殊节点建模问题。

首次采用强度级别最高的Q460钢材

在国家体育场结构设计中,为了有效地控制成本,缩短订货周期,全部采用的是国产钢材。在桁架柱内柱受力最大的部位首次采用了强度级别最高的Q460钢材,最大厚度达110mm。此时要求钢材的抗拉强度与屈服强度的比值不应小于1.2,伸长率大于20%,-40℃时的冲击韧性不低于34J,板厚方向截面收缩率不小于Z35。同时,严格控制碳当量,经过严格的焊接工艺评定

新技术新材料新工艺展示自主创新实力

,使其具有良好的可焊性。这是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板,钢板的性能要求均大大超过现有国内外相关技术标准的范围。

首次提出下风振系灵敏计算方法

国家体育场钢结构屋盖的风荷载以向上吸为主,个别板块存在向下压的情况。根据大跨度屋盖结构的特性,按照最大上吸力、最大下压力和半跨荷载差值最大的原则确定最不利风向角,保证结构安全。对自重效应显著的大跨度结构,下压风荷载效应起主要控制作用,在现行的规范《建筑结构荷载规范》(GB500009-2001)中未做出相关规定。在设计中首次提出并采用下风振系数的概念,采用时域法与频域法计算风振系数。虽然风荷载对国家体育场钢屋盖结构所产生的效应较小,但对于个别构件仍可能起控制作用,在设计中仍需考虑风荷载效应的影响。

首次采用大型多面体铸钢节点

为了避免焊接节点存在的不足,在标高1.500~3.75m的区段内首次采用多面体铸钢节点来实现内柱菱形截面到矩形截面的转换。由面体铸钢节于桁架柱受力很大,菱形内柱作为桁架柱的受面体铸钢节压构件作用非常关键,因而内柱底部的铸钢节面体铸钢节点受力的可靠性对保证整个结构安全具有非常面体铸钢节重要的意义。

范总工程师说,本工程采用的铸钢节点具有外形尺寸大、单件吨位大、材料强度高等特点。菱形内柱的平面尺寸为25991353mm~18921552mm,节点总高2.02m最大壁厚达130mm,最大吨位18.8吨,其外形尺寸和单件吨位在建筑领域中均属罕见。由于菱形内柱受力巨大,采用了Q345JG、Q460等高强钢材,故此对铸钢材料的强度与可焊性均有很高的要求。铸钢件壁厚的确定主要依据铸钢节点与相邻上部菱形构件等强的原则。

铸钢节点采用8面体几何构型,在8面体铸钢节点的上、下端部位设置水平加劲肋承担倾斜侧壁产生的水平分力,保证侧壁的稳定性,提高铸钢节点的整体刚度。并综合考虑铸造工程中的清渣要求以及现场焊接的要求,在分别在上、下端水平加劲肋设置椭圆形人孔。

在确定铸件内部圆弧半径时,应综合考虑铸造时流浆需要、节点受力特点,避免应力过于集中。但铸件内部圆弧半径也不宜过大,否则将造成局部壁厚过大与用钢量增加。倾斜侧壁与垂直侧臂之间倒角半径均为1103mm,使得在内力传递顺畅的同时,铸钢节点具有良好的外观效果。

(:毛文月)

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