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第1篇 工程基本情况1

第1章 工程概况3

1.1工程概况3

1.2方案调整与修改初步设计6

1.2.1“鸟巢”方案6

1.2.2“鸟巢”钢结构体系12

1.2.3混凝土结构体系26

1.3主要科研成果27

1.3.1关键技术问题27

1.3.2创新技术成果28

参考文献30

第2章 结构方案设计32

2.1“鸟巢”钢结构32

2.1.1概述32

2.1.2“鸟巢”钢结构的几何模型32

2.1.3结构模型的调整与简化35

2.2混凝土看台与基座结构39

2.2.1结构的安全等级及设计使用年限39

2.2.2结构的环境类别40

2.2.3自然条件40

2.2.4抗震设防有关参数40

2.2.5结构方案40

2.3基础43

2.3.1场地的工程地质及水文地质条件43

2.3.2基础设计54

参考文献56

第2篇 结构分析57

第3章“鸟巢”钢结构计算分析59

3.1设计荷载与工况组合59

3.1.1建筑结构的安全等级与设计使用年限59

3.1.2恒荷载与活荷载60

3.1.3风荷载60

3.1.4温度作用62

3.1.5雪荷载与积水荷载62

3.1.6地震作用62

3.1.7荷载工况组合63

3.2计算模型与静动力分析结果64

3.2.1计算模型64

3.2.2截面设计公式66

3.2.3静荷载作用下的主要计算结果68

3.2.4动力特性与地震作用下的内力与变形69

3.3罕遇地震下的弹塑性时程分析72

3.3.1杆件恢复力模型72

3.3.2计算参数与地震波输入76

3.3.3动力弹塑性计算结果与分析78

3.3.4静力弹塑性（Pushover）分析81

3.4结构几何非线性分析86

3.4.1钢屋盖的几何非线性分析86

3.4.2结构的整体稳定性分析87

3.4.3主桁架杆件的计算长度88

3.4.4次结构的构件计算长度89

3.5施工过程模拟分析90

3.5.1施工模拟的必要性90

3.5.2钢结构安装方案91

3.5.3施工模拟计算方法94

3.5.4主要计算结果与分析94

3.5.5主、次结构分阶段安装的误差分析98

3.5.6钢结构安装技术要求100

3.5.7小结101

3.6 ANSYS软件设计与优化功能开发101

3.6.1主要开发内容101

3.6.2 ANSYS设计功能菜单界面102

3.6.3优化设计模块103

3.7“鸟巢”的用钢量分析105

3.7.1构件应力比确定原则105

3.7.2结构用钢量的优化措施107

3.7.3结构用钢量统计107

参考文献109

第4章 混凝土结构计算分析111

4.1非抗震组合与小震作用下的整体分析111

4.1.1结构计算软件的选择111

4.1.2结构整体计算的统筹规划112

4.1.3结构整体建模112

4.1.4主要计算结果113

4.2多遇地震下的弹性时程分析120

4.3罕遇地震下的静力弹塑性（Pushover）分析122

4.3.1方法122

4.3.2加载方式123

4.3.3分析结果123

4.4单榀框架模型分析125

4.4.1计算模型125

4.4.2长悬臂梁竖向地震作用分析126

参考文献133

第5章 基础计算分析134

5.1试桩分析134

5.1.1试桩目的134

5.1.2单桩竖向抗压与抗拔静载试验的试桩数量和单桩极限承载力估算值135

5.1.3基桩水平静载试验的数量和单桩水平极限承载力的估算值135

5.1.4试桩内容设计135

5.1.5试桩工程研究成果137

5.1.6基桩承载力的取值140

5.2桩基计算141

5.2.1最不利工况141

5.2.2组合柱承台下群桩的偏心设置142

5.2.3组合柱承台下桩基计算汇总142

5.3基础沉降分析143

5.3.1基础沉降分析的意义143

5.3.2工程地质条件简述143

5.3.3沉降计算方法144

5.3.4沉降分析结果与结论146

5.3.5沉降观测与验证148

参考文献148

第3篇 结构设计149

第6章“鸟巢”钢结构设计151

6.1主桁架151

6.1.1主桁架布置151

6.1.2主桁架杆件152

6.1.3主桁架节点152

6.2桁架柱158

6.2.1桁架柱布置158

6.2.2桁架柱构件设计160

6.2.3桁架柱节点161

6.3桁架柱柱脚166

6.3.1柱脚布置166

6.3.2桁架柱柱底合并段167

6.3.3桁架柱柱脚的几何构造168

6.3.4立面次结构柱脚171

6.4顶面次结构172

6.4.1顶面次结构布置172

6.4.2顶面次结构构件设计174

6.4.3次结构节点设计175

6.5立面次结构177

6.5.1立面次结构布置177

6.5.2立面次结构构件设计178

6.6立面大楼梯179

6.6.1立面大楼梯的结构体系179

6.6.2立面大楼梯的构造180

6.6.3立面大楼梯的计算分析184

6.7多面体铸钢节点设计186

6.7.1多面体铸钢节点几何构型设计研究186

6.7.2多面体铸钢节点力学性能研究187

6.7.3铸造工艺与质量控制体系研究190

6.8钢材材质、钢结构加工制作与安装192

6.8.1主要结构材料192

6.8.2主要结构构件201

6.8.3验收标准与允许尺寸偏差203

6.8.4钢结构安装204

6.8.5钢结构施工详图205

6.8.6加工制造与现场安装206

6.8.7加工制作、安装和使用阶段安全注意事项207

6.9钢结构防腐与防火涂装207

6.9.1对防腐涂料基本性能的要求207

6.9.2防腐涂料的技术要求207

6.9.3防腐涂料的其他要求209

6.9.4对防腐涂料配套方案内容的规定209

6.9.5基材表面处理要求210

6.9.6涂料产品的施工性能210

6.9.7防火涂料211

6.10预应力技术应用研究212

6.10.1预应力布索方案212

6.10.2预应力计算方法213

6.10.3预应力构造要求与现场张拉217

6.10.4采用预应力技术的综合评价217

参考文献218

第7章 混凝土结构设计220

7.1框架结构设计220

7.1.1混凝土看台框架结构模板图设计220

7.1.2构件设计224

7.2清水混凝土预制看台板设计225

7.2.1总体设计方案225

7.2.2连接构造设计227

7.2.3预制看台板细部设计228

7.2.4预制看台板的检测229

7.3预应力构件设计233

7.3.1预应力转换梁设计233

7.3.2 20m跨预应力梁的设计239

7.3.3大跨度悬挑梁的预应力设计241

7.3.4大跨度预应力无梁楼盖设计242

7.3.5预应力空心楼盖设计244

7.3.6小结249

参考文献249

第8章 基础设计251

8.1钢结构柱脚基础设计251

8.1.1桩基设计251

8.1.2承台设计252

8.2地下室抗浮设计254

8.2.1抗浮水位的确定254

8.2.2抗浮方案的确定254

8.2.3抗拔桩设计255

参考文献255

第4篇 关键技术257

第9章 大跨度结构风荷载效应259

9.1风洞试验研究与风压分布260

9.1.1试验模型260

9.1.2测试结果262

9.1.3膜结构瞬时风压分布267

9.2时域法计算风振系数267

9.2.1大跨度结构的风振系数267

9.2.2时域计算方法268

9.2.3动力位移响应与风振系数271

9.3频域法计算风振系数273

9.3.1随机风振响应振型叠加法274

9.3.2风振系数277

9.3.3屋盖结构的随机风振响应及其风振系数277

9.4大跨度结构风荷载效应280

9.4.1风荷载计算280

9.4.2最不利风向角280

9.4.3风荷载作用下结构的内力、位移与应力281

参考文献285

第10章 大跨度结构的温度场287

10.1温度变化引起的结构效应287

10.1.1管桁架结构的温度效应287

10.1.2温度变化对国家体育场大跨度钢结构的影响289

10.2太阳辐射照度计算方法与影响因素291

10.2.1太阳辐射照度计算方法291

10.2.2钢结构太阳辐射照度分区294

10.2.3太阳辐射吸收系数295

10.3太阳辐射引起钢结构温度升高的计算298

10.3.1瞬时辐射温度298

10.3.2稳态热传导的有限元计算方法298

10.4设计温差与合拢温度300

10.4.1北京地区气温变化情况300

10.4.2全球气候变暖的影响302

10.4.3气象温度条件的区域性302

10.4.4钢结构本体的最高温度与最低温度302

10.4.5大跨度钢结构的合拢温度303

10.4.6大跨度钢结构设计的控制温度304

10.5物理降温方案研究305

10.5.1“鸟巢”钢结构合拢温度控制305

10.5.2拟建场地7、8月份天气预测305

10.5.3冷水降温方案306

10.5.4合拢温度的调整与最终确定309

10.6温度测点布置与合拢温度监测309

10.6.1温度测试系统、仪器设备及测点布置309

10.6.2“鸟巢”钢结构合拢温度监测情况311

参考文献314

第11章 钢结构复杂节点设计315

11.1主桁架单K节点设计315

11.1.1单K节点几何构型方法及受力机理315

11.1.2主桁架单K节点T10A-5a有限元分析与试验320

11.1.3单K节点T9A-6有限元分析与试验328

11.1.4结论335

11.2主桁架双弦杆KK节点设计335

11.2.1双弦杆KK节点几何构型方法及受力机理336

11.2.2双弦杆KK节点T10A-5有限元分析与试验340

11.2.3双弦杆KK节点T9A-3有限元分析与试验349

11.3桁架柱内柱多腹杆KK形节点设计356

11.3.1多腹杆KK节点几何构型方法及受力机理研究357

11.3.2桁架柱内柱广义KK节点C8-05有限元分析与试验研究359

11.3.3桁架柱下柱柱顶节点C4-02有限元分析与试验研究364

11.4桁架柱外柱节点设计376

11.4.1节点几何构型方法及受力机理研究377

11.4.2无次结构外柱K形节点P1A-4a有限元分析与试验研究378

11.4.3带次结构外柱KX形节点P4A-3a有限元分析与试验研究385

参考文献395

第12章 焊接薄壁箱形构件设计397

12.1复杂受力状态下薄壁箱形构件设计397

12.1.1薄壁箱形构件的有效截面398

12.1.2构件截面验算公式400

12.1.3算例分析402

12.2焊接薄壁箱形构件翘曲效应分析405

12.2.1焊接薄壁箱形构件翘曲效应计算方法405

12.2.2算例406

12.3焊接薄壁箱形构件抗震性能研究409

12.3.1塑性铰的定义410

12.3.2薄壁箱形构件的抗震性能研究410

12.3.3薄壁箱形构件塑性铰参数418

12.4焊接薄壁箱形构件横向加劲肋设计418

12.4.1加劲肋的作用与合理形式418

12.4.2焊接薄壁箱形构件壁厚变化处的应力与变形423

12.5纵向加劲肋在焊接薄壁箱形构件中的作用研究424

12.5.1无加劲肋薄壁箱形构件轴心受压承载力424

12.5.2有加劲肋薄壁箱形构件的设计方法426

12.5.3薄壁箱形构件的非线性分析427

12.6多薄壁箱形构件相交节点设计430

12.6.1两杆相交节点应力公式推导430

12.6.2两杆相交节点431

12.6.3三杆相交节点434

12.6.4多杆相交节点域设计434

参考文献444

第13章 扭曲薄壁箱形构件设计445

13.1扭曲箱形构件概述445

13.1.1扭曲构件的受力特点446

13.1.2扭曲箱形构件设置加劲肋的作用448

13.2扭曲箱形构件施工图空间坐标表示法452

13.2.1扭曲箱形构件的构型方法453

13.2.2扭曲箱形构件特征点的确定454

13.2.3误差控制455

13.2.4曲率突变点的处理456

13.2.5施工图空间坐标表示法要点456

13.2.6数据检验460

13.3扭曲箱形构件的受拉性能460

13.3.1扭曲箱形构件拉伸受力性能有限元分析460

13.3.2扭曲箱形构件拉伸受力性能试验463

13.4扭曲箱形构件纯弯受力性能472

13.4.1扭曲箱形构件纯弯受力性能有限元分析473

13.4.2扭曲箱形构件纯弯受力性能试验475

13.5柱顶局部扭曲箱形构件受力性能485

13.5.1柱顶局部扭曲箱形构件受力性能有限元分析485

13.5.2柱顶局部扭曲箱形构件受力性能试验487

参考文献492

第14章 大型柱脚与基础设计494

14.1柱脚选型与结构整体受力性能494

14.1.1柱脚受力特点494

14.1.2边界条件对结构整体受力性能的影响495

14.2柱脚几何构型设计499

14.2.1桁架柱柱底合并段499

14.2.2大型柱脚的几何构造499

14.2.3箱形柱脚底板501

14.2.4柱脚锚固件502

14.2.5柱脚在混凝土承台内的定位方法502

14.3柱脚-混凝土承台有限元分析503

14.3.1有限元模型503

14.3.2有限元分析结果503

14.4柱脚锚固性能试验504

14.4.1试验模型504

14.4.2加载方式及测试内容506

14.4.3承载力与位移试验结果509

14.4.4实测应变结果及分析510

14.4.5滞回特性及分析516

14.4.6试件破坏特征517

14.4.7锚固件抗拔承载力计算方法519

14.4.8试验主要结论519

14.5柱脚设计方法520

14.5.1柱脚箱形底板混凝土承压计算520

14.5.2柱脚锚固件受拉计算523

14.5.3柱脚锚固件抗拔承载力计算525

14.5.4大型柱脚-混凝土承台抗剪计算526

参考文献528

第15章 国家体育场膜结构530

15.1国家体育场膜结构设计530

15.1.1膜结构概况530

15.1.2膜结构布置的基本原则531

15.1.3膜结构的特点532

15.1.4膜结构的设计标准534

15.1.5膜结构设计的荷载与作用取值及相关要求534

15.1.6膜结构计算分析535

15.1.7连接构造设计536

15.1.8膜结构加工制作与安装536

15.2 ET FE膜材537

15.2.1 ETFE膜的特点537

15.2.2 ETFE膜材的性能指标539

15.3 ET FE膜结构设计539

15.3.1 ETFE膜结构的基本构造540

15.3.2 ETFE膜结构计算要点543

15.3.3 ETFE膜的连接构造543

15.3.4 ETFE膜加工制作544

15.3.5 ETFE膜安装545

15.4PTFE膜材546

15.4.1 PTFE膜材的特点546

15.4.2 PTFE膜的性能指标547

15.5PTFE膜结构设计548

15.5.1 PTFE膜结构设计思路548

15.5.2 PTFE膜结构的基本构造549

15.5.3 PTFE膜结构计算要点551

15.5.4 PTFE膜材的连接构造553

15.5.5 PTFE膜加工制作与安装554

参考文献555

第16章 超长混凝土结构设计557

16.1超长混凝土结构的概念分析与研究557

16.1.1超长混凝土结构研究的主要对象557

16.1.2混凝土收缩应力及温度应力的产生原因及分布特点557

16.1.3温度作用下计算上部结构构件内力的方法558

16.1.4施加在水平构件上的轴向力对竖向构件的影响559

16.1.5水平构件中温度应力的影响因素561

16.1.6超长混凝土结构的概念设计在工程中的应用562

16.2超长混凝土结构内力的定量计算方法563

16.2.1温度应力计算条件及参数取值563

16.2.2有限元程序计算温度应力的要点565

16.2.3混凝土收缩应力定量计算方法565

16.2.4温度应力定量计算方法568

16.2.5基础底板及地下室外墙的应力计算方法569

16.3超长混凝土结构裂缝控制综合措施573

16.3.1超长混凝土结构地下室底板及外墙裂缝控制措施574

16.3.2超长混凝土结构楼板裂缝控制措施574

16.3.3后期监测注意事项575

16.4国家体育场超长混凝土结构设计575

16.4.1概念设计575

16.4.2上部结构576

16.4.3地下室底板及外墙576

16.4.4基座部分应力分析577

参考文献581

第17章 混凝土结构耐久性设计582

17.1混凝土结构耐久性设计综述582

17.1.1国内混凝土结构耐久性设计发展与现状582

17.1.2混凝土结构耐久性设计的重要性582

17.1.3混凝土结构耐久性设计的特点583

17.1.4混凝土结构耐久性设计要点584

17.2国家体育场混凝土结构耐久性设计585

17.2.1国家体育场混凝土部分工程概况585

17.2.2国家体育场混凝土结构耐久性设计内容586

参考文献591

第18章 国家体育场结构安全监测593

18.1大跨度钢结构的温度监测593

18.1.1温度测试系统593

18.1.2温度测试结果595

18.2结构变形监测600

18.2.1主体钢结构卸载过程监测与仿真分析601

18.2.2钢结构变形监测608

18.3结构应力监测611

18.3.1结构应力监测系统611

18.3.2应力测点布置614

18.3.3钢结构应力监测与分析617

18.4桁架柱基础沉降观测626

18.4.1沉降观测方案626

18.4.2监测时间与监测次数626

18.4.3沉降观测与理论计算结果比较627

18.5立面大楼梯动力特性监测与研究629

18.5.1试验方案及设备629

18.5.2立面大楼梯结构631

18.5.3立面大楼梯动力特性测试633

参考文献635