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国家速滑馆索网结构成功完成张拉

发布日期:2019-4-4 8:39:40

钢结构在现代的建筑中应用非常广泛。许多大型的漂亮的巨著都是由钢构实现的,国家速滑馆就是一个例子。钢构能实现其他材料不能实现的美观。

国家速滑馆是2022年北京冬奥会的标志性场馆,赛时将作为速度滑冰项目的比赛和训练场地。北京建院作为设计方,完成了初步设计和施工图设计阶段全专业的设计工作.

2019年3月19日,随着最后一根稳定索安装就位,国家速滑馆索网结构张拉作业正式完成。在参建各方共同努力下,国家速滑馆索网结构以高标准实现张拉成形,向工程主体结构完工、按期实现封顶封围迈出坚实一步。

国家速滑馆平面为椭圆形,屋顶呈马鞍形曲面,外侧的天坛曲线幕墙勾勒出富有动感的“冰丝带”轮廓。为实现复杂的建筑体型,设计团队提出了由屋顶索网、环桁架和外侧幕墙斜拉索组成的钢结构主受力体系,巧妙搭建起支撑建筑绚丽“外衣”的“骨架”。

为了将这副“骨架”打造成无懈可击的钢筋铁骨,设计团队针对上万种不同工况进行了计算分析,设计团队还委托浙江大学空间结构研究中心开展了结构模型试验研究,在实验室里搭建起一座几何相似比为1:12的“迷你骨架”,从施工可行性到受力性能对设计成果进行了全方位验证,确保整个工程设计万无一失。

骨架内部,环桁架为索网提供闭合的椭圆形边界,支承于48根看台柱与环梁组成的混凝土结构上;斜拉索上端拉接于环桁架外侧,下端与混凝土结构相连,主要起平衡索网内力、提高环桁架稳定性和为幕墙结构提供支承的作用。索网、环桁架和斜拉索三者共同组成了一套刚柔相间、刚柔相济的协同受力体系。

工程难点 复杂索网边界的实现

环桁架与斜拉索形成的复杂索网边界为场馆结构的设计和施工带来了挑战。为了避免索网张拉在混凝土结构内引起巨大内力,大家的设计团队提出索网张拉过程中环桁架支座水平向自由滑动、待张拉完成后再进行固定的思路。该思路要求索网张拉时钢结构主受力体系以自平衡状态工作,环桁架仅向下部结构传递竖向力,由此减轻混凝土结构的负担。然而由于支承刚度减小,环桁架在索网张拉过程中将出现不可忽视的水平变形,这会对索网和斜拉索的成形状态产生不利影响,若处理不当,将难以准确实现预期的建筑造型。


解决方法

结构设计团队创造性地提出了考虑复杂边界条件的索网结构形态分析方法,实现复杂边界条件下对索网及边界结构成形状态的精确控制。运用该方法,设计团队得到了与目标位形和目标索力完全吻合的钢结构主受力体系张拉成形状态,以及实现这一目标所需的索网、环桁架和斜拉索的加工下料与安装定位几何尺寸。

工程难点  索网的“刚化”过程

索网与建筑外形完美契合,传力途径简洁高效,是打造速滑馆建筑效果和形成稳定受力体系的核心元素。与常规的混凝土结构、钢结构等刚性结构不同,索网由柔性的钢索组成,构件只能承受拉力,不能受压或受弯,因此体系自身并不具备承担外来荷载的能力,需要通过施加预拉力,并基于预拉力和几何位形建立几何刚度,使体系刚化为结构,方可形成承载能力。对于一个严格给定成形后目标形状的索网结构,施加的预拉力必须精确控制,否则将难以实现预定的建筑几何外形。

解决方法:

结构设计团队通过形态分析,得到了索网需施加的预拉力大小与相对分布,使预拉力在目标位形与结构自重等荷载达到平衡,且结构满足各种荷载工况下的性能要求。

索网的施工过程在宏观层面可分为地面组装、整体提升、同步张拉三个主要步骤,前两项工作已于前期完成,刚刚完成的索网张拉就是依据设计结果,在前期承重索提升到位的基础上,通过同步张拉稳定索对柔性的“索网”施加预拉力、最终形成具有刚度的“结构”的过程,因此本次张拉作业是索网结构施工、乃至整个速滑馆工程建设的重中之重。


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