工程力学大作业-6.docx

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1、2023年工程力学大作业专业：组员：国家体育场（鸟巢）工程介绍一、案例背景：国家体育场，通称“鸟巢”，是位于中国北京市奥林匹克公园内的一座标志性建筑，是2008年北京夏季奥运会的主体育场。这座巨大的体育场于2003年至2008年兴建，由瑞士建筑师赫尔佐格与德梅隆事务所设计，以其独特的外观和创新性的工程而成为当时世界建筑的典范。鸟巢的设计灵感源自于中国古代的“铁艺”工艺和“瓦当”建筑，其标志性的钢结构外观呈现出纷繁交错的线条，如同一片庞大的钢铁网，给人以流动和开放的感觉。整个体育场呈现出动感十足的鸟巢造型，因而得名“鸟巢”。这座体育场的结构设计充分考虑了工程力学的原理。鸟巢采用了大跨度、轻型的结

2、构设计，主梁采用了更加坚固的双曲面结构，确保了整个体育场的稳定性和安全性。其独特的外观并非只是装饰，更是在结构力学的基础上实现的一种工程创新。鸟巢的座席总数达到了约91,000个，为观众提供了优越的观赛体验。在建设中，为了满足奥运会期间的各种需求，工程师们通过精密的计算和实验，确保了座席的合理布局，使每个观众都能够在最佳位置观看比赛。止匕外，鸟巢采用了大量环保材料和技术，注重可持续发展。其外部覆盖的红色橡胶气囊结构，不仅起到了保温、隔热的作用，还在一定程度上减轻了建筑的负荷，体现了现代建筑在环保方面的创新理念。国家体育场鸟巢不仅是一座充满现代气息的体育场馆，更是工程力学、建筑设计、环保理念等多

3、方面综合运用的典范。它不仅承载了历史性的奥运盛会，更成为了中国现代建筑的代表之一，展现了中国在工程科技和建筑设计方面的卓越成就。二、力学应用分析鸟巢作为一项杰出的工程成就，在其设计和建造过程中运用了多种工程力学原理，以实现特定的效果和功能。以下是鸟巢体育场所运用的一些重要力学原理。1 .结构力学原理：双曲面结构设计：鸟巢采用双曲面结构，这种结构在力学上更加坚固和稳定。通过双曲面的设计，能够有效地分散荷载并保证结构的整体稳定性，同时使得体育场内部无需太多柱子支撑，提供更好的观赛体验。钢结构设计：体育场采用大量轻型钢材，合理利用钢材的强度和刚度，实现了大跨度的覆盖，增强了结构的承载能力。2 .荷载

4、分析和分布：荷载传递和分散：在鸟巢的设计中，分析和计算了荷载的传递路径，确保了结构各部分的承载合理分布，使得整体承载能力均衡，减少了局部荷载可能导致的结构问题。3 .材料科学：新型材料应用：鸟巢采用了多种现代材料,如钢材、橡胶气囊等，这些材料的选用和结合考虑了其强度、耐久性和适用性，为体育场的建造提供了可靠的材料基础。4 .动力学原理：减震设计：在设计中考虑了地震等外部动力因素，采用了一些减震措施，以增强结构的抗震能力，保障体育场在地震等极端情况下的安全性。5 .空间力学：空间结构优化：鸟巢作为大型的空间结构，其设计考虑了空间力学原理，使得整个结构能够在空间中实现良好的平衡和稳定，不仅是一个视

5、觉上的壮丽建筑，同时也具备了优越的空间力学特性。“鸟巢”工程涉及的典型力学问题可总结为静力学、材料力学两类问题,其中静力学研究物体的受力、平衡条件及平衡方程的应用;材料力学研究工程中的强度、刚度和稳定性问题。“鸟巢”工程中的架柱采用卧拼法，主析架主要采用平拼法，即构件吊装前必须进行翻身工作由于构件重、体型大,翻身时吊点设置和吊耳选择难度大，尤其吊装架柱时的翻身，吊耳在翻身和吊装时的受力变化大,必须考虑析架柱的三向受力。而且,在翻身过程中的构件稳定性比较难控制。分段吊装时,架柱和主架之间存在多个管口的对接问题，由于接口为箱型断面,需保证多个管口的对口精度,难度巨大。吊装大型构件需确定构件及起吊设

6、备的平衡受力,确定合理的吊点位置及所需吊索长度。平衡状态确定的思路：通过对被吊结构进行分析确定重心位置，且给定吊点的位置；给定吊索在受力状态下的长度,通过对吊索结构分析,找到使吊索结构平衡的索力以及挂点和两吊点的空间相对位置：由吊点位置即可获得被吊结构的空间姿态及其受力状态,进而可验算被吊结构的强度、刚度和稳定性间。整个吊装体系(图(a)可拆分为被吊结构和由索、滑轮所组成的索结构两个子结构组成的平衡状态的力学模型，而整个吊装体系中吊绳传递力具有连续性。通过这两个子结构上所共有吊点的平衡方程和变形协调条件来确定(图(b)其中P=G,由此形成两个子结构组成的两个平面汇交力系问题。将两个子结构中吊点

7、的线位移约束后，图(C)与图(a)中吊装体系的力学模型是等效的，即分别在吊力P和重力G的作用下所求得的支座反力与吊装平衡状态下各子结构在整个吊装体系中吊点处的节点力相等,且两个子结构的受力状态与整个吊装体系的受力状态相同。因此,可等效地采用图(C)所示的两个子结构对整个吊装体系进行力学分析。三、感想和体会：在学习工程力学并分析鸟巢体育场这一伟大工程之后，我对于工程领域的深入理解和认识有了许多新的感悟和心得体会。鸟巢体育场的设计并非仅仅是为了追求外观的独特与美观，更是在工程力学的指导下实现了结构之美。双曲面结构的应用不仅赋予了建筑独特的外观，更是基于力学原理构建的工程壮丽。这深刻展示了力学在工程

8、设计中的重要性，力学不仅是理论知识，更是造就建筑美感的基石。鸟巢体育场的成功建造是多个学科的深度融合与协作的产物。工程力学只是其中的一环，涉及到建筑设计、材料科学、动力学、空间力学等多个学科领域。这启示我们，要想实现伟大的工程成就，需要各领域专家的合作与贡献，需要不同学科之间的交流与协作，以创新的思维整合各种知识，实现更高水平的工程设计。工程力学为工程设计提供了安全与稳定的基础。在鸟巢体育场的案例中，力学原理的应用使得结构更加稳固，具备抗震能力和合理的荷载分配，确保了建筑在使用过程中的安全性。这提醒我们，在任何工程设计中，安全始终是首要考虑的因素，而力学原理为此提供了重要保障。鸟巢体育场的建造

9、涉及到了材料的选用、结构设计等方方面面,展现了对可持续性和创新性的关注。在工程力学的指导下，结合新型材料和设计理念，体现了对环境影响的考量以及对未来可持续发展的追求。这提示我们，在工程设计中需要注重创新性思维，不断探索新材料、新技术，以促进工程的可持续发展。通过分析鸟巢体育场这一典范工程，深刻领会了工程力学理论在实践中的巨大价值。工程力学理论不仅仅停留在课本上的知识，更是实现了人类对于建筑工程的伟大探索。这激励我们要更深入地理解和应用工程力学知识，将其转化为创新的工程实践，服务于社会发展和人类需求。学习工程力学并分析鸟巢体育场这一伟大工程，不仅仅是对知识的学习，更是对工程背后理念和实践的深刻思考。工程力学作为实现工程设计的关键工具，为我们提供了在工程领域取得伟大成就的基础与保障。