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。

焊接薄壁箱形截面轴心压杆的承载力计算

在论证有效截面法和有效屈服强度法的相通性的基础上,建议对焊接薄壁箱形截面轴心压杆采用后一种方法计算其承载力。在用这种方法计算时,用传统的正则化宽厚比作为参数,以保证必要的可靠度。建议方法和已有试验资料做了比较。对中长压杆,试件实测承载力大多略高于计算值。

点焊薄壁构件受集中载荷或均布载荷作用时的翘曲扭转研究

基于点焊薄壁构件翘曲扭转理论,分析和研究点焊双帽箱型横截面薄壁构件中部有集中载荷和整个构件长度上有均匀分布载荷作用时的扭转变形特性。进行数值仿真发现,在构件中部受集中力偶作用时,扭转刚度比与载荷作用点有关,在集中力偶作用附近流过焊点的剪应力很小,并作用点左右两侧的剪应力方向相反;在整个构件长度上受均匀分布力偶作用时,只要两端不约束翘曲,扭转刚度比保持不变等。

高强钢薄壁箱形截面压弯构件极限承载力研究

利用数值模拟方法分析了18Mn2Cr Mo BA高强钢薄壁箱形截面(由槽形钢板对焊而成)压弯构件的极限承载力,研究了长细比、翼缘宽厚比、截面边长比3个参数对薄壁箱形截面构件极限承载力的影响。在数值模拟计算和对轴心受力、受弯构件研究的基础上,提出了适用于18Mn2Cr Mo BA高强钢薄壁箱形截面压弯构件极限承载力的计算方法。研究结果表明:随着长细比的增大,弯矩-轴力相关曲线由上凸变为下凹,翼缘宽厚比、截面边长的增大都会降低构件极限承载力,各参数之间相互影响。提出的建议计算方法与有限元计算结果符合较好。

690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件承载力直接强度法研究

与有效宽度法和有效屈服强度法相比,直接强度法更简单。采用ANSYS有限元软件建立模型分析了名义屈服强度f_(y)为690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件的极限承载力,并和直接强度法、修正的直接强度法相比较。主要参数:板件宽厚比b/t=23,30,40,50和60;构件长细比λ=20,30,40,50,60,70,80和90。研究结果表明:对f_(y)=690MPa的薄壁方形截面(b/t>20)轴压构件,采用直接强度法和修正直接强度法计算时,其稳定系数采用《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的a类曲线;对长细比70≤λ≤90的构件,3种方法均偏保守;对长细比20≤λ<70的构件,在大部分宽厚比范围内,Kwon等提出的修正直接强度法能较好地预测有限元计算结果,直接强度法偏于不安全,Shen Hongxia提出的修正直接强度法偏安全。

中美新规范关于焊接薄壁箱形轴压构件稳定承载力设计方法研究

和前一版本相比,我国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)(简称《钢标》)和美国钢结构规范(ANSI/AISC 360-16)(简称《16版美标》)均对焊接薄壁箱形截面轴心受压构件的相关条文做了较大修正。修正后的计算公式是否能很好地预测焊接薄壁箱形截面轴心受压构件的稳定承载力尚未见报道。对比了两国新旧版本规范的相关内容,收集了名义屈服强度为235~690 MPa钢焊接薄壁箱形截面轴心受压构件的试验结果和有限元结果,并验证了《钢标》和《16版美标》相关条文的适用性。已有试验和有限元结果表明:《钢标》按b类截面计算构件的稳定承载力较为保守,特别是对于大长细比和大宽厚比构件,如果改为按a类截面计算则偏不安全;《16版美标》偏不安全。

确定均质薄壁箱型压杆失稳特性的自由振动法

根据薄壁箱型截面的变形特征,针对薄壁箱型杆件的顶板、悬臂板和底板,分别假设不同的剪力滞翘曲位移函数,以考虑其不同宽度的剪力滞效应,导出了薄壁箱型杆件在压力作用和自由振动下的能量泛函.基于最小势能原理并利用分离变量法、伽辽金法,得到薄壁箱型压杆的特征方程.依据自由振动的有界性分析,求出了悬臂均质薄壁箱型压杆考虑剪力滞效应的临界荷载和欧拉临界荷载修正系数,分析了跨宽比和翼缘惯性矩与全截面惯性矩之比值对临界荷载的影响,说明了欧拉临界荷载公式的适用条件.

薄壁箱形构件组装焊接技术

详细分析薄壁箱形构件焊接的特点和难点,并结合工厂实际制作能力制订有针对性的工艺技术措施。这些措施包括从焊接工艺原理的角度,合理、科学地设计出各主要焊缝的形式、主结构装配顺序、焊缝焊接顺序和工艺要求,保证结构受力性能和结构的尺寸稳定,构件制作质量达到优良标准。通过该类型构件的制作,也给建筑钢结构工厂制作工艺赋予了新的涵义——以工厂实际制作能力为本,打破常规,推陈出新,触类旁通。

国家体育场大跨度钢结构设计与研究

在国家体育场设计中,利用CATIA空间建模软件建立了国家体育场大跨度钢结构精确的三维空间几何模型与计算模型。为了使结构受力合理、减小构件加工制作难度与施工的复杂性,主桁架弦杆在相邻腹杆之间采用直线代替空间曲线构件,桁架柱腹杆尺寸与菱形内柱同宽。对于屋盖肩部的空间扭曲构件,在整体计算模型中用分段折线代替理想曲线,并对每段构件截面的主轴方向进行偏转。屋顶与立面次结构可以有效减小主结构弦杆面外的计算长度,提供ETFE膜结构、下弦声学吊顶与屋面排水系统的支承条件,并形成结构的抗侧力体系。在设计中运用将“死”单元逐次激活的技术,对钢结构在整个施工过程刚度和荷载的变化情况进行模拟。根据风洞试验确定风压分布,提出下风振系数的计算方法,确定大跨度结构的风振下压效应。采用新型国产高强钢材,并根据构件的重要性确定钢材的技术性能要求。在综合考虑工程的重要性、结构受力特点、施工偏差以及工程造价等多种因素的基础上确定构件应力比限值,进行构件优化计算。对恒荷载、活荷载、风荷载、温度作用、小震与中震及相应的工况组合进行计算,并对材料利用率与结构用钢量进行了分析统计。

国家体育场桁架柱外柱节点设计研究

国家体育场桁架柱外柱节点的几何关系复杂,存在T型、K型及KT型等多种腹杆形式,腹杆侧壁与外柱壁板斜交,还存在与立面次结构相交的情况。焊接薄壁箱形构件相贯节点的刚度差,承载力低。本文通过在外柱内设置横向加劲肋与局部纵肋等构造做法,可以有效提高节点刚度与承载力。对于有次结构的外柱节点,次结构的上、下壁板不能全部贯通,在保证腹杆与外柱传力可靠的前提下,在外柱节点区设置传力三角区。对于K型腹杆节点,翼缘较厚的腹杆贯通;对于KT型腹杆节点,中间腹杆贯通。通过合理设计拼接焊缝位置、采用整板切割等方式,可以有效减少焊缝数量,避免焊缝重叠。采用有限元法分析外柱节点的受力形态,并根据“最大平均应力”的原则确定节点域板件的厚度,实现“强节点”的设计理念,保证节点的可靠性与经济性。