作为奥运会新建场馆，“水立方”、“鸟巢”、奥运乒乓球馆以其独特的建筑造型受到世人瞩目。这三个大跨度空间钢结构采用了从未或者极少应用过的结构形式，在令人赏心悦目的同时，也不免引人思考：这些建筑安全吗？清华大学土木系钱稼茹教授带领的科研团队就参与到解开这一问号的工作中。  

　　“水立方”钢结构墙体抗震性能好、安全储备大  

　　国家游泳中心“水立方”是2008北京奥运会的主要场馆之一。一面世，湛蓝色的膜结构外衣就成为人们关注的焦点，而这层美丽华服下的钢结构骨架却很少引起人们的注意。事实上，正是这些不为人知的骨架成为“水立方”的抗震结构，也是设计、施工中面临的头号难题。  

　　这种新型的多面体空间钢结构是首次应用于地震区的大跨度空间结构，国内外对其抗震性能均无试验研究。清华土木系钱稼茹教授带领的科研团队以“水立方”内墙中的典型部分为子结构，完成了该子结构模型在竖向荷载和往复水平荷载作用下的抗震试验。试验结果表明，子结构模型具有足够大的抗震安全储备。  

　　“鸟巢”钢结构抗震设计安全、达到预定性能目标“鸟巢”大跨度空间钢结构由主结构的桁架柱和桁架梁、顶面次结构和立面次结构组成。桁架柱的外柱顶部构件以及大量次结构构件采用了空间薄壁扭曲箱形构件，这种构件在平面内弯曲的同时绕轴线扭转。扭曲箱形构件的几何构型特殊，受力机理复杂，在大跨度空间结构中应用尚属首次，国内外均无相关研究成果和技术规范。空间薄壁扭曲箱形构件的截面尺寸达1.2米×1.2米，而钢板的厚度只有几厘米，尽管钢材的强度高、柔韧性能好，但这种构件是否安全、可靠，仍需要通过试验和受力分析进行研究。  

　　为此，钱稼茹教授带领科研团队对空间薄壁扭曲箱形构件进行了三项模型试验和分析：抗拉试验和分析、抗弯试验和分析、外柱顶部肘形结构模型抗拉试验和分析。通过三项试验，团队获得了拉力-位移曲线、弯矩－挠度曲线、屈服荷载、破坏过程和破坏形态、承载能力和变形能力等多项数据。试验结果为设计单位对少量构件的调整提供了依据。  

　　“鸟巢”钢屋盖是超大跨度空间结构，平面呈椭圆型，长轴330多米，最高点高度为68.5米，重4万多吨，有9522根构件，大跨度钢屋盖支撑在24根桁架柱上。假如遇到强烈地震，“鸟巢”将会怎样？钱稼茹教授采用有限元软件，对“鸟巢”整体结构进行了三维静力非线性和三维动力非线性抗震分析。结果表明，大震作用下，国家体育场钢结构最大位移小于其限值；主结构在桁架柱上出现数量很少的塑性铰，屈服程度轻；次结构也有少量的塑性铰，仅极少数铰的强度下降至残余强度；结构的整体刚度没有下降，尚未达到最大承载能力。国家体育场钢结构设计达到了预定的抗震设防性能目标。  

　　奥运乒乓球馆“中国脊”屋盖优美、安全稳固  

　　奥运乒乓球馆屋盖结构体系为预应力柔性拉索和刚性空间桁架通过撑杆连接而成的预应力张拉空间桁架壳体，主要由32榀辐射桁架、中央刚性环、中央球壳和支撑杆、下刚性环、辐射拉索及支撑体系6部分组成，结构新颖独特，在国内很少应用。除了周边有支承外，由众多钢桁架、刚性环、球壳等组成的大跨度的钢结构下没有一根柱子，只通过预应力钢索的张拉作用支撑起来，受力方式非常复杂。  

　　钱稼茹教授带领科研团队对奥运乒乓球馆钢结构屋盖进行了施工全过程监测，采用大型通用有限元软件对奥运会乒乓球馆屋盖钢结构进行了施工全过程模拟，为顺利完成拉索的预应力张拉、中央刚性环顺利卸载提供了有力的技术保障。
 

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