做奧運(yùn)場館建筑的“安全衛(wèi)士”
新聞中心記者 張莞昀
隨著2008北京奧運(yùn)會腳步的臨近，一批奧運(yùn)場館走入人們的視野。“水立方”、“鳥巢”、奧運(yùn)乒乓球館作為三個(gè)奧運(yùn)會新建場館，以其獨(dú)特的建筑造型受到世人矚目。這三個(gè)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)采用了從未或者極少應(yīng)用過的結(jié)構(gòu)形式，在令人賞心悅目的同時(shí)，也不免在人們心中留下了問號：這些建筑安全嗎？
清華大學(xué)土木系錢稼茹教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)就參與到解開這一問號的工作中。
[水立方]鋼結(jié)構(gòu)墻體抗震性能好、安全儲備大
國家游泳中心“水立方”是2008北京奧運(yùn)會的主要場館之一。一面世，湛藍(lán)色的膜結(jié)構(gòu)“外衣”就成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而這層美麗華服下的鋼結(jié)構(gòu)“骨架”卻很少引起人們的注意。事實(shí)上，正是這些不為人知的“骨架”成為“水立方”的抗震結(jié)構(gòu)，也是設(shè)計(jì)、施工中面臨的頭號難題。
早在設(shè)計(jì)之初，建筑師就將目光鎖定在“水泡”的概念上，用“水泡”的形式組合成渾然一體的屋蓋和墻體，在屋蓋和墻體的內(nèi)外表面均覆以ETFE（乙烯四氟乙烯共聚物)充氣氣枕，成為“水立方”。為了實(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)理念，水立方的屋蓋和墻體采用了基于“氣泡”理論的多面體空間剛架鋼結(jié)構(gòu)。多面體空間剛架結(jié)構(gòu)以類WP多面體為基本單元，經(jīng)過組合、陣列、旋轉(zhuǎn)、切割等過程而形成。從外觀上看，多面體空間剛架鋼結(jié)構(gòu)的桿件長短不一、縱橫交錯(cuò)、很不規(guī)則，但看似無序的架構(gòu)中蘊(yùn)含著一定的規(guī)律。
“水立方”多面體空間剛架鋼結(jié)構(gòu)的施工難度很大。工人師傅需要按設(shè)計(jì)圖紙確定連接桿件的鋼球節(jié)點(diǎn)的空間位置，臨時(shí)固定鋼球節(jié)點(diǎn)，然后再將桿件與節(jié)點(diǎn)焊接。
這是這種新型的多面體空間剛架鋼結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于地震區(qū)的大跨度空間結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外對其抗震性能均無試驗(yàn)研究。
為了能夠更好地掌握這種結(jié)構(gòu)的抗震性能，我校土木系錢稼茹教授科研團(tuán)隊(duì)以“水立方”內(nèi)墻中的典型部分為子結(jié)構(gòu)，完成了該子結(jié)構(gòu)模型在豎向荷載和往復(fù)水平荷載作用下的抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比例為1/3，在8.841米×1.959米×5.609米(長×寬×高)的模型結(jié)構(gòu)中，共有97個(gè)節(jié)點(diǎn)、185根桿件。試驗(yàn)結(jié)果表明，子結(jié)構(gòu)模型具有足夠大的抗震安全儲備。
在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，“水立方”正在建設(shè)之中，工程各方都非常關(guān)注試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)試驗(yàn)確認(rèn)該模型結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性能后，團(tuán)隊(duì)立刻向北京市“2008”工程建設(shè)指揮部辦公室做了匯報(bào)，讓大家懸著的心放了下來。
[鳥巢]鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)安全、達(dá)到預(yù)定性能目標(biāo)
與身披湛藍(lán)“外衣”的“水立方”相鄰的是頗具現(xiàn)代感的國家體育場“鳥巢”，因整個(gè)建筑呈網(wǎng)格狀、仿若樹枝組成的鳥巢而得名。
“鳥巢”大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)由主結(jié)構(gòu)的桁架柱和桁架梁、頂面次結(jié)構(gòu)和立面次結(jié)構(gòu)組成。桁架柱的外柱頂部的桿件以及大量次結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用了空間薄壁扭曲箱形構(gòu)件，這種構(gòu)件在平面內(nèi)彎曲的同時(shí)繞軸線扭轉(zhuǎn)。扭曲箱形構(gòu)件的幾何構(gòu)型特殊，受力機(jī)理復(fù)雜，在大跨度空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用尚屬首次，國內(nèi)外均無相關(guān)研究成果和技術(shù)規(guī)范。空間薄壁扭曲箱形構(gòu)件的截面尺寸達(dá)1.2米×1.2米，而鋼板的厚度只有幾厘米，盡管鋼材的強(qiáng)度高、柔韌性能好，但這種構(gòu)件是否安全、可靠，仍需要通過試驗(yàn)和受力分析進(jìn)行研究。
為此，錢稼茹教授科研團(tuán)隊(duì)對空間薄壁扭曲箱形構(gòu)件進(jìn)行了三項(xiàng)模型試驗(yàn)和分析：抗拉試驗(yàn)和分析，抗彎試驗(yàn)和分析，外柱頂部肘形結(jié)構(gòu)模型抗拉試驗(yàn)和分析。
通過三項(xiàng)試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)獲得了拉力-位移曲線、彎矩－撓度曲線、屈服荷載、破壞過程和破壞形態(tài)、承載能力和變形能力等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)單位對極少量構(gòu)件的調(diào)整提供了依據(jù)。
“鳥巢”鋼屋蓋是超大跨度空間結(jié)構(gòu)，平面呈橢圓型，長軸330多米，最高點(diǎn)高度為68.5米，重40000多噸，有9522根構(gòu)件，大跨度鋼屋蓋支撐在24根桁架柱上。如果遇到強(qiáng)烈地震，“鳥巢”將會怎樣？
錢稼茹教授科研團(tuán)隊(duì)采用有限元軟件，對國家體育場“鳥巢”整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維靜力非線性和三維動(dòng)力非線性抗震分析。結(jié)果表明，大震作用下，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)最大位移小于其限值；主結(jié)構(gòu)在桁架柱上出現(xiàn)數(shù)量很少的塑性鉸，屈服程度輕；次結(jié)構(gòu)也有少量的塑性鉸，僅極少數(shù)鉸的強(qiáng)度下降至殘余強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)的整體剛度沒有下降，尚未達(dá)到最大承載能力。國家體育場鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定的抗震設(shè)防性能目標(biāo)。
[奧運(yùn)乒乓球館]“中國脊”屋蓋優(yōu)美、安全兼顧
與“水立方”的婀娜、“鳥巢”的雄偉不同，坐落在北京大學(xué)校園內(nèi)的奧運(yùn)乒乓球館更多了幾分中國傳統(tǒng)建筑的韻味。鋼屋蓋空間桁架結(jié)構(gòu)巧妙地形成了中國傳統(tǒng)造型的“中國脊”。站在高處俯瞰，還會發(fā)現(xiàn)屋頂別有一番天地：在兩條旋轉(zhuǎn)的屋脊匯聚處突出了一個(gè)透明球體，仿佛是一個(gè)強(qiáng)有力地旋轉(zhuǎn)的乒乓球。有些大型公共建筑為了形狀優(yōu)美在屋頂上再做一個(gè)“假”的造型，但奧運(yùn)乒乓球館打破常規(guī)，利用結(jié)構(gòu)本身來呈現(xiàn)建筑的美。
奧運(yùn)乒乓球館屋蓋結(jié)構(gòu)體系為預(yù)應(yīng)力“柔性”拉索和“剛性”空間桁架通過撐桿連接而成的預(yù)應(yīng)力張拉空間桁架殼體，主要由32榀輻射桁架、中央剛性環(huán)、中央球殼和支撐桿、下剛性環(huán)、輻射拉索及支撐體系六部分組成，結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，在國內(nèi)很少應(yīng)用。除了周邊有支承外，由眾多鋼桁架、剛性環(huán)、球殼等組成的大跨度的鋼結(jié)構(gòu)下沒有一根柱子，只通過預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉作用支撐起來，受力方式非常復(fù)雜。
錢稼茹教授科研團(tuán)隊(duì)對奧運(yùn)乒乓球館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行了施工全過程監(jiān)測，采用大型通用有限元軟件對奧運(yùn)會乒乓球館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工全過程模擬，為順利完成拉索的預(yù)應(yīng)力張拉、中央剛性環(huán)順利卸載提供了有力的技術(shù)保障。
在奧運(yùn)乒乓球館鋼屋蓋施工過程中，曾出現(xiàn)過火災(zāi)。由于團(tuán)隊(duì)在鋼構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力索上布有傳感器，獲得了可靠的數(shù)據(jù)，得出了火災(zāi)對結(jié)構(gòu)受力沒有影響的結(jié)論，使施工得以繼續(xù)進(jìn)行。
為了對奧運(yùn)會期間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安全提供充分依據(jù)，同時(shí)也考慮到建筑工程最容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題的階段是施工中及建成后兩年之內(nèi)，因此，錢稼茹教授科研團(tuán)隊(duì)將會一直跟蹤監(jiān)測奧運(yùn)乒乓球館到2009年。
[對話錢稼茹]我們只是做了奧運(yùn)工程中的一點(diǎn)點(diǎn)
記者：為什么要做建筑的抗震實(shí)驗(yàn)，是否所有建筑都要做抗震實(shí)驗(yàn)？
錢稼茹：我國地處全球兩大地震帶之間，是一個(gè)多地震國家，地震帶主要分布在東南（臺灣和福建沿海一帶）、華北（太行山沿線和京津唐渤地區(qū)）、西南（青藏高原、云南和四川西部）、西北（新疆和陜甘寧部分地區(qū)）。北京剛好處于地震帶上，抗震設(shè)防烈度為8度。如果北京遭到約6.5度的地震，房屋建筑不應(yīng)該有破壞；如果遭到8度地震，房屋建筑會有一些較輕破壞，可以修復(fù)；如果遭到9度地震，房屋建筑可能會有比較嚴(yán)重的破壞，但不會倒塌。8度地震約500年可能發(fā)生一次，9度地震2000多年可能發(fā)生一次。
并不是所有建筑都需要進(jìn)行抗震試驗(yàn)，絕大部分房屋建筑按國家頒布的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要做抗震實(shí)驗(yàn)。“水立方”和“鳥巢”都采用了新的結(jié)構(gòu)或新的構(gòu)件形式，國內(nèi)外沒有相關(guān)的研究成果，因此需要通過實(shí)驗(yàn)研究它們的抗震性能。
記者：您帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)如何參與這些奧運(yùn)工程？
錢稼茹：三個(gè)項(xiàng)目的投入方式不同。奧運(yùn)乒乓球館的項(xiàng)目更多的是在現(xiàn)場工作，“水立方”子結(jié)構(gòu)模型抗震試驗(yàn)和“鳥巢”的扭曲箱形構(gòu)件實(shí)驗(yàn)主要是在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，“鳥巢”的整體抗震能力分析是進(jìn)行計(jì)算。以前，像“鳥巢”這樣復(fù)雜的大跨度空間結(jié)構(gòu)的彈塑性抗震計(jì)算并不多，我們在構(gòu)件的參數(shù)確定等方面花了很多功夫，計(jì)算和數(shù)據(jù)處理分析也很費(fèi)時(shí)間。
記者：在參與奧運(yùn)工程的工作中，哪件事給您留下了深刻印象？
錢稼茹：奧運(yùn)乒乓球館項(xiàng)目。這項(xiàng)工作開始于2006年年底，當(dāng)時(shí)天氣特別冷，我們要在室外安裝傳感器、拉線、現(xiàn)場監(jiān)測。這項(xiàng)工作是我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)投入人工最多的項(xiàng)目。在施工過程中，遇到了乒乓球館的火災(zāi)，我們提供的數(shù)據(jù)幫助有關(guān)部門做出了決策。
記者：您帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)參與了奧運(yùn)會三個(gè)場館的建設(shè)工作，在這些工作中您最大的感受是什么？
錢稼茹：我們的工作只是奧運(yùn)場館建設(shè)中的一點(diǎn)點(diǎn)，整個(gè)工程有成千上萬的工作人員參與。能夠參與奧運(yùn)場館建設(shè)，對我們來說是十分幸運(yùn)的。
