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