做奥运场馆建筑的“安全卫士”

新闻中心记者 张莞昀

  随着2008北京奥运会脚步的临近,一批奥运场馆走入人们的视野。“水立方”、“鸟巢”、奥运乒乓球馆作为三个奥运会新建场馆,以其独特的建筑造型受到世人瞩目。这三个大跨度空间钢结构采用了从未或者极少应用过的结构形式,在令人赏心悦目的同时,也不免在人们心中留下了问号:这些建筑安全吗?

  清华大学土木系钱稼茹教授带领的科研团队就参与到解开这一问号的工作中。

  [水立方]钢结构墙体抗震性能好、安全储备大

  国家游泳中心“水立方”是2008北京奥运会的主要场馆之一。一面世,湛蓝色的膜结构“外衣”就成为人们关注的焦点,而这层美丽华服下的钢结构“骨架”却很少引起人们的注意。事实上,正是这些不为人知的“骨架”成为“水立方”的抗震结构,也是设计、施工中面临的头号难题。

  早在设计之初,建筑师就将目光锁定在“水泡”的概念上,用“水泡”的形式组合成浑然一体的屋盖和墙体,在屋盖和墙体的内外表面均覆以ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)充气气枕,成为“水立方”。为了实现建筑师的设计理念,水立方的屋盖和墙体采用了基于“气泡”理论的多面体空间刚架钢结构。多面体空间刚架结构以类WP多面体为基本单元,经过组合、阵列、旋转、切割等过程而形成。从外观上看,多面体空间刚架钢结构的杆件长短不一、纵横交错、很不规则,但看似无序的架构中蕴含着一定的规律。

  “水立方”多面体空间刚架钢结构的施工难度很大。工人师傅需要按设计图纸确定连接杆件的钢球节点的空间位置,临时固定钢球节点,然后再将杆件与节点焊接。

  这是这种新型的多面体空间刚架钢结构首次应用于地震区的大跨度空间结构,国内外对其抗震性能均无试验研究。

  为了能够更好地掌握这种结构的抗震性能,我校土木系钱稼茹教授科研团队以“水立方”内墙中的典型部分为子结构,完成了该子结构模型在竖向荷载和往复水平荷载作用下的抗震试验。试验模型的缩尺比例为1/3,在8.841米×1.959米×5.609米(长×宽×高)的模型结构中,共有97个节点、185根杆件。试验结果表明,子结构模型具有足够大的抗震安全储备。

  在试验进行时,“水立方”正在建设之中,工程各方都非常关注试验结果。当试验确认该模型结构具有很好的抗震性能后,团队立刻向北京市“2008”工程建设指挥部办公室做了汇报,让大家悬着的心放了下来。

  [鸟巢]钢结构抗震设计安全、达到预定性能目标

  与身披湛蓝“外衣”的“水立方”相邻的是颇具现代感的国家体育场“鸟巢”,因整个建筑呈网格状、仿若树枝组成的鸟巢而得名。

  “鸟巢”大跨度空间钢结构由主结构的桁架柱和桁架梁、顶面次结构和立面次结构组成。桁架柱的外柱顶部的杆件以及大量次结构构件采用了空间薄壁扭曲箱形构件,这种构件在平面内弯曲的同时绕轴线扭转。扭曲箱形构件的几何构型特殊,受力机理复杂,在大跨度空间结构中应用尚属首次,国内外均无相关研究成果和技术规范。空间薄壁扭曲箱形构件的截面尺寸达1.2米×1.2米,而钢板的厚度只有几厘米,尽管钢材的强度高、柔韧性能好,但这种构件是否安全、可靠,仍需要通过试验和受力分析进行研究。

  为此,钱稼茹教授科研团队对空间薄壁扭曲箱形构件进行了三项模型试验和分析:抗拉试验和分析,抗弯试验和分析,外柱顶部肘形结构模型抗拉试验和分析。

  通过三项试验,团队获得了拉力-位移曲线、弯矩-挠度曲线、屈服荷载、破坏过程和破坏形态、承载能力和变形能力等多项数据。试验结果为设计单位对极少量构件的调整提供了依据。

  “鸟巢”钢屋盖是超大跨度空间结构,平面呈椭圆型,长轴330多米,最高点高度为68.5米,重40000多吨,有9522根构件,大跨度钢屋盖支撑在24根桁架柱上。如果遇到强烈地震,“鸟巢”将会怎样?

  钱稼茹教授科研团队采用有限元软件,对国家体育场“鸟巢”整体结构进行了三维静力非线性和三维动力非线性抗震分析。结果表明,大震作用下,国家体育场钢结构最大位移小于其限值;主结构在桁架柱上出现数量很少的塑性铰,屈服程度轻;次结构也有少量的塑性铰,仅极少数铰的强度下降至残余强度;结构的整体刚度没有下降,尚未达到最大承载能力。国家体育场钢结构设计达到了预定的抗震设防性能目标。

  [奥运乒乓球馆]“中国脊”屋盖优美、安全兼顾

  与“水立方”的婀娜、“鸟巢”的雄伟不同,坐落在北京大学校园内的奥运乒乓球馆更多了几分中国传统建筑的韵味。钢屋盖空间桁架结构巧妙地形成了中国传统造型的“中国脊”。站在高处俯瞰,还会发现屋顶别有一番天地:在两条旋转的屋脊汇聚处突出了一个透明球体,仿佛是一个强有力地旋转的乒乓球。有些大型公共建筑为了形状优美在屋顶上再做一个“假”的造型,但奥运乒乓球馆打破常规,利用结构本身来呈现建筑的美。

  奥运乒乓球馆屋盖结构体系为预应力“柔性”拉索和“刚性”空间桁架通过撑杆连接而成的预应力张拉空间桁架壳体,主要由32榀辐射桁架、中央刚性环、中央球壳和支撑杆、下刚性环、辐射拉索及支撑体系六部分组成,结构新颖独特,在国内很少应用。除了周边有支承外,由众多钢桁架、刚性环、球壳等组成的大跨度的钢结构下没有一根柱子,只通过预应力钢索的张拉作用支撑起来,受力方式非常复杂。

  钱稼茹教授科研团队对奥运乒乓球馆钢结构屋盖进行了施工全过程监测,采用大型通用有限元软件对奥运会乒乓球馆屋盖钢结构进行了施工全过程模拟,为顺利完成拉索的预应力张拉、中央刚性环顺利卸载提供了有力的技术保障。

  在奥运乒乓球馆钢屋盖施工过程中,曾出现过火灾。由于团队在钢构件和预应力索上布有传感器,获得了可靠的数据,得出了火灾对结构受力没有影响的结论,使施工得以继续进行。

  为了对奥运会期间钢结构屋盖的安全提供充分依据,同时也考虑到建筑工程最容易出现结构安全问题的阶段是施工中及建成后两年之内,因此,钱稼茹教授科研团队将会一直跟踪监测奥运乒乓球馆到2009年。

  [对话钱稼茹]我们只是做了奥运工程中的一点点

  记者:为什么要做建筑的抗震实验,是否所有建筑都要做抗震实验?

  钱稼茹:我国地处全球两大地震带之间,是一个多地震国家,地震带主要分布在东南(台湾和福建沿海一带)、华北(太行山沿线和京津唐渤地区)、西南(青藏高原、云南和四川西部)、西北(新疆和陕甘宁部分地区)。北京刚好处于地震带上,抗震设防烈度为8度。如果北京遭到约6.5度的地震,房屋建筑不应该有破坏;如果遭到8度地震,房屋建筑会有一些较轻破坏,可以修复;如果遭到9度地震,房屋建筑可能会有比较严重的破坏,但不会倒塌。8度地震约500年可能发生一次,9度地震2000多年可能发生一次。

  并不是所有建筑都需要进行抗震试验,绝大部分房屋建筑按国家颁布的规范进行设计,不需要做抗震实验。“水立方”和“鸟巢”都采用了新的结构或新的构件形式,国内外没有相关的研究成果,因此需要通过实验研究它们的抗震性能。

  记者:您带领团队如何参与这些奥运工程?

  钱稼茹:三个项目的投入方式不同。奥运乒乓球馆的项目更多的是在现场工作,“水立方”子结构模型抗震试验和“鸟巢”的扭曲箱形构件实验主要是在学校的实验室中进行实验,“鸟巢”的整体抗震能力分析是进行计算。以前,像“鸟巢”这样复杂的大跨度空间结构的弹塑性抗震计算并不多,我们在构件的参数确定等方面花了很多功夫,计算和数据处理分析也很费时间。

  记者:在参与奥运工程的工作中,哪件事给您留下了深刻印象?

  钱稼茹:奥运乒乓球馆项目。这项工作开始于2006年年底,当时天气特别冷,我们要在室外安装传感器、拉线、现场监测。这项工作是我们这个团队投入人工最多的项目。在施工过程中,遇到了乒乓球馆的火灾,我们提供的数据帮助有关部门做出了决策。

  记者:您带领的团队参与了奥运会三个场馆的建设工作,在这些工作中您最大的感受是什么?

  钱稼茹:我们的工作只是奥运场馆建设中的一点点,整个工程有成千上万的工作人员参与。能够参与奥运场馆建设,对我们来说是十分幸运的。

2008年07月15日 11:49:41  清华新闻网

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