国家体育场钢结构设计优化方案(2)

在综合比较了国内外钢结构设计规范、冷弯薄壁型钢设计规范和相关研究文献的基础上，提出了根据箱形构件板件应力状态确定焊接薄壁箱形构件的板件有效宽厚比的方法与相应的构件设计公式，分别考虑拉、压、双弯、双剪、扭作用，并在非线性有限元计算、构件试验研究进行分析验证的基础上，将研究成果应用于国家体育场焊接薄壁箱形构件设计中。

三、杆件计算长度系数研究

《钢结构设计规范》对管桁架结构的计算长度没有专门的规定。由于方管桁架的节点刚度较大，对杆件变形的约束作用明显，合理确定杆件的计算长度，可以取得一定的经济效果。对于管桁架的受压弦杆，面内计算长度可以取构件的节间长度。考虑到受拉弦杆和腹杆的抗弯及抗扭效果，对管桁架受压弦杆平面外的位移形成约束作用，而且受压弦杆本身也具有一定的抗弯和抗扭能力，故对其在平面外的计算长度可以适当折减。

桁架腹杆面外的计算长度与连接节点形式有很大关系，当采用管桁架时，腹杆四周焊缝与弦杆连为一体，这与节点板连接时平面外刚度很小有明显区别。考虑到杆端焊缝的约束作用，腹杆的计算长度系数可以折减。在本设计中，腹杆在面内的计算长度系数取0.8，面外的计算长度系数则参照日本管结构设计指针取0.9。

屋面次结构在主桁架形成的菱形网格中呈不规则交叉布置，构件以受弯为主。立面次结构在外柱之间呈不规则交叉布置，直接作用于立面次结构的荷载较小。在原初步设计中，将主结构作为次结构的支承点，次结构面外计算长度直接取用主结构支承点之间的距离，计算长度很大，当杆件受压时材料利用率很低。由于次结构呈网状交叉布置，受力形态类似于单层网壳结构。为了确定次结构构件的计算长度，直接采用整体计算模型进行非线性分析，计算时分别考虑了竖向荷载和水平地震作用。

对于屋面与立面的次结构构件，由于次结构的截面尺寸较大，在竖向荷载与水平方向地震作用下的构件的稳定承载力高于构件截面能够提供的材料屈服承载力，构件为强度控制。根据非线性分析结果，结合次结构的特点，并参照《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003），次结构面外计算长度系数均取1.6，且顶面次结构面外计算长度不超过其延长线与两相邻主桁架交点之间的距离。

四、杆件计算长度系数研究

《钢结构设计规范》对管桁架结构的计算长度没有专门的规定。由于方管桁架的节点刚度较大，对杆件变形的约束作用明显，合理确定杆件的计算长度，可以取得一定的经济效果。对于管桁架的受压弦杆，面内计算长度可以取构件的节间长度。考虑到受拉弦杆和腹杆的抗弯及抗扭效果，对管桁架受压弦杆平面外的位移形成约束作用，而且受压弦杆本身也具有一定的抗弯和抗扭能力，故对其在平面外的计算长度可以适当折减。

桁架腹杆面外的计算长度与连接节点形式有很大关系，当采用管桁架时，腹杆四周焊缝与弦杆连为一体，这与节点板连接时平面外刚度很小有明显区别。考虑到杆端焊缝的约束作用，腹杆的计算长度系数可以折减。在本设计中，腹杆在面内的计算长度系数取0.8，面外的计算长度系数则参照日本管结构设计指针取0.9。

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