首都博物馆结构设计创新技术

首都博物馆新馆工程位于北京市西城区复兴门外大街南侧,为一多功能大型公共建筑,占地面积24800平方米,总建筑面积约61700平方米,为北京市重点工程,是新世纪北京市标志性建筑之一。其结构设计创新技术体现在以下几个方面：     

国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温度研究

结合国家体育场工程,对温度差异引起桁架结构的内力效应、太阳辐射吸收系数ρ的影响因素以及降低太阳辐射温升的措施进行了分析。通过分析统计得到结构各区域箱形构件的太阳辐射照度,合理地确定了温度场计算采用的各种参数及室内外风速及相应的热传导计算边界条件。采用有限元法计算了箱形构件各表面的辐射温度与构件的平均辐射温升,从而确定了“鸟巢”结构各区域内构件的辐射温度。明确提出大跨度屋盖结构的合拢与合拢温度要求,并根据历史气象温度记录与变化趋势、太阳辐射温升、结构设计的合理性以及结构施工的实际进程,综合确定在大跨度钢结构设计时采用的合拢温度与最大正、负温差。     

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。     

国家体育场桁架柱柱脚锚固性能试验研究

国家体育场钢柱脚锚固于钢筋混凝土承台中,其受力复杂,以往国内外类似的设计及试验均很少。本文共进行了4个钢柱脚-钢筋混凝土承台试件锚固性能的试验研究,其中2个为混凝土承台中配置抗拔钢筋的试件,2个为混凝土承台中未配置抗拔钢筋的试件。通过单向重复加载下的钢柱脚锚固性能试验,对试件的锚固承载力、延性、合理配筋型式等进行了研究。试验表明,混凝土承台中配置抗拔钢筋的试件与未配置抗拔钢筋的试件相比其锚固承载力和延性显著提高。在试验基础上,建立了柱脚锚固承载力计算的桁架模型,计算结果与实测结果符合较好。     

济南遥墙机场T2航站楼超长结构温度及行波效应研究

济南遥墙机场T2航站楼主楼平面尺寸为702 m×619 m,大跨度钢屋盖平面尺寸为718 m×640 m,结构长度超过我国现行标准的规定，需要重点考虑温度作用与地震行波效应的影响。根据建筑造型、使用功能以及混凝土结构、钢结构的特点，将混凝土主体结构划分为6个区，对超长结构进行温度作用与行波效应分析。分析结果表明：钢结构施工阶段受气温和太阳辐射影响较大，根据工期对极端气温取值进行调整，可以显著减小正、负温差值；对于混凝土主体结构，施工阶段的负温差起控制作用；随着楼层高度增大，温度应力逐渐减小；温度作用对大跨度屋盖弦杆和水平撑杆影响较大，对腹杆影响较小；视波速受震源深度、震中距和土层剪切波速等因素的影响，当无法确定震中距与震源深度时，可以偏于保守地将中地壳岩层剪切波速的平均值(3.5 km/s)作为视波速；为了避免少数低应力构件造成的失真，采用涵盖95%构件的内力影响系数最大值表征行波效应的影响；在视波速激励下，首层框架柱与支承屋盖钢柱内力增幅约为10%,对行波效应较为敏感的构件主要分布在结构单元的角部和周边；行波效应对整体大跨屋盖结构影响较为显著，杆件内力增幅为15%～20%。     

钢板混凝土组合剪力墙轴压比影响研究

钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能与轴压比关系密切。采用Marc有限元软件对不同轴压比的钢板混凝土组合剪力墙进行了弹塑性分析,以考察轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的抗侧刚度、滞回性能、耗能能力、变形能力以及承载力的影响,并对其分析模型进行了试验验证。研究结果表明：钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力随轴压比变化,当轴压比为0.4时,承载力达到最大值;当轴压比在0.2～0.4范围时,钢板混凝土组合剪力墙变形能力最大,耗能能力最强;当轴压比超过0.6时,其变形能力下降,延性减小,耗能能力减弱;轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的初始刚度有一定影响,伴随着往复加载,墙体抗侧刚度不断减小。研究中为了验证有限元分析结果的可靠性,进行了钢板混凝土组合剪力墙压弯受力缩尺模型试验。有限元数值模拟结果与缩尺模型试验结果比较接近,而按照JGJ 138-2012《组合结构设计规范》（报批稿）和纤维模型计算得到的钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力偏于保守。为了保证钢板混凝土组合剪力墙良好的抗震性能,在实际工程中构件的轴压比设计值不宜过高。     

北京中关村金融中心塔楼钢结构设计计算分析

北京中关村金融中心钢结构主塔楼为国内首座平面和立面均为双曲面的超高层钢结构建筑,建筑面积79 318m2,总高度150m,地下4层,地上35层,采用钢框架-支撑体系,其中层1~4为型钢混凝土结构。曲面上的框架柱随着立面的变化全部采用斜柱。介绍了金融中心钢结构主塔楼分析的结构方案、线性和非线性分析、折线柱的处理、过渡层、梁柱外伸式连接节点等设计中需要解决的相关问题。     

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。     

北京中关村金融中心连廊结构设计

北京中关村金融中心连廊工程平面及立面均为弧形,支承在不同的结构主体上,体型独特,支承条件复杂。主体采用大跨度空间钢桁架结构体系,屋面采用异型空间刚架结构体系。在施工阶段,主桁架支座设计成纵向可自由滑动的滑动铰支座,以释放部分内力。采用抗震球形钢支座消除相对位移对各独立主体结构产生的影响。由于屋面风荷载效应显著,通过风洞试验确定连廊屋面的风压分布情况。     

国家体育场屋盖次结构扭曲构件设计研究

国家体育场屋盖肩部次结构扭曲构件以受弯为主,构件壁厚很薄,板件容易发生局部屈曲。对扭曲构件受力机理进行了深入的研究,提出设置内部加劲肋的方式提高箱形扭曲构件的抗弯刚度,减小板件的面外变形。通过调整加劲肋间距,使扭曲构件与分段折线箱形构件的强度与刚度相等。在确定加劲肋形状时,综合考虑焊接操作空间、节约材料等因素。设计过程中除进行大量有限元计算分析外,还进行了缩尺模型试验,验证设计方法的可靠性。