2008奥运会老山自行车馆结构优化设计计算

2008奥运会老山自行车馆结构优化设计计算

OPTIMIZING STRUCTURAL DESIGN AND CALCULATION

OF THE BICYCLE ARENA OF 2008 OLYMPIC GAMES

常强侯建群

Chang Qiang， Hou Jianqun

（清华大学建筑设计研究院北京 100084）

Architectural Design and Research Institute of Tsinghua University, Beijing 100084

摘要：2008奥运会老山自行车馆屋面钢结构为大跨度的双层网壳体系，在主体基础承台已完工的情况下，受业主邀请进行结构优化。并对优化后的结果进行了静力与抗震计算分析。结果表明优化方案在使用成熟工艺、技术的前提下，有效降低了结构用钢量，结构应力、位移与杆件稳定满足使用要求，达到了节省工程投资的目的。结合更深入的整体分析与节点设计，整体材料用量仍有进一步优化的可能。

Abstract: The steel-structure roof of the bicycle arena of 2008 Olympic Games is designed as a large-span double-layered grid shell. The owner asks for an optimizing structural design just after the foundation has been completed. The topic brings forward an effective proposal based on static and seismic analyses. The budget can be abated as the amount of usage of steel material is markedly reduced with only well-developed methods and technologies. The stress level, deformation and stability can all satisfy the demands from the Codes. With more deeply holistic design and detail development, the material used can be decreased ulteriorly.

关键词：奥运结构优化钢结构网壳

Key Words: Olympic Games, Optimizing, Structural design, Steel structure, Grid shell

1、工程概况与方案优化

1.1 概况

1.1 建设项目基本情况

2008奥运会老山自行车馆位于北京市石景山区老山西街15号。在2008年奥运会期间，将作为场地自行车项目比赛场地；平时则作为国家自行车队训练基地，满足比赛和训练要求；同时作为推广开展全民健身运动的场所。

本工程设计单位为中国航天建筑设计研究院（集团）。工程建筑面积32920平方米，主要包括具有国际水平的250米全天候木质赛道和6000个观众坐席。目前主体基础部分的承台已施工完毕。

受建设单位（国家体育总局奥运场馆及国家队训练设施建设管理办公室、国家体育总局自行车击剑运动管理中心）邀请，对屋面钢结构网壳进行结构优化方案设计。

1.1.2 设计条件

现有屋面钢结构体系设计平面为圆形，人字型柱柱下轴线跨度（平面直径）126.4米，柱上跨度（平面直径，即屋面网壳的支座）为133.06米，屋面网壳矢高17.99米，屋面水平投影直径为149.53米。基础形式为钢筋混凝土柱下扩展基础，7.00米以下为钢筋混凝土圆形柱，上端为双分的圆形钢管（Ø1000X18mm）人字柱，屋面系统为钢结构空间网壳体系。

1.1.3 比选要求

在保证工程安全和使用功能的前提下，提出对现有屋面钢结构设计进一优化的二次设计方案、实施方案以及工程概算，以达到节省工程投资的目的。

提出方案应满足我国现行规范规程的要求。材料均选用国产钢材，钢结构安装、制作、验收标准应采用国内标准。计算结果对人字柱的作用不应大于提供图纸的支座反力作用。

提出的方案不能对现设计方案的外型、高度、基础、支撑等情况改变。

建筑物安全等级为一级，结构设计使用年限为50年。

本工程属抗震乙类建筑。抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，设计地震分组为Ⅰ组，场地类别为Ⅱ类。

1.2 方案优化

1.2.1 结构整体优化思路及说明

1.在保证建筑条件不变的前提下，对原设计网壳的杆件布置进行了优化设计。

2.节点设计采用螺栓球节点和圆管空间相贯节点相结合的形式。

3.采用Q235与Q345相结合的材料布置方案

1.2.2 结构设计方案

结构整体设计如图1~图3。

图1 CAD建模立面图

图2 CAD建模剖面图图3 CAD建模平面图

2、优化结构分析计算

2.1 结构分析软件

采用中国建筑科学研究院空间结构室开发的大跨度空间网架、网壳结构计算机辅助设计制造软件MSGS8.0进行结构静力优化设计分析与抗震验算。并利用SFCAD软件进行了验证对比，二者得出的用钢量、柱底反力、位移值等各设计指标均基本一致（偏差5%以内）。

2.2 荷载条件

业主提供了荷载标准值，金属屋面做法重量0.4kN/m2，玻璃屋面0.5kN/m2。吊顶与各种吊挂恒载0.7kN/m2。不上人屋面活载0.5 kN/m2。温度荷载±30℃。

设计中，风荷载体形系数取-1.0，风振系数取1.4。雪荷载的分布系数取1.0。

荷载组合时，分项系数考虑了重要性系数1.1的调整。

2.3 支座条件与计算参数

¾支座设于人字柱柱脚，共48个，为约束三向位移的铰接支座。所有单元均为二力杆单元。

¾压杆长细比控制在180以内，拉杆200。拉杆应力小于10kN按压杆控制。