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走近科技奧運:大跨度預應力鋼結構撐起奧運場(chǎng)館

作者：鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:02:01 [收藏]

    大跨度預應力鋼結構是由高強度、抗腐蝕、抗疲勞鋼索與各種形式空間鋼結構組合而成的一種新型結構形式，將柔性的鋼索與剛性的鋼結構完美地融合到一起，為建筑師提供了既實(shí)用又經(jīng)濟的覆蓋大面積、大空間的建設手段。北京2008年奧運會(huì )共有7個(gè)場(chǎng)館采用了這種結構。

    走進(jìn)北京2008年奧運會(huì )比賽場(chǎng)館，不能不注意它們獨到的外部形態(tài)：國家體育館的波浪曲線(xiàn)優(yōu)雅美觀(guān)，儀態(tài)萬(wàn)方；羽毛球館穹頂似天，動(dòng)靜之間呈現出天圓地方的傳統宇宙觀(guān)；乒乓球館的“中國脊”伸展兩翼，與擁有百年歷史的北大學(xué)府相得益彰，頗具中國傳統建筑的韻味……
    而這些獨具匠心的形態(tài)無(wú)不與一種新興的結構形式息息相關(guān)，那就是當今體育場(chǎng)館、機場(chǎng)、大型機庫、會(huì )展中心等大型建筑首選的結構類(lèi)型―――大跨度預應力鋼結構。
    據承攬所有奧運場(chǎng)館中大跨度預應力鋼結構分項設計、施工和監測的北京建工集團建筑工程研究院副院長(cháng)張然介紹，大跨度預應力鋼結構是由高強度、抗腐蝕、抗疲勞鋼索與各種形式空間鋼結構組合而成的一種新型結構形式，將柔性的鋼索與剛性的鋼結構完美地融合到一起，為建筑師提供了既實(shí)用又經(jīng)濟的覆蓋大面積、大空間的建設手段，深得他們的青睞，北京2008年奧運會(huì )共有7個(gè)場(chǎng)館采用了這種結構。弦支穹頂“變臉”不易
    93米世界最大跨度、外圈環(huán)向索預應力張拉值250噸、屋蓋鋼結構起拱值110多毫米，奧運羽毛球館的設計施工難度世界罕見(jiàn)。
    該工程采取了弦支穹頂鋼結構體系，主要是由單層網(wǎng)殼、撐桿及預應力拉索構成。其中的預應力拉索是這個(gè)工程的最大特色和難點(diǎn)。
    對此，北京建工集團建研院秦杰博士給出這樣一個(gè)形象的比喻：“把我們平時(shí)手握握力圈的過(guò)程倒過(guò)來(lái)，就是在弦支穹頂結構施加預應力的過(guò)程。我們用力去握握力圈，橡膠圈收縮，手隨之隆起。環(huán)向索就好比橡膠圈，我們的手背就是單層網(wǎng)殼，手指就是撐桿。在工程中，我們首先給‘橡膠圈’（環(huán)向索）一個(gè)向內的拉力，力通過(guò)‘手指’（撐桿）傳遞給‘手背’（單層網(wǎng)殼），‘手背’就這樣慢慢拱起了?！?br /> 由于屋蓋龐大、結構復雜，環(huán)向索的張拉過(guò)程異常艱難。第一個(gè)難點(diǎn)是如何在張拉后保持撐桿的垂直。建研院憑借雄厚的計算優(yōu)勢，在仿真模擬中對受力進(jìn)行精確的分析，并用以指導工程；二是由于跨度大，單根索預應力張拉值最大達到250噸（世界最大雙向張弦結構的國家體育館單項索預應力張拉值為120噸），施工風(fēng)險很大。設計人員根據張拉情況配備了液壓千斤頂等先進(jìn)設備，同時(shí)由機械工程師對配套的張拉設備進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設計，解決了這一難題；三是柔性形態(tài)的控制。由于結構最終經(jīng)張拉起拱脫離支撐胎架，施工安全性受到挑戰。設計人員因此布置了50多個(gè)監測點(diǎn)對拉索、撐桿和鋼結構應力進(jìn)行監控，并對結構變形進(jìn)行監控，以保證安全和結構質(zhì)量。雙向張弦桁架“舒展筋骨”
    國家體育館鋼屋架結構形式為“單曲面雙向張弦桁架預應力鋼結構”，主館南北長(cháng)144.5米，東西寬114米，其跨度為雙向張弦桁架預應力鋼結構的世界之最。國家體育館整個(gè)鋼屋架工程由14榀桁架組成，總用鋼量2800噸，如何完成如此巨大規模的預應力鋼結構設計和施工著(zhù)實(shí)讓建研院預應力的工程師們犯了難。
    經(jīng)過(guò)26次方案論證和優(yōu)化，設計人員最終確定了單榀高空分段組裝、穿索預緊、累計滑移、預應力張拉的新技術(shù)安裝施工。通俗地說(shuō)，就是將桁架先在高空組裝完成，再穿進(jìn)鋼索“繃上勁”，然后通過(guò)一條縱貫東西的滑軌分批將它們從東邊滑到西邊去，最后整體張拉，這樣可以大大降低施工的成本。
    除了完成國家體育館預應力分項的設計和施工，北京建工集團建研院還擔當了鋼結構永久性健康監測的任務(wù)。他們通過(guò)83臺監測儀器、全程無(wú)線(xiàn)監控系統和設備先進(jìn)的實(shí)驗室構成了一整套嚴密的監測系統，對國家體育館鋼結構進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，這在我國尚屬首次。不規則的空間張弦結構
    奧運乒乓球館的頂部是一個(gè)酷似乒乓球形狀的網(wǎng)殼結構，伸展兩翼的“中國脊”極具動(dòng)感，形成了旋風(fēng)托起乒乓球的獨特造型。
    北京建工建研院工程師呂李青介紹：“預應力桁架由圓形網(wǎng)殼開(kāi)始，呈輻射狀向四周射出，這使北大乒乓球館的空間張弦變得極為復雜，堪稱(chēng)國內之最。由于結構不規則、不均勻，張拉時(shí)很容易把中間的‘圓球’拉偏?！?br /> 為此，建研院采取了“多步多小級”對稱(chēng)張拉的方法。通俗地說(shuō)就是在32榀桁架下進(jìn)行預應力張拉時(shí)，分8個(gè)對稱(chēng)點(diǎn)，共4次完成，且分多次、逐步施加拉力，以保證結構的穩定。
    張然說(shuō)：“雖然我國已經(jīng)建成了很多在國際上跨度領(lǐng)先的大跨度預應力鋼結構，但在設計和施工過(guò)程中還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，現在的發(fā)展是‘理論科學(xué)研究超前于工程應用’、‘實(shí)用科學(xué)研究滯后于工程應用’、‘技術(shù)創(chuàng )新速度大于研究積累速度’。未來(lái)，北京建工建研院將在設計和施工方法的完善、節點(diǎn)足尺試驗研究、施工監測和健康監測理論、方法和實(shí)用技術(shù)研究等問(wèn)題上做更深入的探索。



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