国家体育场桁架柱内柱节点设计研究

国家体育场钢结构桁架柱的内柱节点杆件数量多,几何关系复杂,是结构受力的关键部位。本文提出大尺寸焊接薄壁菱形截面内柱节点的几何构型方法,使菱形内柱与腹杆同宽,可以适用于任意角度腹杆相交的情况。在内柱节点域内设置横向加劲肋与局部竖向加劲肋,可以有效地增强节点的刚度,实现“强节点”的设计理念,确保节点构造的可靠性与经济性。通过合理设置拼接焊缝位置以及采用整板切割等方式,有效地控制焊缝的数量与位置。采用有限元法研究节点的受力形态,通过合理调整板件厚度,避免节点出现应力集中。     

国家体育场桁架柱外柱节点试验研究

国家体育场焊接箱形截面桁架柱外柱节点中采用了内设加劲肋的K型搭接节点,且部分节点与次结构腹杆相连接。为考察此类构造复杂的桁架外柱节点的静力承载性能,分别进行了无次结构和有次结构外柱节点的1∶4缩尺模型试验和有限元分析。本文详细介绍了节点试验的试验方法和结果,给出了节点的应变发展规律、受力性能和破坏模式。试验结果和有限元分析结果表明,采取了内设加劲肋等加强措施的桁架柱外柱节点具有较高的承载性能,节点强于杆件。     

国家体育场桁架柱内柱多腹杆焊接节点性能研究

对国家体育场钢结构桁架柱的节点进行了比例为1∶5的缩尺模型试验研究和有限元分析。该节点为主桁架梁与桁架柱的连接节点,由1根菱形内柱与11根箱形截面腹杆形成的复杂空间管节点,并且节点内布置了许多加劲肋。论文介绍了节点的试验方法,描述了整个加载过程中节点行为和最后的破坏模式。从节点受力性质、构造、几何尺寸等角度,讨论了节点的破坏机理。研究表明节点的薄弱环节出现在受压腹杆,发生局部屈曲。弦杆内设置加劲肋是防止弦杆板件塑性破坏和局部屈曲的有效构造措施。论文提出了实际结构中该节点设计和制作时应采取的措施。     

国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK节点设计研究

结合国家体育场大跨度钢结构设计,提出任意角度相交焊接方管桁架双弦杆KK节点的几何构型方法,可用于各种复杂角度的腹杆汇交、弦杆呈折线形、弦杆侧壁与腹杆侧壁不垂直等多种情况,适用范围较大。通过调整节点域板件的角度,改善其构造的合理性。综合采用调整板厚、设置加劲肋等措施,提高节点的承载力,实现“强节点”的设计理念。双弦杆KK节点的缩尺模型试验表明,试件的应力分布与有限元计算非常接近,节点具有较大的安全储备。     

焊接薄壁箱形构件在国家体育场中的应用研究

研究了在焊接箱型截面构件内部合理设置横向和纵向加劲肋的方法,分析了设置纵向加劲肋对提高构件承载力的影响,并通过非线性有限元法对薄壁箱形构件的抗震性能进行了分析。     

国家体育场焊接方管桁架单K节点设计研究

结合国家体育场大跨度钢结构设计,提出了大尺寸焊接薄壁箱形截面桁架单K节点的几何构型方法,可用于折线形弦杆、弦杆侧壁与腹杆侧壁不垂直等多种情况,适用范围较大。通过调整节点板件之间的角度,使其传力合理。综合采用调整板厚、设置加劲肋等方式,提高节点的承载力,实现“节点与构件等强”的设计理念。此外,通过缩尺模型对所提出的单K节点进行验证性试验,试件的应力分布与有限元计算结果非常接近,节点具有较大的安全储备。     

国家体育场焊接方管桁架单K节点试验研究

为考察构造复杂的国家体育场焊接方管桁架单K节点的受力性能和承载力,进行了两个典型节点的1∶3缩尺比例的模型试验和有限元分析。试验结果表明,节点强于杆件,节点的极限承载力都能达到设计荷载水平的2倍以上,且节点区范围内的板件未观察到局部失稳或断裂现象。有限元分析能较好地模拟试验现象。试验结果和有限元分析结果证明,节点区的板件局部加厚和内置加劲肋等加强措施是有效的。     

国家体育场焊接方管桁架双弦杆KK型节点试验研究

正在建设的国家体育场两两斜交的主桁架构成了许多双弦杆焊接方管KK型节点,该节点连接焊缝密集,构造极其复杂。本文对这种在管结构中较为独特的节点进行了1∶4的缩尺模型承载力试验研究,详细介绍了节点的试验方法和结果,讨论了节点的受力性能、破坏模式以及节点内部加劲肋的作用。研究表明该节点的构造措施较完善可靠,节点具有较高的承载力。节点的薄弱部位处在受压腹杆端部,发生局部屈曲。弦杆内部纵横向加劲肋的设置有效地增强了节点强度和刚度。腹杆端部的局部放大改善了腹杆向弦杆的传力,降低了应力集中。     

国家体育场扭曲箱形构件拉伸试验

为研究国家体育场钢结构扭曲箱形构件的抗拉性能,完成了2个1/4缩尺试件在单调拉伸荷载作用下的试验与参数影响计算分析,试件的变化参数为加劲肋间距。试验结果表明:试件的拉力-位移曲线呈双线性特征,试件受拉屈服发生在靠弯曲中心一侧的上翼缘与相邻腹板;受拉屈服荷载为1100kN;两个试件的弹性抗拉刚度分别为593kN/mm与614kN/mm;屈服后强化段抗拉刚度分别为39kN/mm与36kN/mm,分别为弹性抗拉刚度的6.6%与5.9%;卸载刚度均为930kN/mm,分别为弹性抗拉刚度的157%与151%。加劲肋间距从300mm减小到225mm,试件的抗拉刚度增加了5%,刚度提高有限。有限元计算结果与试验结果基本一致。     

国家体育场主结构扭曲箱形构件设计研究

根据国家体育场屋盖结构的构型原则,扭曲箱形构件的轴线保持在同一平面内,可视为由一系列曲率半径不同的弧形曲线构成。扭曲箱形构件受力机理复杂,影响因素较多。在设计中经过大量的计算分析、试验研究与加工工艺研讨,提出设置横向加劲肋的方法,通过在扭曲箱形构件设置内部加劲肋的方式改善扭曲箱形构件的应力分布,有效约束弧形板件的面外变形,增强构件的整体刚度。通过调整板件厚度、加劲肋间距等措施,使实体模型达到与杆件模型强度等效和刚度等效;在确定加劲肋形状时兼顾焊接操作空间、节约材料等方面的因素。     

国家体育场钢结构设计中的优化技术

针对国家体育场大跨度钢结构中存在用钢量较大的问题,通过对主结构和次结构的布置进行调整,使结构的受力性能与节点构造得到了改善;在板件应力状态分析的基础上,提出了适用于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,提出合理确定杆件计算长度系数的方法;提出钢结构分段吊装方案,合理确定临时支撑塔架的位置,并考虑安装顺序对结构抗震性能的影响;通过合理选用新型中国产高强钢材,有效地控制了结构自重;在ANSYS软件平台上开发了设计与优化功能,以满足国家体育场复杂大跨度钢结构设计的需求;通过多种布索方案的综合比较,对采用预应力技术的可行性进行了深入的研究。通过对多种优化方法的研究与应用,有效地减小了国家体育场大跨度钢结构的用钢量,并取得了显著的技术进步及社会经济效益。     

体育场馆标识系统设计——以国家体育场为例

结合设计实践,归纳和总结体育场馆标识设计的内容,对国家体育场的标识设计做了详细的分析,从建筑师的视角对设计的关键点提出自己的见解,对设计的发展趋势做了理论性探讨。